瞬态电压抑制二极管的建模及仿真.docx

第 12卷第 6期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．12，No．62014 年 12 月Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyDec．，2014文章编号： 2095-4980(2014)06-0927-06瞬态电压抑制二极管的建模及仿真黄薇，罗启元，蒋同全，汪洋，金湘亮(湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105)摘 要：基于 0.5 μm CMOS 工艺，设计瞬态电压抑制(TVS)二极管。利用黑箱理论对该器件在 高电压大电流下的反向工作特性建模，在 Matlab 数值模拟工具中利用所建模型仿真，获得了包含 一次击穿、二次击穿(硬失效)点的反向 I–U 特性曲线；基于 Silvaco TCAD 工艺器件仿真平台，经 DC 仿真验证所建模型的准确性。仿真结果表明， 2 种方法获得的特性曲线基本吻合，本文所建数 值模型能够预测 TVS 二极管瞬态电压抑制时的电特性。 关键词： 静电放电；TVS 二极管; 热源模型；计算机辅助设计仿真；二次击穿点 中图分类号： TN312.70文献标识码： Adoi：10.11805/TKYDA201406.0927Modeling and simulation of the transient voltage suppression diodeHUANG Wei，LUO Qi-yuan，JIANG Tong-quan，WANG Yang，JIN Xiang-liang(School of Physics and Optoelectronics， Xiangtan University， Xiangtan Hunan 411105， China)Abstract: Based on 0.5 μm CMOS process， a Transient Voltage Suppressor(TVS) diode is designed. Using the black box theory to build the negative operating character under high voltage and high current of the device， the curve containing the first breakdown point and the second breakdown(hardware failure) point is obtained by Matlab. In order to configure the accuracy of the model, the Silvaco TCAD(Computer Aided Design Technology) device simulation platform is adopted. The curves of two strategies are basically equal. And the model built can predict the electronic characteristic of TVS diode when suppressing transient voltage.Key words：electro-static discharge；TVS diode；heat source model；TCAD simulation；secondarybreakdown pointTVS 是一种二极管形式的高效能过压保护器件，用于电压瞬变和浪涌的防护。TVS 管工作在反向状态，可 吸收高达数千瓦的浪涌功率 ，限制 峰值电压在安全范围内，将破坏性的电流转移到被保护电路外 ，有效保护集成 电路中的精密关键元件[1]。半导体形式的 TVS 因具备 IC 片上优势，成为静电放电器件发展的重要方向。现有基 于半导体材料的 TVS 管主要是分立器件 ，一般外加在芯片的引脚上，来 保护芯片。目 前，只有极少的芯片将 TVS 管直接集成于芯片中，对瞬态电压进行抑制。这种集成方法可减小外接 TVS 管带来的导线电感，同时降低芯片 应用成本[2]。但仍面临若干问题： a) 若选定了晶圆代工，片上 TVS 二极管只能使用特定工艺流程，不可自行更 改工艺来调整 TVS 二极管的电特性； b) 晶圆代工提供的二极管模型可能对 TVS 管并不适用。目前，有采用宏 模型对静电释放(Electro Static discharge， ESD)器件进行建模[3]，系统级建模也有针对 ESD 应力的模拟[4]。本文基于 0.5 μm CMOS 工艺，选择衬底氧化刻蚀、Si3N4 光刻掩膜和