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一文读懂ESD，都是干货

一直想给大家讲讲ESD的理论，很经典。但是由于理论性太强，

如果前面那些器件理论以及理论不懂的话，这个大家也不要浪费时间

看了。任何理论都是一环套一环的，如果你不会画鸡蛋，注定了你就

不会画大卫。

静电放电(ESD:ElectrostaticDischarge)，应该是造成所有电子

元器件或集成电路系统造成过度电应力(EOS:ElectricalOverStress)

破坏的主要元凶。因为静电通常瞬间电压非常高(几千伏)，所以这种

损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。所以预防静电损伤

是所有IC设计和制造的头号难题。

静电，通常都是人为产生的，如生产、组装、测试、存放、搬运

等过程中都有可能使得静电累积在人体、仪器或设备中，甚至元器件

本身也会累积静电，当人们在不知情的情况下使这些带电的物体接触

就会形成放电路径，瞬间使得电子元件或系统遭到静电放电的损坏(这

就是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在工作桌上，防止人体

的静电损伤芯片)，如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产生剧烈的闪

电，会把大地劈开一样，而且通常都是在雨天来临之际，因为空气湿

度大易形成导电通到。

那么，如何防止静电放电损伤呢？首先当然改变坏境从源头减少

静电(比如减少摩擦、少穿羊毛类毛衣、控制空气温湿度等)，当然这不

是我们今天讨论的重点。我们今天要讨论的时候如何在电路里面涉及

保护电路，当外界有静电的时候我们的电子元器件或系统能够自我保

护避免被静电损坏(其实就是安装一个避雷针)。这也是很多IC设计和

制造业者的头号难题，很多公司有专门设计ESD的团队，今天我就和

大家从最基本的理论讲起逐步讲解ESD保护的原理及注意点，你会发

现前面讲的PN结/二极管、三极管、MOS管、全都用上了……

以前的专题讲解PN结二极管理论的时候，就讲过二极管有一个

特性：正向导通反向截止(不记得就去翻前面的课程)，而且反偏电压继

续增加会发生雪崩击穿(AvalancheBreakdown)而导通，我们称之为

钳位二极管(Clamp)。这正是我们设计静电保护所需要的理论基础，我

们就是利用这个反向截止特性让这个旁路在正常工作时处于断开状态，

而外界有静电的时候这个旁路二极管发生雪崩击穿而形成旁路通路保

护了内部电路或者栅极(是不是类似家里水槽有个溢水口，防止水龙头

忘关了导致整个卫生间水灾)。那么问题来了，这个击穿了这个保护电

路是不是就彻底死了？难道是一次性的？答案当然不是。PN结的击穿

分两种，分别是电击穿和热击穿，电击穿指的是雪崩击穿(低浓度)和齐

纳击穿(高浓度)，而这个电击穿主要是载流子碰撞电离产生新的电子-

空穴对(electron-hole)，所以它是可恢复的。但是热击穿是不可恢复

的，因为热量聚集导致硅(Si)被熔融烧毁了。所以我们需要控制在导通

的瞬间控制电流，一般会在保护二极管再串联一个高电阻，另外，大

家是不是可以举一反三理解为什么ESD的区域是不能formSilicide

的？还有给大家一个理论，ESD通常都是在芯片输入端的Pad旁边，

不能在芯片里面，因为我们总是希望外界的静电需要第一时间泄放掉

吧，放在里面会有延迟的(关注我前面解剖的那个芯片PAD旁边都有

二极管。甚至有放两级ESD的，达到双重保护的目的。

在讲ESD的原理和Process之前，我们先讲下ESD的标准以及

测试方法，根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同通常分为

四种测试方式：人体放电模式(HBM:Human-BodyModel)、机器放

电模式(