BiCMOS ESD电路设计

📚 Voldman ESD 补充：本页基于 ESD: Circuits and Devices Ch.10，系统介绍 BiCMOS 工艺中的 ESD 电路设计——双极 ESD 输入电路、二极管配置双极输入、电压触发双极输入（电阻接地基极/齐纳击穿/BV_CEO 触发/超低正向偏置触发）、双极缩放、BiCMOS 混合信号设计。

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前后关系

前置知识：

• BiCMOS技术HBT与互连 — BiCMOS 工艺基础
• ESD二极管设计 — 二极管 ESD 设计
• MOSFET ESD设计 — MOSFET ESD 设计

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1. 双极 ESD 输入电路

1.1 基本结构

利用双极晶体管作为 ESD 输入保护：

• 发射极-基极结作为钳位二极管
• 双极晶体管的高 $g_m$ 实现快速响应
• 适用于 BiCMOS 工艺

1.2 二极管配置双极输入

• 将双极晶体管的基极-集电极短接
• 作为二极管使用
• 利用双极工艺的高质量结

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2. 电压触发双极输入

2.1 电阻接地基极

• 基极通过电阻接地
• ESD 事件时基极电压上升 → 触发 BJT
• 电阻值控制触发灵敏度

2.2 齐纳击穿触发

• 基极-发射极之间添加齐纳二极管
• ESD 电压超过齐纳电压时触发
• 精确控制触发电压

2.3 BV_CEO 触发

• 利用 BJT 的 $B{V}_{CEO}$ 击穿
• 基极开路时集电极-发射极击穿
• 触发后 BJT 导通分流 ESD 电流

2.4 超低正向偏置触发

• 利用超低正向偏置电压触发
• 适用于低压 BiCMOS 工艺
• 减小钳位电压

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3. 双极 ESD 输入器件缩放

3.1 缩放挑战

• 双极器件缩放与 CMOS 不同步
• SiGe HBT 的 $f_T$ 提升但击穿电压降低
• 需要重新设计 ESD 保护方案

3.2 SiGe HBT 优势

• 高 $f_T$ → 快速 ESD 响应
• 可调 Ge 含量 → 优化击穿电压
• 与 CMOS 工艺兼容

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4. BiCMOS 混合信号设计

4.1 域间 ESD

• BiCMOS 芯片中双极域和 CMOS 域之间的 ESD 隔离
• 不同电源电压域的保护
• 电平移位器的 ESD 鲁棒性

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参考文献

1. S. H. Voldman, ESD: Circuits and Devices, 2nd ed., Wiley, 2015, Ch.10.

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• ESD二极管设计 — 二极管 ESD 设计
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