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勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

经典，一文讲透ESD原理和设计

一直想给大家讲讲ESD的理论，很经典。但是由于理论性太强，

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。

先来谈静电放电(ESD:ElectrostaticDischarge)是什么？这应该

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

勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

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、snap-back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，而且反偏电压继续增加会发生雪崩击穿而导

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