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。

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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

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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（$V_{hold}\sim 1\text{-}2\text{V}$）
• 极高的 ESD 电流密度（$>10\text{kV}/\mu {\text{m}}^2$）
• 面积效率最优的 ESD 保护器件

1.2 SCR 特性

参数	典型值	说明
$V_{trigger}$	5-30V	触发电压
$V_{hold}$	1-2V	保持电压
$I_{hold}$	1-10mA	保持电流
$I_{t2}$	1-10A	失效电流
$R_{on}$	0.1-1Ω	导通电阻

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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 $V_{hold}>V_{DD}$ 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

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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

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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

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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

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参考文献

1. S. H. Voldman, ESD: Circuits and Devices, 2nd ed., Wiley, 2015, Ch.13.

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相关页面

• 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
• CMOS工艺与器件 — CMOS 工艺（SCR 寄生结构）
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