新一代ESD保护器件不再需要VCC连接

作者：Roger Liang ，德州仪器 (TI) 大容量线性部门

引言

由于其不断减少的处理节点，数字和模拟IC越来越容易受到静电放电 (ESD) 的损坏，因此为了保证充分的系统级ESD保护，离散式ESD保护二极管成为一种必需组件。过去，我们把VCC连接添加至二极管，目的是降低其结电容。随着新型二极管技术的出现，现在却不再需要。本文将向您介绍过去为什么需要VCC连接，并解释现在却不使用它的一些原因。

ESD是两个不同电势的物体接触时出现的静电释放现象。例如，在天气干燥的冬天，在把印刷电路板(PCB) 封装到填充有泡沫的箱子里时，最高可产生20 kV 的ESD 。为了确保电子终端设备不受日常ESD 现象的损害，通常要求使用离散式二极管，其拥有比标准2kV人体模型 (HBM) 更稳健的ESD额定值。离散二极管的ESD额定值直接与二极管的p-n结点面积成比例关系；但是，结点越大，寄生电容就越大。为了不影响二极管的ESD额定值，添加一个VCC连接是一种IC设计方法，它可以有效降低二极管的寄生电容，但有可能会损坏连接至VCC的所有其他器件。然而，工艺技术的最新进展，让二极管设计人员不再需要VCC连接，并同时能够保证低电容和高ESD额定值。

二极管特性

二极管是最为基本的半导体器件。它由一个p型和一个n型结点组成，具有两个端头：一个p型端的阳极和一个n型端的阴极（请参见图1）。当从阴极向阴极（反向偏置）施加一个足够大的电压时，二极管进入其击穿区域。理论上讲，电阻为零时，它可以传导无限数量的电流。使用另一个方向（正向偏置）施加电压，会使二极管进入其正向导电区域。图2显示了一个基本二极管的IV曲线，它的阴极接地，电压穿过阴极。尽管针对不同应用有许多不同类型的二极连接管，但这里要讨论的是ESD保护应用的超快速响应二极管。这些二极管可以非常快速地对高ESD电压做出响应，并通过分流ESD电流至接地，在几纳秒时间内便可把数千伏电压降低至仅仅数十伏。





影响二极管寄生电容的因素有两个：结电容（由于过渡层内的电荷变化）和扩散电容（由于中性区域内的过剩载流子）。在反向偏置区域由结电容主导，其为ESD二极管的正常应用区。二极管的结电容描述如下：



其中：
A为结面积。εSi为硅的介电常数。q为一个库仑电荷。NA为受主掺杂浓度。ND为施主掺杂浓度。φ0为结点的内建电压。VA为在结点上施加的偏置电压。

在应用级，VA越高，结电容越低（请参见图3）。这是因为，以前的二极管技术要求一个VCC偏置来稳压VA，-从而降低寄生电容。使用VCC连接还让系统工程师可以在VCC节点添加一个大电容（请参见图4），它起到一个电荷库的作用，目的是吸收一些过多的ESD能量，从而逐渐增加ESD保护。




把高速二极管用于ESD保护

为了设计出一种高ESD额定值、低电容的二极管结构，通常使用三二级管方法（参见图5和6），原因有三个：

1、相比在反向击穿区域，二极管在正向导电区域可以承受更强的电流。
2、隐藏式 (hiding) 二极管1和齐纳二极管可抵制正ESD电击。
3、隐藏式二极管2可抵制负ESD电击。





两个更小的“隐藏式”二极管与一个更大的齐纳二极管串联。由于其串行结构，隐藏式二极管的电容更小，可有效隐藏齐纳二极管的大电容。在正ESD电击期间，隐藏式二极管1进入其正向导电区域。齐纳二极管进入其反向击穿区域，从而形成一条通路，让ESD 电流被分流至接地，而不会进入受保护器件内部。大齐纳二极管的大尺寸，让其能够在击穿区域承受大电流。在负ESD电击期间，隐藏式二极管2进入其正向导电区域，把ESD 能量直接引导至接地。在上面任何一种电击事件中，隐藏式二极管都可处理大量的ESD 电流，因为它们绝对不会击穿，只会进入正向导电区域。

不使用VCC连接的好处

过去几年，二极管制造技术取得了巨大的进步，实现了更低的结电容，并且没有牺牲高ESD额定值。这些进步包括：
. 从横向二极管结构变为纵向二极管结构
. 更高的单位面积ESD性能
. NA和ND掺杂更少，却可以达到相同的正向击穿电压

这些进步意味着，在降低结电容来支持高速接口时-不再需要使用VCC连接。不使用VCC连接，给系统工程师带来如下三方面的好处：

1、没有泄露电流进入内部电源

如果一个高压输入信号通过低VCC电平连接ESD二极管-I/O，则信号电流可能会通过隐藏式二极管1泄露进入到VCC以及该节点上连接的其他器件内（图7）。这可能会损坏连接它的电源或者器件。如果VCC没有连接ESD二极管，则无需有这方面的担心。



2、不会对内部电源造成ESD损坏

在正ESD电击期间，VCC 沿着ESD电流的放电路径，并且它的电压水平为I/O 处箝位电压以下一个VF（~0.5到0.7 V）。尽管由于分流电容的使用，在面对ESD时电源已经非常稳健，但这种升高的电压水平非常可能会损坏由VCC 驱动的器件（图8）。情况一样，如果VCC不连接至ESD二极管，则无需担心。