高压器件ESD防护浅析.ppt

LDMOS LDMOS在ESD应力下的电学响应 3、寄生NPN触发 器件雪崩击穿后随着电压进一步增大，雪崩电流急剧增加，如图从BV到A点，当电流达到一定程度，Im在 上形成足够大电势差，当电势差超过0.7V左右时，Pbody/N+结正偏，NPN晶体管开启，大量的电子从N+源端注入到体内并最终被漏极收集。此时器件发生snapback，器件进入电压维持区。使得器件内部寄生三极管开启的电压Vt1就是其触发电压。 4、维持阶段 当体内寄生三极管导通后，源端N+发射大量电子并被漏端高电势扫入耗尽区，在高电场加速下这些电子碰撞晶格，产生大量电子空穴对，这部分空穴电流同样从Pbody流向漏端，从而增大基极电流，用Ihole表示，一方面由于三极管放大作用，源端发射更多电子电流，因而器件内阻减小器件两端压降降低；另一方面，维持三极管开启所需要的Im变小，器件两端的电压变小都可以维持器件处于寄生三极管开启状态。 LDMOS LDMOS在ESD应力下的电学响应 5、LDMOS发生二次击穿 电流随着TLP脉冲不断的增加，器件内部碰撞电离率加剧，电流也越来越大。直到产生的热量到达器件硅的晶格熔点，器件失效，进入二次击穿区。所以，器件内部热量产生最高也最需要研究的阶段是电压维持区。这是优化器件的ESD响应的基础。 LIGBT LIGBT 图4-1 LIGBT在ESD应力下的电学响应I-V曲线 LIGBT LDMOS在ESD应力下的电学响应 1、正向阻断区 点A为出发点，A点之前为阻断区，此时器件处于高阻状态，当TLP应力较低时，功率LIGBT器件的响应电压也很低，完全可以通过反向偏置的PN结泄放，空穴电流和电子电流出来分别被源极和漏极收集。由于电流和电场较低，在正向阻断阶段产生的热量很少，对于器件没有任何的损伤。 LIGBT 高压器件的ESD防护 1.BJT 2.LDMOS 3.LIGBT BJT 图2-1 NPN BJT的（a）剖面结构及（b）输出I-V特性曲线 BJT 1、当ESD正脉冲作用于 BJT的集电极，BJT的基极与发射极相连并接地时，随着ESD脉冲幅度的不断增大并达到集电结的反向击穿电压时，集电结发生雪崩击穿，BJT 被ESD 脉冲触发开启，呈现图 2-1（b）中的触发点（对应 Vt1和It1） BJT在ESD应力下的电学响应 2、进一步增大 ESD 脉冲，集电结内的雪崩倍增效应持续增强，集电结内少子数量不断增加并超过多子，器件内部进入双载流子电导调制状态，Ron急剧减小，BJT 进入负阻区（回滞区），集电极电压下降并被箝制在一个较小的电压，如图 3-2（b）中的维持点（对应 Vh和Ih）。 BJT 3、继续增大 ESD 脉冲，BJT 在完全导通状态下呈低阻态，电压随电流的急剧增大而缓慢增大。由此加大了BJT内部载流子在大电流强电场作用下的运动速度，加剧晶格碰撞，造成晶格温度急剧上升，电流电压不再稳定，并导致BJT内部出现热击穿；电压再次下降，器件因发生二次击穿而损坏，如图3-2（b）中的二次击穿点（对应Vt2和It2） BJT在ESD应力下的电学响应 LDMOS 图3-1 SOI-NLDMOS器件的结构剖面和寄生电路示意地图 SOI-NLDMOS内部有寄生的NPBN管，其中N+为发射极，Pbody为基区，源端P+为基极，HVNwell加Nbuffer为集电区，源极N+为集电极。 代表基区电流在Pbody里面的等效电阻，Rdrift代表集电区在Ndrift里面的等效电阻。 除此之外，SOI-NLDMOS的源极和栅极同时接地，漏极施加正的TLP应力。 LDMOS 图3-2 LDMOS在ESD应力下的电学响应I-V曲线 Vt1 触发电压，Vt2维持电压。 LDMOS LDMOS在ESD应力下的电学响应 1、正向阻断区 点A为出发点，A点之前为阻断区，此时器件处于高阻状态，当TLP应力较低时，功率LDMOS器件的响应电压也很低，完全可以通过反向偏置的PN结泄放，空穴电流和电子电流出来分别被源极和漏极收集。由于电流和电场较低，在正向阻断阶段产生的热量很少，对于器件没有任何的损伤。 2、PN结的雪崩击穿 随着TLP应力的增加，HVNwell/Nbuffer结附近的高电场区域的雪崩倍增产生大量的电子空穴对，这些碰撞电离产生的电子从漂移区流向漏断，被漏极N+区域收集；空穴从Pbody流向漏端，被源极P+区域收集。这些由高电场在耗尽区产生我们用Im表示。