適合汽車級靜電放電應用的雙向器件

　　為了詳細說明原理圖的結構，在第一個引腳（引腳1）處，n+和p+有效區(qū)域在NPN雙極性Qn1的表面相接觸，且對應于發(fā)射極和基極區(qū)域。p+有效區(qū)域還與H-PW和DPW區(qū)域形成的p型區(qū)域電氣連接。DPW會增加深入器件的摻雜濃度，從而導致表面之外浮動式n型區(qū)域和p型區(qū)域之間產(chǎn)生擊穿電壓。該p型區(qū)域可確定電阻RHPW，并形成PNP雙極性Qp的發(fā)射極區(qū)域。

浮動式n型區(qū)域與NPN雙極性Qn1的集電極區(qū)域和PNP雙極性Qp的基極區(qū)域相對應。在對稱方向，原理圖第二部分（包括虛線以下的Qn2）表示器件另一部分的等效電路（圖1中未顯示）。除了確定保護箝位特性的基本原理圖之外，寄生PNP雙極性Qparasitic的發(fā)射極、基極和集電極分別由p型區(qū)域、浮動式NBL （H-NW） 和P型基板中的p+有效區(qū)域構成。器件采用絕緣硅片工藝制造時，雖然不必考慮Qparasitic問題，但這還是常常會對保護箝位特性造成不良影響，并在大型BCD工藝中產(chǎn)生不必要的基板電流。當器件采用大型工藝制造時，兩個箝位器件引腳的間距很近，這種效應會有所降低，從而形成高擊穿隔離區(qū)域，增加與器件周圍隔離保護環(huán)的間距，進而在有效縱向與橫向PNP寄生雙極性區(qū)域中產(chǎn)生低增益和高開路基極擊穿。

　　三、保護箝位器件特性

　　保護箝位器件根據(jù)電路I/O目標操作時的高壓內(nèi)核器件設計窗口和ESD與EMI應力條件仿真相應進行優(yōu)化。圖3顯示優(yōu)化后雙向保護箝位器件產(chǎn)生的高應力下的電壓與電流瞬態(tài)響應。箝位器件顯示閉鎖電壓相似，但保持電壓存在明顯差異。這種差異源自對n+和p+有效區(qū)域“T”形及孤島陣列結構的修改。

　　當PNP（圖2中的Qp）空穴驅(qū)動動作占主導地位，即可實現(xiàn)針對BHEC箝位器件的高保持電壓，無需改變兩個箝位器件引腳的橫向間距。另一方面，對BEEC箝位器件而言，響應時間更快的電子驅(qū)動NPN（圖2中的Qn1）越來越占主導地位，會產(chǎn)生較低的保持電壓，特別適合±25 V以下工作的應用。對BHEC而言，較大的p+有效區(qū)域“T”形可為增強空穴注入和PNP動作創(chuàng)造條件。類似地，對BEEC箝位器件而言，“T”形n+有效區(qū)域更大，在這種情況下，可以增強電子注入和NPN動作。高魯棒性的雙向器件結構通常具有低保持電壓［3］、［4］，“T”形和孤島結構設計的目的是讓器件保持高傳導性調(diào)制，同時調(diào)整圖2等效原理圖中嵌入式雙極的增益，以實現(xiàn)通態(tài)響應控制。

　　圖3， 140 V極快TLP施加到受測器件時，圖1（a）和圖1（b）結構的電壓與電流波形對比。

　　BHEC箝位器件通態(tài)保持電壓高于BEEC箝位器件，因為它的發(fā)射極注入效率較低、基極瞬態(tài)時間較長、空穴載荷子移動性較低，由此產(chǎn)生的PNP電流增益也較低。這些結構不僅優(yōu)化了器件響應，適合汽車與工業(yè)應用，還可將保護箝位器件的尺寸降至最小，適合不同的目標工作條件。

　　為了優(yōu)化保持電壓特性，上電ESD與EMI應力條件也必須考慮在內(nèi)。參考標準規(guī)格時，短路時8 kV ESD IEC-61000-4-2應力的雙峰值電流波形在第一和第二峰值時分別達到接近30和18.5 A，并且會在500 ns內(nèi)衰減，而80 V時，85 V EMI ISO- 7637-3脈沖在峰值電流時約為11 A，衰減時間要長得多（約40 μs）。

　　圖4，圖1（a）和（b）結構的準靜態(tài)100 ns TLP雙向I–V特性。

　　圖4顯示圖1中兩個器件準靜態(tài)100 ns TLP I–V特性的對比情況。這些應用中需要考慮的高壓內(nèi)核器件擊穿電壓通常在100 V范圍內(nèi)，這一數(shù)值可作為參考。器件在±40 V以下的正常IC工作時會產(chǎn)生較低的漏電流，從而將能耗及其對電路的影響降至最低。BHEC和BEEC箝位器件均可分別實現(xiàn)高于±40 V和±25 V的最佳目標工作條件，同時保持惡劣工作環(huán)境下具有穩(wěn)定的過應力。注意，BEEC箝位器件除了可提供±25 V以上的保持電壓外，還可提供初始高保持電流。這與其使NPN動作更具主導性而產(chǎn)生的應力水平相關。這一特性在箝位器件中很有用，可進一步避免正常工作時的誤觸發(fā)。片內(nèi)評估能夠成功滿足電路設計性能和上電ESD和EMI魯棒性，同時保持較高的FOM比，分別滿足BHEC和BEEC箝位器件在FOM ≈ 0.15 mA/μm2和FOM ≈ 0.39 mA/μm2范圍內(nèi)的高保持電壓工作［6］。