常用的ESD保护器件
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发布时间：2024-12-20 08:16
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ESD保护器件在电子设备中发挥着至关重要的作用，它们能够有效防止静电放电（ESD）对敏感电路的损害。常用的主要有二极管、电阻、MOS、BJT、SCR等。
二极管作为ESD保护器件时，它通过雪崩击穿释放ESD电流，保护电路免受损害。在正偏和反偏两种状态下，二极管的ESD能力大相径庭。在正偏时，二极管抗ESD能力强，但功耗较大；反偏时，虽然抗ESD能力较低，但功耗小。二极管的面积直接影响其反偏状态下的ESD性能，但这种方式会导致ESD器件面积增加，寄生电容影响高频引脚的性能。
MOS和BJT通过寄生的BJT实现ESD电流的释放，MOS器件因在CMOS工艺中应用广泛而成为ESD保护器件的首选。图3展示了MOS器件作为芯片ESD防护的示例。MOS器件在正偏时，漏端的N+/Pwell结雪崩击穿，产生负阻现象和折回曲线，导致I-V曲线折回。此过程与正向导通电压和触发电压相关，器件的维持电压和二次击穿电压分别代表了器件能承受的最低电压和最大耐受电流，最终可能因过热而损坏。
PMOS通过体内寄生的PNP型BJT进行电流泄放，但其电流放大系数低于NMOS中的NPN型器件，导致没有折回现象，因此PMOS使用不如NMOS广泛。通常，PMOS仅作为电源VDD与I/O引脚之间的防护。
电阻在ESD保护中作为辅助措施，如用于芯片Input的限流电阻或GG-NMOS的栅电阻。电阻分压，帮助降低进入内部电路的电压，尤其在第一级ESD器件无法将电压钳位至安全区域时，第二级ESD器件的导通与电阻分压共同作用，进一步降低电压。在NMOS的栅极通过一电阻接地时，正向ESD脉冲下，NMOS的漏-栅电容耦合出的正电势促使NMOS沟道开启，降低其触发电压。
SCR作为抗ESD能力最强的器件，其结构如图7所示。当阳极出现正向ESD脉冲时，Nwell/Pwell结发生雪崩击穿，产生电子和空穴电流，形成正反馈过程，使Nwell和Pwell电导调制效应降低，从而降低两端压降，提高抗ESD能力。在阳极出现负向ESD脉冲时，电流可通过正偏的阴极P+/阳极N+释放。
从ESD性能比较来看，基于CMOS/BCD工艺的器件中，无论是低压还是高压应用，单位面积内的ESD防护能力大致如下：SCR＞MOS＞二极管（反向击穿）。这些器件在ESD防护中各有优劣，选择时需根据具体应用需求综合考虑。
