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SCR - ESD 保护杀手锏

已有 123 次阅读| 2025-7-31 10:21 |系统分类:芯片设计| Latch-up, ESD, ESD保护, ESD设计, 可靠性

在集成电路的设计与应用过程中,静电放电(ESD)就像潜藏的 “电路隐患”,一直威胁着芯片的可靠性和稳定性。ESD瞬间产生的超高电压和超大电流,能轻松击穿芯片内部的敏感电路结构,造成器件功能失灵,甚至引发永久性损坏。为抵御这一威胁,业界已研发出多种 ESD 保护器件与电路,它们如同芯片的 “安全屏障”,在静电放电发生时快速响应,将危险能量疏导释放,从而守护芯片的正常工作。为决解这一难题,多种多样的适用不同场景的ESD保护器件与电路被研发出来,而可控硅整流器(SCR)凭借独特的设计特点,在ESD保护领域展现出卓越的性能,成为了极具潜力的 “杀手锏” 级保护方案。

SCR本质上是由四层(PNPN)半导体材料构成的器件,标准的SCR器件设有阳极(Anode)与阴极(Cathode)。在一些特定的ESD防护场景中,其触发方式更为灵活,能摆脱传统控制极触发的局限。正是这种特殊的PNPN四层结构,让它拥有了区别于其他器件的电学性能。

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1:(a)传统SCR截面图,(b)等效电路图

电压触发和电流触发SCR常见的触发方式。电压触发通常利用ESD事件产生的瞬态高电压,当该电压超过SCR的触发阈值时,内部的寄生晶体管被激活,进而引发正反馈,使SCR迅速导通。例如,通过在SCR的阳极和阴极之间连接一个低触发电压的器件(如接地栅极NMOS,GGNMOS),可以降低SCR的整体触发电压,使其在ESD事件发生时能够更快地响应。电流触发则是利用ESD电流在SCR内部产生的电压降,当该电压降足以激活寄生晶体管时,SCR导通。SCR 的触发电压(Trigger Voltage)较高,因需两阱间形成雪崩击穿,而缓变结的雪崩击穿电压通常偏高;其维持电压(Holding Voltage)则较低,由于寄生NPN和PNP开启后相互耦合,仅需低电压即可维持ESD电流泄放。

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(图2SCR的TLP曲线  

SCR内部有着正反馈机制,使得其触发后迅速进入低阻态,为ESD电流提供高效泄放路径。相比二极管、MOS管等传统ESD保护器件,SCR不仅ESD失效电流极高,且在同等芯片面积下,防护效果可达数倍。SCR结构还有低动态导通电阻的特点,一旦SCR被触发导通,其动态导通电阻极低。这意味着在ESD事件期间,SCR能够以较小的电压降将ESD电流高效地泄放到地这样一来,被保护电路节点处的电压突增问题能得到有效缓解,避免内部敏感电路因静电放电受损。当静电放电现象出现时,SCR可以把被保护节点的电压稳定限制在一个较低的水平。这一特质在静电放电设计裕量较窄的技术场景中,作用尤为突出。

当然SCR用于ESD保护也有部分缺点主要表现在较高的触发电压以及较低的保持电压传统SCR触发电压较高,在低电压电路中难以在ESD事件初期响应,使被保护电路易受损伤。如1V左右的超低压电路,普通SCR触发电压远超其工作电压,无法有效防护ESD。

此外,SCR结构存在闩锁效应的风险,设计中必须避免。这种效应源于其PNPN四层结构,可等效为PNP与NPN晶体管组成的交叉耦合正反馈环路。正常截止时,两个晶体管均不导通;ESD触发导通后,理论上电流降至维持电流以下应恢复截止,但实际芯片环境更复杂。外部干扰是引发闩锁效应的关键因素,如电磁干扰产生的瞬态电压脉冲、电源波动等,都可能使SCR两端电压达到触发阈值。意外导通后,因保持电压低,只要芯片工作电流超过维持电流,正反馈环路就会持续运行,使SCR进入闩锁状态。此时,SCR形成低阻抗通路,导致芯片功耗剧增、发热严重,影响性能甚至烧毁芯片。为此,可通过增加保护环优化SCR结构,采用与衬底相反类型掺杂材料的保护环环绕器件,抑制寄生晶体管电流增益,打破正反馈条件,提升抗闩锁能力。

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(图3闩锁效应产生分析图

对于强回扫型即维持电压较低的SCR器件来说,也需要考虑Latch-up的风,如图3所示:两种SCR器件仅维持电压不同,其他特性一致,器件1维持点在风险区外,ESD事件中与端口负载线仅交于A点,静电放电结束后,器件逆向关断过程中再次经过A点时,已然处于断开状态,不会对被保护芯片的正常运行造成干扰。器件2维持点在风险区内,除交于A点外,强(snapback)后还交于 B、C点;ESD消失后逆向关断时,C点为稳定工作点,使其无法正常关断而进入闩锁状态。故防止闩锁效应,可灵活设计维持点,无需拘泥维持电压高于VDD,也可通过提高维持电流等实现。

  综上所述,可控硅整流器(SCR)凭借PNPN四层结构带来的独特电学特性,在ESD保护领域展现出显著优势,高效的电流泄放能力、优异的钳位效果以及面积利用率上的突出表现,使其成为芯片防护体系中极具竞争力的方案。尽管存在触发电压偏高、易受闩锁效应困扰等问题,但通过结构优化(如增设保护环)和设计改进,这些短板正逐步得到缓解。


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