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適合汽車級(jí)靜電放電應(yīng)用的雙向器件

作者: 時(shí)間:2013-09-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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

浮動(dòng)式n型區(qū)域與NPN雙極性Qn1的集電極區(qū)域和PNP雙極性Qp的基極區(qū)域相對(duì)應(yīng)。在對(duì)稱方向,原理圖第二部分(包括虛線以下的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(hù)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(qū)域、浮動(dòng)式NBL (H-NW) 和P型基板中的p+有效區(qū)域構(gòu)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(duì)保護(hù)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(dāng)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(yīng)會(huì)有所降低,從而形成高擊穿隔離區(qū)域,增加與器件周圍隔離保護(hù)環(huán)的間距,進(jìn)而在有效縱向與橫向PNP寄生雙極性區(qū)域中產(chǎn)生低增益和高開(kāi)路基極擊穿。

  三、保護(hù)箝位器件特性

  保護(hù)箝位器件根據(jù)電路I/O目標(biāo)操作時(shí)的高壓內(nèi)核器件設(shè)計(jì)窗口和ESD與EMI應(yīng)力條件仿真相應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。圖3顯示優(yōu)化后雙向保護(hù)箝位器件產(chǎn)生的高應(yīng)力下的電壓與電流瞬態(tài)響應(yīng)。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(duì)n+和p+有效區(qū)域“T”形及孤島陣列結(jié)構(gòu)的修改。

  當(dāng)PNP(圖2中的Qp)空穴驅(qū)動(dòng)動(dòng)作占主導(dǎo)地位,即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)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(duì)BEEC箝位器件而言,響應(yīng)時(shí)間更快的電子驅(qū)動(dòng)NPN(圖2中的Qn1)越來(lái)越占主導(dǎo)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(yīng)用。對(duì)BHEC而言,較大的p+有效區(qū)域“T”形可為增強(qiáng)空穴注入和PNP動(dòng)作創(chuàng)造條件。類似地,對(duì)BEEC箝位器件而言,“T”形n+有效區(qū)域更大,在這種情況下,可以增強(qiáng)電子注入和NPN動(dòng)作。高魯棒性的結(jié)構(gòu)通常具有低保持電壓[3]、[4],“T”形和孤島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是讓器件保持高傳導(dǎo)性調(diào)制,同時(shí)調(diào)整圖2等效原理圖中嵌入式雙極的增益,以實(shí)現(xiàn)通態(tài)響應(yīng)控制。

  適合汽車級(jí)靜電放電應(yīng)用的雙向器件

  圖3, 140 V極快TLP施加到受測(cè)器件時(shí),圖1(a)和圖1(b)結(jié)構(gòu)的電壓與電流波形對(duì)比。

  BHEC箝位器件通態(tài)保持電壓高于BEEC箝位器件,因?yàn)樗陌l(fā)射極注入效率較低、基極瞬態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)、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(jié)構(gòu)不僅優(yōu)化了器件響應(yīng),適合汽車與工業(yè)應(yīng)用,還可將保護(hù)箝位器件的尺寸降至最小,適合不同的目標(biāo)工作條件。

  為了優(yōu)化保持電壓特性,上電ESD與EMI應(yīng)力條件也必須考慮在內(nèi)。參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格時(shí),短路時(shí)8 kV ESD IEC-61000-4-2應(yīng)力的雙峰值電流波形在第一和第二峰值時(shí)分別達(dá)到接近30和18.5 A,并且會(huì)在500 ns內(nèi)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(zhǎng)得多(約40 μs)。

  適合汽車級(jí)靜電放電應(yīng)用的雙向器件

  圖4,圖1(a)和(b)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)100 ns TLP I–V特性的對(duì)比情況。這些應(yīng)用中需要考慮的高壓內(nèi)核器件擊穿電壓通常在100 V范圍內(nèi),這一數(shù)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(duì)電路的影響降至最低。BHEC和BEEC箝位器件均可分別實(shí)現(xiàn)高于±40 V和±25 V的最佳目標(biāo)工作條件,同時(shí)保持惡劣工作環(huán)境下具有穩(wěn)定的過(guò)應(yīng)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(dǎo)性而產(chǎn)生的應(yīng)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(nèi)評(píng)估能夠成功滿足電路設(shè)計(jì)性能和上電ESD和EMI魯棒性,同時(shí)保持較高的FOM比,分別滿足BHEC和BEEC箝位器件在FOM ≈ 0.15 mA/μm2和FOM ≈ 0.39 mA/μm2范圍內(nèi)的高保持電壓工作[6]。



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