適合汽車(chē)級靜電放電應用的雙向器件

　　為了詳細說(shuō)明原理圖的結構，在第一個(gè)引腳（引腳1）處，n+和p+有效區域在NPN雙極性Qn1的表面相接觸，且對應于發(fā)射極和基極區域。p+有效區域還與H-PW和DPW區域形成的p型區域電氣連接。DPW會(huì )增加深入器件的摻雜濃度，從而導致表面之外浮動(dòng)式n型區域和p型區域之間產(chǎn)生擊穿電壓。該p型區域可確定電阻RHPW，并形成PNP雙極性Qp的發(fā)射極區域。

浮動(dòng)式n型區域與NPN雙極性Qn1的集電極區域和PNP雙極性Qp的基極區域相對應。在對稱(chēng)方向，原理圖第二部分（包括虛線(xiàn)以下的Qn2）表示器件另一部分的等效電路（圖1中未顯示）。除了確定保護箝位特性的基本原理圖之外，寄生PNP雙極性Qparasitic的發(fā)射極、基極和集電極分別由p型區域、浮動(dòng)式NBL （H-NW） 和P型基板中的p+有效區域構成。器件采用絕緣硅片工藝制造時(shí)，雖然不必考慮Qparasitic問(wèn)題，但這還是常常會(huì )對保護箝位特性造成不良影響，并在大型BCD工藝中產(chǎn)生不必要的基板電流。當器件采用大型工藝制造時(shí)，兩個(gè)箝位器件引腳的間距很近，這種效應會(huì )有所降低，從而形成高擊穿隔離區域，增加與器件周?chē)綦x保護環(huán)的間距，進(jìn)而在有效縱向與橫向PNP寄生雙極性區域中產(chǎn)生低增益和高開(kāi)路基極擊穿。

　　三、保護箝位器件特性

　　保護箝位器件根據電路I/O目標操作時(shí)的高壓內核器件設計窗口和ESD與EMI應力條件仿真相應進(jìn)行優(yōu)化。圖3顯示優(yōu)化后雙向保護箝位器件產(chǎn)生的高應力下的電壓與電流瞬態(tài)響應。箝位器件顯示閉鎖電壓相似，但保持電壓存在明顯差異。這種差異源自對n+和p+有效區域“T”形及孤島陣列結構的修改。

　　當PNP（圖2中的Qp）空穴驅動(dòng)動(dòng)作占主導地位，即可實(shí)現針對BHEC箝位器件的高保持電壓，無(wú)需改變兩個(gè)箝位器件引腳的橫向間距。另一方面，對BEEC箝位器件而言，響應時(shí)間更快的電子驅動(dòng)NPN（圖2中的Qn1）越來(lái)越占主導地位，會(huì )產(chǎn)生較低的保持電壓，特別適合±25 V以下工作的應用。對BHEC而言，較大的p+有效區域“T”形可為增強空穴注入和PNP動(dòng)作創(chuàng )造條件。類(lèi)似地，對BEEC箝位器件而言，“T”形n+有效區域更大，在這種情況下，可以增強電子注入和NPN動(dòng)作。高魯棒性的雙向器件結構通常具有低保持電壓［3］、［4］，“T”形和孤島結構設計的目的是讓器件保持高傳導性調制，同時(shí)調整圖2等效原理圖中嵌入式雙極的增益，以實(shí)現通態(tài)響應控制。

　　圖3， 140 V極快TLP施加到受測器件時(shí)，圖1（a）和圖1（b）結構的電壓與電流波形對比。

　　BHEC箝位器件通態(tài)保持電壓高于BEEC箝位器件，因為它的發(fā)射極注入效率較低、基極瞬態(tài)時(shí)間較長(cháng)、空穴載荷子移動(dòng)性較低，由此產(chǎn)生的PNP電流增益也較低。這些結構不僅優(yōu)化了器件響應，適合汽車(chē)與工業(yè)應用，還可將保護箝位器件的尺寸降至最小，適合不同的目標工作條件。

　　為了優(yōu)化保持電壓特性，上電ESD與EMI應力條件也必須考慮在內。參考標準規格時(shí)，短路時(shí)8 kV ESD IEC-61000-4-2應力的雙峰值電流波形在第一和第二峰值時(shí)分別達到接近30和18.5 A，并且會(huì )在500 ns內衰減，而80 V時(shí)，85 V EMI ISO- 7637-3脈沖在峰值電流時(shí)約為11 A，衰減時(shí)間要長(cháng)得多（約40 μs）。

　　圖4，圖1（a）和（b）結構的準靜態(tài)100 ns TLP雙向I–V特性。

　　圖4顯示圖1中兩個(gè)器件準靜態(tài)100 ns TLP I–V特性的對比情況。這些應用中需要考慮的高壓內核器件擊穿電壓通常在100 V范圍內，這一數值可作為參考。器件在±40 V以下的正常IC工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生較低的漏電流，從而將能耗及其對電路的影響降至最低。BHEC和BEEC箝位器件均可分別實(shí)現高于±40 V和±25 V的最佳目標工作條件，同時(shí)保持惡劣工作環(huán)境下具有穩定的過(guò)應力。注意，BEEC箝位器件除了可提供±25 V以上的保持電壓外，還可提供初始高保持電流。這與其使NPN動(dòng)作更具主導性而產(chǎn)生的應力水平相關(guān)。這一特性在箝位器件中很有用，可進(jìn)一步避免正常工作時(shí)的誤觸發(fā)。片內評估能夠成功滿(mǎn)足電路設計性能和上電ESD和EMI魯棒性，同時(shí)保持較高的FOM比，分別滿(mǎn)足BHEC和BEEC箝位器件在FOM ≈ 0.15 mA/μm2和FOM ≈ 0.39 mA/μm2范圍內的高保持電壓工作［6］。