基于SCR结构的纳米工艺ESD防护器件研究-电子技术方案|电路图讲解

本文主要针对用于ESD防护的SCR结构进行了研究。通过对其ESD泄放能力和工作机理的研究，为纳米工艺下的IC设计提供ESD保护。本文的研究主要集中在两种常见的SCR上，低触发电压SCR（LVTSCR）与二极管辅助触发SCR（DTSCR）。本文也对以上两种SCR结构进行了改进，使得其能够在不同工作环境和相应电压域下达到相应的ESD防护等级。本文的测试与分析基于传输线脉冲测试仪（TLP）与TCAD仿真进行，通过对SCR中的正反馈工作机理的阐述，证明了SCR结构是一种新颖有效的ESD防护器件。

1引言

静电放电（ESD）现象，一直是困扰集成电路设计与制造的一个难题。在整个集成电路的制造。封装。运输过程中都会产生静电，并对集成电路造成可能的损坏。每年，因ESD导致的电子产品失效所占比例从23%到72%不等。尤其是当集成电路制造进入纳米工艺（《90nm）以后，随着MOS晶体管尺寸的减小，集成电路整体的抗ESD能力愈发下降，而ESD应力本身并不会随着工艺尺寸的减小而减弱。另一方面，工作电压的降低。射频以及功率电路的特殊应用环境。IO端口的尺寸限制都对ESD防护结构提出了更高更加细化的要求。

ESD防护器件主要分为二极管。MOS管和SCR结构。其中二级管结构简单，寄生效应少，适合射频领域的ESD防护，不会给电路引入过多的寄生参数。而MOS管常采用栅接地的形式（GGNMOS），因其良好的工艺兼容性。各项ESD性能较为折中被广泛的应用于集成电路IO端口的防护之中。相比前两者，硅控整流器（SCR）结构有着最高的ESD效率。在相同的面积之下，SCR结构能够达到二极管或MOS管结构的数倍ESD防护效果。但因为SCR的I-V曲线呈现一种深回滞的状态，容易导致ESD防护失效和闩锁效应的发生，这使得普通的SCR结构一般不能直接用于集成电路的ESD防护。需要针对不同电路的工作环境和工作电压，对SCR结构进行相应的改进设计。低触发电压SCR（LVTSCR）与二极管辅助触发SCR（DTSCR）就是两种较为成功的SCR改进结构。

2 LVTSCR结构概述

LVTSCR是最早应用于ESD防护的SCR结构之一，其结构特点是SCR中内嵌了一个GGNMOS的结构（图1），带来的好处是触发电压的大幅度降低，基本能够将SCR的触发电压降低到同工艺下的GGNMOS的水平。


图1 LVTSCR的剖面示意图

一个65nm工艺下的典型50um单叉指LVTSCR的TLP测试曲线如图2所示。该LVTSCR的回滞点在6.8V，维持电压点2.6V.50um单叉指的It2能够达到2.4A.为对于图2中回滞点附近放大部分的曲线观察可以看到早在不到6V时，LVTSCR就已经呈现开启的状态，有微弱的电流流过LVTSCR.6V左右的开启电压这与同样线宽下的GGNMOS触发电压是非常接近的，这部分电流正是在瞬态ESD条件下流过LVTSCR沟道部分的电流。



图2 65nm工艺下典型的LVTSCR TLP曲线

正是因为有了内嵌的栅结构，使得LVTSCR能够获得与相同工艺下GGNMOS一样的触发，实现低电压开启的目的。另外还是要注意到，尽管采用了内嵌栅实现触发电压的降低，LVTSCR的维持电压依旧是比较低的，如此低的维持电压非常容易发生闩锁效应，为此必须对LVTSCR进行提高维持电压的设计。

对于SCR结构，最为常用的提高维持电压的方法就是拉伸SCR中两个寄生三极管结构的基区宽度。

通过降低三极管的电流放大能力来减弱SCR开启后正反馈的效果，最终达到提高维持电压的目的。

图3（a）中的Dl控制的是LVTSCR的寄生NPN三极管的基区宽度。通过不断增加D1的宽度，可以获得具有高维持电压的LVTSCR结构。图4中实心部分的曲线就是采用了不同Dl的LVTSCR所获得的TLP测试曲线，可以观察到随着D1从lure增加到4um，LVTSCR的维持电压从最低的3.2V增加到了5V.如此高的维持电压仅与触发电压有着不到2V的工作区间，避免了ESD防护失效和闩锁效应的发生。


图3 双叉指结构的LVTSCR拉伸基区宽度示意图

尽管达到了提高维持电压的目的，图3（a）中的方法毕竟还是缺乏效率。因为只是在横向上增加器件的宽度，所以带来的是ESD器件整体面积的增大，这对于目前寸土寸金的IO口来说，显然是一种不能够接受的方案。为了更好地利用起硅片面积，做到有效提高维持电压的目的，本文提出了一种通过增加浮空N阱从纵向上也增加基区宽度的方法，如图3（b）所示。在拉伸后的Dl区间增加一个N阱结构，该N阱结构因为在电位上不与阳极或者阴极相连，所以其电位上是浮空的。如图3（b）中虚线部分所示，浮空N阱的加入使得基区宽度不再是横向上的一段距离，而是要加上两段N阱的深度。在版图上，该改进结构并未增加任何的面积，是一种非常有效率的提高维持电压的方案。通过图4中空心曲线与实心曲线的对比我们可以看到：相比同样宽度的LVTSCR，增加了浮空N阱的LVTSCR的维持电压要高的多，维持电压的提高从0.3V至1v不等。


图4 LVTSCR不同基区宽度的TLP测试曲线

-电子元器件采购网（www、oneyac、com）是本土元器件目录分销商，采用“小批量、现货、样品”销售模式，致力于满足客户多型号、高质量、快速交付的采购需求。自建高效智能仓储，拥有自营库存超50,000种，提供一站式正品现货采购、个性化解决方案、选项替代等多元化服务。 （本文来源网络整理，目的是传播有用的信息和知识，如有侵权，可联系管理员删除）

本文介绍一种小功率（35W左右）金卤灯用电子镇流器的设计方案，其采用有源功率因数校正技术使功率因数接近于1.这大大减小了镇流器中同线路功率因数有关的损耗。该电子镇流器工作频率为44kHz左右，用小型低耗的变压器构成一种独特的起动电路，可产生6000V的脉冲电压，足以点亮金卤灯。

1引言

高强度气体放电灯，如汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯，在室外照明中已获得了广泛的应用。这类灯功率大，发热量大，所用的镇流器和触发器，通常都和灯管分开安装。但对于功率小，发热量低，亮度足够强，且需要镇流器、触发器同灯管尽量靠近安装的应用场合，现行的大功率高强度气体放电灯及其所用的镇流器就难以满足此项要求。

本文介绍一种小功率（35W左右）金卤灯用电子镇流器的设计方案，其采用有源功率因数校正技术使功率因数接近于1.这大大减小了镇流器中同线路功率因数有关的损耗。该电子镇流器工作频率为44kHz左右，用小型低耗的变压器构成一种独特的起动电路，可产生6000V的脉冲电压，足以点亮金卤灯。由于整个镇流器线路简单，工作效率高，可安装得紧凑些同金卤灯构成一体。

2系统设计原理框图

图1为该电子镇流器的原理框图。来自电网的220V/50Hz交流电经过整流和功率因数校正后，变成300V左右的直流电压，经过DC/AC高频变换器产生44kHz左右的高频电压输出，同时该直流电压还供给起动电路，它为金卤灯及镇流阻抗提供约6000V的起动脉冲电压。从DC/AC变换电路输出的44kHz高频电压接到金卤灯的管脚1，而从起动电路输出的高压脉冲接到灯的管脚2.在灯管脚两端还接着滤波电容C30.控制电路为上述电路提供开关控制信号，温度监控信号和异常状态保护信号。


图1：电子镇流器的原理框图

2.1功率因数校正电路设计

图2为图1中功率因数校正电路（PFC）的简化电路。它对图1的输入交流电压进行整流和调节。该PFC电路包括浪涌电流抑制电路，全波整流桥，滤波电路，扼流电感L1，PFC集成块（N1），场效应晶体管MOSFET（Q1），输出滤波和反馈网络以及由若干个电阻、电容及二极管组成的网络。该PFC电路把220V/50Hz交流电压变成DC电压，其线路输入功率因数接近于1.桥式整流电路的输出从X6处接到控制电路，经变换后为其提供12VDC电压。


图2：功率因数校正电路PFC

经滤波后的直流电压接到扼流电感L1，该电感和Q1（由芯片N1驱动）以及滤波电容C1一起把线路输入功率因数提高到接近于1.

2.2 DC/AC高频变换电路设计

图3为DC/AC高频变换电路。该变换电路中采功率因数校正芯片N1，接收来自电阻R3和R4连接点处的反馈信号，电阻R3和R4同电容C2一起组成输出滤波电路，完成谐波校正。经滤波后的输出电压VCC通过端子X2，供给DC/AC变换电路（图3）。


图3：DC/AC高频变换电路

如果出现过温或过流，就被相应的部件检测出，送到控制电路（图5），使电路中的Q5导通，从而使供到集成块N1及N2上的15VDC电压切断，集成块N1及N2停止工作，最终使整个系统关闭。

2.3起动电路设计

如下图4所示的是金卤灯起动电路（也叫触发脉冲产生电路）。


图4：触发脉冲产生电路

金卤灯需要用约6000V的窄脉冲来触发起动。这个脉冲电压是由升压变压器T4来产生的。由电阻R25、电容C28及MOSFETQ4构成充放电电路，电容C28通过T4的引脚3及4到地，直流电压从端子X4接入，经过R25加到Q4的漏极上。在Q4的栅极未加驱动脉冲时，VCC通过R25对C28充电，充电电路是R25-C28-T4-地。当来自控制电路的驱动脉冲（5个脉冲/秒）经过接口X7加到Q4的栅极时，Q4导通，此时C28经过Q4-T4放电，放电电流在T4中产生的电压经T4的次级升压后，加到金卤灯引线端2使金卤灯点亮。

2.4控制电路设计

电阻R28同变压器T4的次级绕组相串联，为检测灯的过流电流。所检测出的过电流经接口X8加到控制电路（图5），在控制电路中形成关断起动脉冲和关闭镇流器供电的指令信号。这种过电流有可能是由于电路局部短路或由于金卤灯的不良状态所致。


图5：控制电路

用集成块N2，N2中含有一个振荡器，其频率由电阻R21，电位器RP1及电容C22来设置。通过调整电位器RP1可把频率调到44kHz。N2中还产生驱动脉冲，以驱动MOSFET（Q2及Q3）。对Q3的浮点供电是通过二极管V20，电容C23和一个在N2内部的电流泵电路进行的。Q2和Q3以及扼流圈L3组成为一个普通的半桥电路。在扼流线圈L3的两端，由Q2及Q3交替导通，形成方波电压，隔直电容C26只允许交流电流通过L3.电容C24和电阻R24串联组成吸收网络，以减少开关损耗。而接在直流电压VCC输出端上的电容C25，是为滤除由输入端子X4处接入的起动电路（图4）所产生的高频分量。类似地，电容C20及C21并起来，接到电阻R20上为了滤除由降压电阻R20和集成块N2内部稳压二极管所形成的约12VDC电压中的高频杂波。Q2及Q3驱动电路中的电阻R22和R23是用来消除芯片N2中可能出现的高频振荡。

金卤灯的工作电流是经过扼流电感L3和电容C27提供的。L3和C27一起构成镇流阻抗。灯工作电流频率为44kHz.

3控制电路中典型测试点波形

控制电路中几个典型测试点：TP1、TP2、TP3、TP4的波形示于图6.


图6：为控制电路中典型测试点波形图

-电子元器件采购网（www、oneyac、com）是本土元器件目录分销商，采用“小批量、现货、样品”销售模式，致力于满足客户多型号、高质量、快速交付的采购需求。自建高效智能仓储，拥有自营库存超50,000种，提供一站式正品现货采购、个性化解决方案、选项替代等多元化服务。 （本文来源网络整理，目的是传播有用的信息和知识，如有侵权，可联系管理员删除）