SCR ESD电源钳位
📚 Voldman ESD 补充:本页基于 ESD: Circuits and Devices Ch.13,系统介绍 SCR(Silicon Controlled Rectifier)作为 ESD 电源钳位的设计——单向/双向 SCR、中电平 SCR、低压触发 SCR、LDMOS 电路(LOCOS/STI/隔离 STI)、DeMOS/DeNMOS/DeNMOS-SCR、UHV-LDMOS/UHV-LDMOS-SCR。
前后关系
前置知识:
- ESD电源钳位网络 — 电源钳位基础
- pn结电流电压特性与击穿 — pn 结物理
1. SCR 基础
1.1 SCR 结构
SCR(Silicon Controlled Rectifier)即 pnpn 四层结构:
Anode (P+)
│
N-well (阴极侧)
│
P-sub (阳极侧)
│
Cathode (N+)
- 触发后进入低阻导通态()
- 极高的 ESD 电流密度()
- 面积效率最优的 ESD 保护器件
1.2 SCR 特性
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 5-30V | 触发电压 | |
| 1-2V | 保持电压 | |
| 1-10mA | 保持电流 | |
| 1-10A | 失效电流 | |
| 0.1-1Ω | 导通电阻 |
2. SCR 类型
2.1 单向 SCR
- 仅在一个方向导通
- 适用于 VDD-VSS 电源钳位
- 需要确保 以防止闩锁
2.2 双向 SCR
- 两个方向均可导通
- 适用于 I/O 保护
- 对称的 ESD 电流路径
2.3 中电平 SCR(Medium-Voltage SCR)
- 触发电压在 5-15V 范围
- 适用于中等电压电源域
- 利用多层阱结构实现
2.4 低压触发 SCR(Low-Voltage Triggered SCR)
- 触发电压 < 5V
- 适用于低压工艺
- 需要精确控制触发阈值
3. LDMOS 电路
3.1 LOCOS LDMOS
- 使用 LOCOS 隔离的横向扩散 MOSFET
- 漂移区提供击穿电压
- 适用于高压 ESD 保护
3.2 STI LDMOS
- 使用 STI(浅沟槽隔离)替代 LOCOS
- 改善表面电场分布
- 更高的击穿电压
3.3 隔离 STI LDMOS
- 增加额外的 STI 隔离
- 改善 ESD 电流分布
- 适用于高电压应用
4. DeMOS 系列器件
4.1 DeMOS(Depletion MOSFET)
- 耗尽型 MOSFET 用于 ESD 保护
- 常开型器件
- 适用于特殊 ESD 场景
4.2 DeNMOS(Depletion NMOS)
- 耗尽型 NMOS
- 零栅压时导通
- ESD 事件中自动关断
4.3 DeNMOS-SCR
- DeNMOS 与 SCR 结合
- 利用 DeNMOS 控制 SCR 触发
- 改善触发特性
5. UHV(Ultra-High Voltage)器件
5.1 UHV-LDMOS
- 超高压 LDMOS(> 100V)
- 用于汽车/工业应用
- 特殊的漂移区设计
5.2 UHV-LDMOS-SCR
- UHV-LDMOS 与 SCR 结合
- 高压 SCR 钳位
- 极高的 ESD 电流密度
参考文献
- S. H. Voldman, ESD: Circuits and Devices, 2nd ed., Wiley, 2015, Ch.13.
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