深入了解ESD：靜電放電及其防護(hù)方法

在電子元器件和集成電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，靜電放電（ESD: Electrostatic Discharge）是造成過(guò)度電應(yīng)力破壞的主要元兇。靜電放電通常伴隨著瞬間高壓（超過(guò)幾千伏），其損傷是毀滅性和長(zhǎng)久性的，可能導(dǎo)致電路直接燒毀。因此，預(yù)防靜電損傷是所有IC設(shè)計(jì)和制造的頭號(hào)難題。

何為靜電放電（ESD）？

靜電放電是處于不同電位的兩個(gè)物體之間，由于直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)導(dǎo)致的電荷傳輸過(guò)程。靜電通常是人為產(chǎn)生的，如生產(chǎn)、組裝、測(cè)試、存放和搬運(yùn)過(guò)程中。靜電會(huì)累積在人體、儀器、設(shè)備甚至元器件本身，當(dāng)這些帶電的物體接觸時(shí)，會(huì)形成放電路徑，瞬間損壞電子元件或系統(tǒng)。這就是為什么修電腦時(shí)需要配戴靜電環(huán)，以防止人體靜電損傷芯片。

如何防止靜電放電損傷？

首先，改變環(huán)境從源頭減少靜電是關(guān)鍵，比如減少摩擦、少穿羊毛類毛衣、控制空氣溫濕度等。然而，這并非我們現(xiàn)今討論的重點(diǎn)。我們關(guān)注的是如何在電路中設(shè)計(jì)保護(hù)電路，使電子元器件或系統(tǒng)能夠自我保護(hù)，避免被靜電損壞。

設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電路

ESD保護(hù)電路類似于“避雷針”，旨在保護(hù)電子元器件免受靜電損壞。很多IC設(shè)計(jì)和制造公司設(shè)有專門的ESD設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。我們利用PN結(jié)、二極管、三極管、MOS管等元器件的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)靜電保護(hù)。

PN結(jié)與二極管的應(yīng)用

二極管具有正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦浴．?dāng)反偏電壓繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)發(fā)生雪崩擊穿（低濃度）或齊納擊穿（高濃度），這就是我們所需要的靜電保護(hù)理論基礎(chǔ)。通過(guò)這種特性，旁路二極管在正常工作時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)外界有靜電時(shí)，旁路二極管發(fā)生雪崩擊穿，形成旁路通路，保護(hù)內(nèi)部電路或柵極。

ESD保護(hù)電路的恢復(fù)性

擊穿后的保護(hù)電路并不是一次性的。PN結(jié)的電擊穿主要是雪崩擊穿和齊納擊穿，這種擊穿是通過(guò)載流子碰撞電離產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)（electron-hole），因此是可恢復(fù)的。然而，熱擊穿是不可恢復(fù)的，因?yàn)闊崃烤奂鶎?dǎo)致硅（Si）熔融燒毀。因此，我們需要在保護(hù)二極管上串聯(lián)一個(gè)高電阻，以控制導(dǎo)通瞬間的電流。

ESD防護(hù)的其他注意點(diǎn)

ESD區(qū)域的Silicide處理：ESD區(qū)域不能形成Silicide，因?yàn)橥饨绲撵o電需要一時(shí)間泄放，否則會(huì)有延遲。
保護(hù)電路的布局：ESD保護(hù)通常放在芯片輸入端的Pad旁邊，而不是芯片內(nèi)部，以確保快速泄放靜電。有時(shí)會(huì)采用兩級(jí)ESD保護(hù)，提供雙重保護(hù)。

總結(jié)

ESD的防護(hù)對(duì)于電子設(shè)備的安全和可靠性至關(guān)重要。通過(guò)合理設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電路，可以有效避免靜電放電對(duì)電子元器件的損害。希望本文能為您提供有價(jià)值的參考，讓我們?cè)贗C設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中更加重視ESD防護(hù)。

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