TI新一代ESD保护器件的特点及应用实例分析
作者：roger liang ，德州仪器 （ti） 大容量线性部门
引言
由于其不断减少的处理节点，数字和模拟ic越来越容易受到静电放电 （esd） 的损坏，因此为了保证充分的系统级esd保护，离散式esd保护二极管成为一种必需组件。过去，我们把vcc连接添加至二极管，目的是降低其结电容。随着新型二极管技术的出现，现在却不再需要。本文将向您介绍过去为什么需要vcc连接，并解释现在却不使用它的一些原因。
esd是两个不同电势的物体接触时出现的静电释放现象。例如，在天气干燥的冬天，在把印刷电路板（pcb） 封装到填充有泡沫的箱子里时，最高可产生20 kv 的esd 。为了确保电子终端设备不受日常esd 现象的损害，通常要求使用离散式二极管，其拥有比标准2kv人体模型 （hbm） 更稳健的esd额定值。离散二极管的esd额定值直接与二极管的p-n结点面积成比例关系；但是，结点越大，寄生电容就越大。为了不影响二极管的esd额定值，添加一个vcc连接是一种ic设计方法，它可以有效降低二极管的寄生电容，但有可能会损坏连接至vcc的所有其他器件。然而，工艺技术的最新进展，让二极管设计人员不再需要vcc连接，并同时能够保证低电容和高esd额定值。
二极管特性
二极管是最为基本的半导体器件。它由一个p型和一个n型结点组成，具有两个端头：一个p型端的阳极和一个n型端的阴极（请参见图1）。当从阴极向阴极（反向偏置）施加一个足够大的电压时，二极管进入其击穿区域。理论上讲，电阻为零时，它可以传导无限数量的电流。使用另一个方向（正向偏置）施加电压，会使二极管进入其正向导电区域。图2显示了一个基本二极管的iv曲线，它的阴极接地，电压穿过阴极。尽管针对不同应用有许多不同类型的二极连接管，但这里要讨论的是esd保护应用的超快速响应二极管。这些二极管可以非常快速地对高esd电压做出响应，并通过分流esd电流至接地，在几纳秒时间内便可把数千伏电压降低至仅仅数十伏。
影响二极管寄生电容的因素有两个：结电容（由于过渡层内的电荷变化）和扩散电容（由于中性区域内的过剩载流子）。在反向偏置区域由结电容主导，其为esd二极管的正常应用区。二极管的结电容描述如下：
其中：
a为结面积。εsi为硅的介电常数。q为一个库仑电荷。na为受主掺杂浓度。nd为施主掺杂浓度。φ0为结点的内建电压。va为在结点上施加的偏置电压。
在应用级，va越高，结电容越低（请参见图3）。这是因为，以前的二极管技术要求一个vcc偏置来稳压va，-从而降低寄生电容。使用vcc连接还让系统工程师可以在vcc节点添加一个大电容（请参见图4），它起到一个电荷库的作用，目的是吸收一些过多的esd能量，从而逐渐增加esd保护。
把高速二极管用于esd保护
为了设计出一种高esd额定值、低电容的二极管结构，通常使用三二级管方法（参见图5和6），原因有三个：
1、相比在反向击穿区域，二极管在正向导电区域可以承受更强的电流。
2、隐藏式 （hiding） 二极管1和齐纳二极管可抵制正esd电击。
3、隐藏式二极管2可抵制负esd电击。
两个更小的“隐藏式”二极管与一个更大的齐纳二极管串联。由于其串行结构，隐藏式二极管的电容更小，可有效隐藏齐纳二极管的大电容。在正esd电击期间，隐藏式二极管1进入其正向导电区域。齐纳二极管进入其反向击穿区域，从而形成一条通路，让esd 电流被分流至接地，而不会进入受保护器件内部。大齐纳二极管的大尺寸，让其能够在击穿区域承受大电流。在负esd电击期间，隐藏式二极管2进入其正向导电区域，把esd 能量直接引导至接地。在上面任何一种电击事件中，隐藏式二极管都可处理大量的esd 电流，因为它们绝对不会击穿，只会进入正向导电区域。
不使用vcc连接的好处
过去几年，二极管制造技术取得了巨大的进步，实现了更低的结电容，并且没有牺牲高esd额定值。这些进步包括：
。 从横向二极管结构变为纵向二极管结构
。 更高的单位面积esd性能
。 na和nd掺杂更少，却可以达到相同的正向击穿电压
这些进步意味着，在降低结电容来支持高速接口时-不再需要使用vcc连接。不使用vcc连接，给系统工程师带来如下三方面的好处：
1、没有泄露电流进入内部电源
如果一个高压输入信号通过低vcc电平连接esd二极管-i/o，则信号电流可能会通过隐藏式二极管1泄露进入到vcc以及该节点上连接的其他器件内（图7）。这可能会损坏连接它的电源或者器件。如果vcc没有连接esd二极管，则无需有这方面的担心。
2、不会对内部电源造成esd损坏
在正esd电击期间，vcc 沿着esd电流的放电路径，并且它的电压水平为i/o 处箝位电压以下一个vf（~0.5到0.7 v）。尽管由于分流电容的使用，在面对esd时电源已经非常稳健，但这种升高的电压水平非常可能会损坏由vcc 驱动的器件（图8）。情况一样，如果vcc不连接至esd二极管，则无需担心。
3、无需外部电容
德州仪器公司（ti）的esd二极管工艺开发重点加强整体p-n结构，以便让其能够承受更大的esd 电压。由于ti的新一代esd 保护二极管拥有高达30 kv的额定值，因此使用一个附加电容仅可提高少许总esd额定值。使用一个便会达到“收益递减”点。不使用电容，可减少材料数目清单，节省成本，并为其他重要器件留出更多的pcb空间。
ti新一代esd保护器件例子
ti的tpd2e2u06 esd保护器件便是二极管技术进步的一个重要例子。与它的前辈不同，tpd2e001 不要求vcc 连接，但保持相同的电容，电压更低，并且esd额定值增加了两倍。（参见表1）其他ti的类似esd保护器件还包括tpd4e1u06、tpd4e1u06和tpd4e05u06。
表1 tpd2e001 和tpd2e2u06规范对比表
结论
不要求vcc 连接的esd 保护二极管带来了许多好处。vcc引脚不需要电容来增加esd额定值。它减少了组件-数目，简化了布局，并且降低了布局成本。不使用vcc 连接，还保证了没有漏电流进入到电源中，同时不会对本应通过vcc连接至电源的内部节点造成esd损坏。
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引言
由于其不断减少的处理节点，数字和模拟ic越来越容易受到静电放电 （esd） 的损坏，因此为了保证充分的系统级esd保护，离散式esd保护二极管成为一种必需组件。过去，我们把vcc连接添加至二极管，目的是降低其结电容。随着新型二极管技术的出现，现在却不再需要。本文将向您介绍过去为什么需要vcc连接，并解释现在却不使用它的一些原因。
esd是两个不同电势的物体接触时出现的静电释放现象。例如，在天气干燥的冬天，在把印刷电路板（pcb） 封装到填充有泡沫的箱子里时，最高可产生20 kv 的esd 。为了确保电子终端设备不受日常esd 现象的损害，通常要求使用离散式二极管，其拥有比标准2kv人体模型 （hbm） 更稳健的esd额定值。离散二极管的esd额定值直接与二极管的p-n结点面积成比例关系；但是，结点越大，寄生电容就越大。为了不影响二极管的esd额定值，添加一个vcc连接是一种ic设计方法，它可以有效降低二极管的寄生电容，但有可能会损坏连接至vcc的所有其他器件。然而，工艺技术的最新进展，让二极管设计人员不再需要vcc连接，并同时能够保证低电容和高esd额定值。
二极管特性
二极管是最为基本的半导体器件。它由一个p型和一个n型结点组成，具有两个端头：一个p型端的阳极和一个n型端的阴极（请参见图1）。当从阴极向阴极（反向偏置）施加一个足够大的电压时，二极管进入其击穿区域。理论上讲，电阻为零时，它可以传导无限数量的电流。使用另一个方向（正向偏置）施加电压，会使二极管进入其正向导电区域。图2显示了一个基本二极管的iv曲线，它的阴极接地，电压穿过阴极。尽管针对不同应用有许多不同类型的二极连接管，但这里要讨论的是esd保护应用的超快速响应二极管。这些二极管可以非常快速地对高esd电压做出响应，并通过分流esd电流至接地，在几纳秒时间内便可把数千伏电压降低至仅仅数十伏。
影响二极管寄生电容的因素有两个：结电容（由于过渡层内的电荷变化）和扩散电容（由于中性区域内的过剩载流子）。在反向偏置区域由结电容主导，其为esd二极管的正常应用区。二极管的结电容描述如下：
其中：
a为结面积。εsi为硅的介电常数。q为一个库仑电荷。na为受主掺杂浓度。nd为施主掺杂浓度。φ0为结点的内建电压。va为在结点上施加的偏置电压。
在应用级，va越高，结电容越低（请参见图3）。这是因为，以前的二极管技术要求一个vcc偏置来稳压va，-从而降低寄生电容。使用vcc连接还让系统工程师可以在vcc节点添加一个大电容（请参见图4），它起到一个电荷库的作用，目的是吸收一些过多的esd能量，从而逐渐增加esd保护。
把高速二极管用于esd保护
为了设计出一种高esd额定值、低电容的二极管结构，通常使用三二级管方法（参见图5和6），原因有三个：
1、相比在反向击穿区域，二极管在正向导电区域可以承受更强的电流。
2、隐藏式 （hiding） 二极管1和齐纳二极管可抵制正esd电击。
3、隐藏式二极管2可抵制负esd电击。
两个更小的“隐藏式”二极管与一个更大的齐纳二极管串联。由于其串行结构，隐藏式二极管的电容更小，可有效隐藏齐纳二极管的大电容。在正esd电击期间，隐藏式二极管1进入其正向导电区域。齐纳二极管进入其反向击穿区域，从而形成一条通路，让esd 电流被分流至接地，而不会进入受保护器件内部。大齐纳二极管的大尺寸，让其能够在击穿区域承受大电流。在负esd电击期间，隐藏式二极管2进入其正向导电区域，把esd 能量直接引导至接地。在上面任何一种电击事件中，隐藏式二极管都可处理大量的esd 电流，因为它们绝对不会击穿，只会进入正向导电区域。
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1、没有泄露电流进入内部电源
如果一个高压输入信号通过低vcc电平连接esd二极管-i/o，则信号电流可能会通过隐藏式二极管1泄露进入到vcc以及该节点上连接的其他器件内（图7）。这可能会损坏连接它的电源或者器件。如果vcc没有连接esd二极管，则无需有这方面的担心。
2、不会对内部电源造成esd损坏
在正esd电击期间，vcc 沿着esd电流的放电路径，并且它的电压水平为i/o 处箝位电压以下一个vf（~0.5到0.7 v）。尽管由于分流电容的使用，在面对esd时电源已经非常稳健，但这种升高的电压水平非常可能会损坏由vcc 驱动的器件（图8）。情况一样，如果vcc不连接至esd二极管，则无需担心。
3、无需外部电容
德州仪器公司（ti）的esd二极管工艺开发重点加强整体p-n结构，以便让其能够承受更大的esd 电压。由于ti的新一代esd 保护二极管拥有高达30 kv的额定值，因此使用一个附加电容仅可提高少许总esd额定值。使用一个便会达到“收益递减”点。不使用电容，可减少材料数目清单，节省成本，并为其他重要器件留出更多的pcb空间。
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ti的tpd2e2u06 esd保护器件便是二极管技术进步的一个重要例子。与它的前辈不同，tpd2e001 不要求vcc 连接，但保持相同的电容，电压更低，并且esd额定值增加了两倍。（参见表1）其他ti的类似esd保护器件还包括tpd4e1u06、tpd4e1u06和tpd4e05u06。
表1 tpd2e001 和tpd2e2u06规范对比表
结论
不要求vcc 连接的esd 保护二极管带来了许多好处。vcc引脚不需要电容来增加esd额定值。它减少了组件-数目，简化了布局，并且降低了布局成本。不使用vcc 连接，还保证了没有漏电流进入到电源中，同时不会对本应通过vcc连接至电源的内部节点造成esd损坏。
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