ESD Circuits and Devices 深度解析

ESD: Circuits and Devices, Second Edition(Wiley, 2015)由 Steven H. Voldman(IEEE Fellow)著。本书是 ESD(静电放电)领域的首部系统性工程专著,覆盖从 ESD 基础物理到芯片级保护电路设计的完整知识链。全书 13 章,500+ 页,系统阐述 ESD 模型、测试标准、芯片设计综合、各类保护器件(MOSFET/二极管/电阻/SCR/BiCMOS)的电路级设计方法,以及 SOI 等特殊工艺的 ESD 设计。


书籍定位

属性内容
全称ESD: Circuits and Devices, Second Edition
作者Steven H. Voldman(IEEE Fellow,ESD 领域首位 IEEE Fellow)
出版John Wiley & Sons, 2015
页数~540 页,13 章
定位ESD 领域 首部系统性电路设计专著,面向 IC 设计师与 ESD 工程师
风格电路-版图-系统三位一体,强调设计实践与工程方法论
先行知识CMOS 工艺基础、MOSFET/二极管器件物理、IC 设计基础

与现有知识库的定位对比

维度ESD Circuits and Devices(本书)EMC of ICs(Ben Dhia)Class-D EMI(Buono)
核心视角芯片级 ESD 保护电路设计IC 级 EMC 发射/抗扰度系统级 EMI 抑制
覆盖范围13 章:ESD 物理→模型→器件→电路→系统7 章:概念→测量→建模→设计23 章:Class-D 完整设计链
独有内容17 条设计原则、TLP 参数提取、二极管/MOSFET/SCR ESD 设计、SOI/BiCMOS ESDICEM/IBIS 模型、IEC 标准扩频/snubber/PCB 布局
ESD 深度最深(整书专论)简略(Ch.5 部分)简述(§15.10)

全书结构

Part I: ESD 基础(Ch.1)

Chapter 1: ESD 基础概念与设计原则

  • 1.1-1.3 电静力学历史与 ESD 现象:从 Thales 到现代 ESD 科学
  • 1.4-1.5 ESD 模型:HBM(100pF/1500Ω)、MM(200pF/0Ω)、CDM、TLP、VF-TLP 完整参数与波形
  • 1.5 系统级 ESD 模型:IEC 61000-4-2、HMM、IEC 61000-4-5、CBM、CDE
  • 1.6 时间常数体系:电荷弛豫、磁扩散、热扩散、半导体器件时间常数
  • 1.7-1.9 ESD 缺陷机制:CMOS/SOI/Bipolar/GaAs/Passive/Circuit 六张缺陷机制表
  • 1.10 分布式系统分析:集总 vs 分布式判据、RLC/RC/RG 梯形网络
  • 1.11-1.14 度量指标与策略:芯片级 ESD 度量、12 步策略构建法、ESD 欧姆定律
  • 1.15 核心设计原则:17 条 ESD 设计核心原则
  • → 概念页:ESD基础概念与设计原则、ESD测试模型与系统级模型、ESD时间常数体系、ESD分布式系统分析、ESD度量指标与设计策略

Part II: ESD 芯片设计综合(Ch.2)

Chapter 2: ESD 芯片设计综合与架构

  • 电气/热/空间连接性分析
  • ESD 输入保护网络与电源钳位网络放置规则
  • ESD 轨到轨网络、保护环设计、焊盘下结构
  • 混合信号架构(数字/模拟/RF)域间 ESD 网络
  • → 概念页:ESD芯片设计综合与架构

Part III: ESD 器件设计(Ch.3-6)

Chapter 3: MOSFET ESD 设计

  • 沟道长度/宽度设计、ACLV/CMLV 线宽控制
  • 接触间距(栅-接触/接触-接触/端接触/隔离边)
  • 金属布线(并行/反并行电流分布)、硅化物遮蔽
  • 多指 MOSFET 集成(电阻镇流/栅耦合多米诺/源极启动栅自举)
  • → 概念页:MOSFET ESD设计

Chapter 4: ESD 二极管设计

  • 阳极设计(P+ 扩散宽度/接触/硅化物/间距)
  • 互连布线(并行/反并行/锥形/垂直/中心馈电/T 形扩展)
  • 多晶硅束缚二极管、N-well 二极管、二极管串设计
  • 三阱 ESD 二极管
  • → 概念页:ESD二极管设计

Chapter 5: ESD 无源电阻设计

  • N-well 电阻(ESD 问题/MOSFET 集成/镇流/速度饱和)
  • N/P 扩散电阻、埋层电阻 BR
  • → 概念页:ESD无源电阻设计

Chapter 6: 模拟/RF 无源元件 ESD 设计

  • 局部/全局匹配、对称/热对称
  • 公共质心设计(一轴/两轴)、交叉指插设计
  • 电阻/电容/电感 ESD 设计
  • → 概念页:模拟RF无源元件ESD设计

Part IV: I/O 电路 ESD 设计(Ch.7-8)

Chapter 7: 离片驱动器(OCD)与 ESD

  • I/O 标准(TTL/LVTTL/GTL/HSTL/SSTL)
  • CMOS 非对称/对称驱动器、MVI 驱动器
  • 自偏置阱 OCD、可编程阻抗 OCD、栅调制 OCD
  • 衬底调制电阻镇流 MOSFET
  • → 概念页:离片驱动器OCD与ESD

Chapter 8: 接收器电路 ESD 设计

  • 延迟时间与负载效应、HBM/CDM 接收器方案
  • 接收器演进(半通 TG/全通 TG/keeper/修改 keeper)
  • 伪零 VT TG、ZVT TG、漏晶体管接收器
  • Schmitt 触发反馈、双极/差分接收器
  • → 概念页:接收器电路ESD设计

Part V: 特殊工艺 ESD 设计(Ch.9-10)

Chapter 9: SOI ESD 设计

  • BOX 膜影响、T 形版图体接触 MOSFET
  • SOI 横向二极管(多种结构)、SOI BR 元素
  • 动态阈值 SOI MOSFET、SOI 双栅 MOSFET
  • Bulk→SOI ESD 重映射、SOI FinFET
  • → 概念页:SOI ESD设计

Chapter 10: BiCMOS 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
  • → 概念页:BiCMOS ESD电路设计

Part VI: ESD 电源钳位网络(Ch.11-13)

Chapter 11: CMOS ESD 电源钳位网络

  • RC 触发/栅耦合/正向偏置触发/IEC 响应
  • Master/Slave 系统、串联堆叠 RC 触发钳位
  • 三阱串联二极管钳位、频率设计窗口
  • → 概念页:ESD电源钳位网络

Chapter 12: 双极 ESD 电源钳位

  • 齐纳触发/BV_CEO 触发/正向偏置/混合电压/电容触发
  • Johnson Limit 关系、SiGe HBT 钳位
  • → 概念页:ESD电源钳位网络

Chapter 13: SCR ESD 电源钳位

  • 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
  • → 概念页:SCR ESD电源钳位

核心主题索引

主题章节概念页
ESD 模型与测试Ch.1.4-1.5ESD测试模型与系统级模型
17 条设计原则Ch.1.15ESD基础概念与设计原则
时间常数体系Ch.1.6ESD时间常数体系
分布式分析Ch.1.10ESD分布式系统分析
芯片设计综合Ch.2ESD芯片设计综合与架构
MOSFET ESDCh.3MOSFET ESD设计
二极管 ESDCh.4ESD二极管设计
无源电阻 ESDCh.5ESD无源电阻设计
模拟/RF 无源 ESDCh.6模拟RF无源元件ESD设计
OCD 驱动器Ch.7离片驱动器OCD与ESD
接收器Ch.8接收器电路ESD设计
SOI ESDCh.9SOI ESD设计
BiCMOS ESDCh.10BiCMOS ESD电路设计
电源钳位(CMOS+双极)Ch.11-12ESD电源钳位网络
SCR 电源钳位Ch.13SCR ESD电源钳位

关键引用

“ESD is the number one quality and reliability issue in the semiconductor industry.” — Voldman

“The ESD engineer is a generalist — they must understand circuits, devices, processes, and systems.”


相关页面