芯耀
与非AI
223
ESD防护是射频工程师必备技能。射频前端、天线端口器件对静电极为敏感，瞬态高压易造成芯片击穿、性能劣化。防护设计需兼顾低寄生参数与抗静电能力，避免阻抗失配、灵敏度下降等问题。做好ESD可保障射频产品稳定运行、延长寿命，并满足电磁兼容认证要求。
许多常见物品都可能产生静电荷。绝缘体尤其容易产生大量静电荷。有些材料容易带正电，而另一些则容易带负电。每当两个存在电荷不平衡的物品靠得很近时，就会在这两个物体之间产生突然的电流流动，这被称为静电释放（ESD）。静电释放可能表现为可见的火花，其电压通常可达数kV。从半导体的角度来看，静电释放是器件损坏最常见的原因。
下方的表格列出了一些会产生大量静电荷的材料。同时要注意，静电荷的产生取决于相对湿度。相对湿度越低，产生的静电荷就越多。
下方的表格展示了静电释放的放电电压与人体感知的关系。请注意，当你能看到静电释放的火花时，电压已经非常高了，达到8000V或更高。
不同类型的器件对不同水平的静电释放电压的敏感程度不同。有些器件，比如MOSFET，在很低的电压下就会受到影响。我们稍后会看到，大多数半导体器件内部都使用了静电释放保护电路，以增强其抗静电释放能力。通过额外的静电释放保护措施，金属氧化物半导体场效应晶体管的抗静电释放能力可以从仅仅10V提升到数千V。
让我们更深入地了解一下半导体器件因静电释放而损坏的典型方式。假设有一个很大的静电释放电位或电压，施加在运算放大器的反相输入端和负电源引脚上。这会在其中一个输入金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极和源极之间产生一个很大的电压，从而可能损坏该器件。要记住，金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极氧化层厚度可能只有几纳米，这使得它极易受到这种损坏的影响。
半导体器件的静电释放事件主要有两类。对于未安装的器件，可能会发生非电路内的静电释放事件。也就是说，这种事件发生在器件被焊接到印刷电路板之前。非电路内的静电释放事件可能发生在制造、工厂测试或组装过程中。一般来说，工厂测试和制造过程的设计都是为了尽量减少器件暴露在静电释放环境中的可能性。
电路内的静电释放事件是指在完全组装好的印刷电路板或最终产品上造成的损坏。在这种情况下，产品的包装、产品设计以及器件本身的抗静电能力决定了产品对静电释放的敏感程度。器件内部包含的静电释放保护电路旨在防止非电路内的静电释放事件。
有一些通用的预防措施可以遵循，以尽量减少静电释放对器件和组装产品造成的损坏。一般来说，这些预防措施是使用电阻性材料来消散电荷。例如，这张图片中展示的防静电腕带，可以将静电以可控的方式释放到地面。通常，防静电材料的阻抗在MΩ级别。需要注意的是，防静电袋、防静电盒以及工作台面也都含有电阻性材料，其目的是缓慢地中和电荷。
在半导体产品的初始开发阶段，需要对其抗静电释放能力进行表征。首先，使用自动测试设备对具有统计意义的一定数量的器件样本进行全面测试。一般来说，在这个自动测试过程中会测量数据手册中的大多数参数。其次，使用专门的静电释放测试系统向器件施加模拟的静电释放脉冲。静电释放脉冲的具体特性由测试硬件控制。例如，可以选择脉冲幅度和静电释放模型。我们稍后会讨论各种静电释放模型。简而言之，静电释放模型会设定静电释放脉冲的电容、电感和电荷量，以模拟现实中的静电释放事件。在测试过程中，对于大量的器件样本，静电释放脉冲会施加到器件引脚的多种不同组合上。同时，还会施加不同等级的静电释放脉冲。例如，1KV、2KV、3KV，以此类推。
最后，对这些器件重复进行全面测试。器件的静电释放额定值由样本中所有器件都能通过的最高静电释放等级来确定。这个静电释放额定值会列在数据手册的绝对最大额定值表中。
有三种不同的模型可用于产生可控的静电释放脉冲。人体模型（HBM）是最早也是最常用的静电释放仿真模型。这个模型试图模拟人触摸微电子器件时可能发生的静电释放情况。典型的人体模型电压范围是从1KV到5KV。
机器模型（MM），也被称为零欧姆模型，因为它模拟的是静电荷向地面的极低阻抗放电情况。机器模型旨在模拟金属搬运装置或自动组装设备中的静电放电现象。
在大多数情况下，机器模型已被带电器件模型（CDM）所取代。带电器件模型（CDM）的设计目的是精确模拟测试和组装环境，例如，当器件在运输管中滑落时产生的静电荷。带电器件模型的电压通常在几百伏到几千伏之间。由于限流电阻小得多，带电器件模型的电流比人体模型的电流要高。
这里我们展示了半导体器件上常用的静电释放保护电路。在这个例子中展示的是一个运算放大器，但其他类型的器件也会采用类似的静电释放保护措施。请记住，这种类型的静电释放保护旨在保护器件免受非电路内静电释放事件的影响。换句话说，这些结构是为了在测试、组装和制造过程中保护器件。
它们在未通电的系统中对静电释放保护也很有效。但在通电的系统中，它们实际上可能会引发诸如闩锁等问题。关于电气过应力的视频系列会更详细地讲解这个话题。
静电释放保护中常用的三种结构分别是串联电阻、转向二极管和吸收器件。转向二极管导通后会将静电释放脉冲从敏感的电路元件引向吸收器件。吸收器件会吸收静电释放脉冲的能量，并限制电压水平以防止器件损坏。
串联电阻会限制输入或输出电流。请注意，较大的串联电阻能提供更多的保护，但往往会降低其他关键参数，比如噪声或最大输出电流。电阻方面的这种实际限制可能会影响一些器件的抗静电释放能力。
让我们来看看静电释放保护结构是如何工作的。在这个例子中，一个静电释放脉冲施加在同相输入端引脚和负电源之间。在现实中，这可能是由于对器件的不当处理造成的，例如，在不具备防静电功能的工作台面上组装印刷电路板。
注意，在这个例子中，二极管D3变为正向偏置，并将静电释放脉冲引向吸收器件。吸收器件的设计目的是限制电压并吸收静电释放脉冲的能量。请注意，如果静电释放脉冲施加到不同的引脚上，不同的二极管会导通并将脉冲引向吸收器件。
还要注意的是，输入电阻R2会限制来自静电释放脉冲的输入电流。R2的值越大，电路的抗静电能力就越强，但可能会因偏置电流和噪声而引入误差，并且也可能会影响频率响应。
这些规格旨在让大家对静电释放二极管的性能有一个大致的了解。实际的二极管会因器件设计和所使用的工艺不同而有所差异。需要注意的一个关键要点是，当有较大电流通过时，二极管的压降约为0.7V。
这种二极管设计用于承受几nS内数A的脉冲电流，这也是静电释放脉冲的典型情况。然而，它们的连续电流额定值仅为10mA。这些二极管还存在反向漏电流，在室温下可能小于1nA，但在高温下可能会达到数百nA。实际上，静电释放二极管的漏电流构成了CMOS器件偏置电流的大部分。最后，应该注意的是，静电释放二极管具有几pF的寄生电容。
在这里，我们来看一下两种不同运算放大器集成电路中静电释放二极管的电流-电压（IV）特性。请注意，在低电流情况下，正向压降约为0.7V，而在高电流情况下，压降会增加到约1V。
我们之前只是非常笼统地讨论了吸收器件。吸收器件是一种寄生双极型器件，它相对于衬底垂直形成。通常情况下，这个器件处于反向偏置状态，所以没有基极电流流过。随着器件两端的电压升高，集电极-发射极的反向击穿就会接近。当电压升高超过击穿电平后，电流会迅速增加。集电极电流会一直增加，直到出现负阻效应（回跳现象）。在负阻区域之后，电流又会开始迅速增加。如果在晶体管的通路上没有其他电阻来限制电流，电流可能会增加到产生大量热量，导致温度过高，进而使晶体管熔化。通常情况下，发射极最终会穿透基极并与集电极短路，形成永久性的短路。
吸收器件的设计目的是在非电路内静电释放事件期间钳位电源电压，以防止器件损坏。一旦静电释放事件在几nS后结束（通常情况下是这样），由于器件没有连接电源，吸收器件就会开启。另一方面，如果吸收器件在电路内静电释放事件中开启，它会保持开启状态并处于低阻抗状态，直到电路断电。因此，在电路内电气过应力事件期间，绝对不能让吸收器件开启。
器件数据手册中给出的绝对最大额定值描述了在器件损坏之前可以施加的最坏情况条件。其中给出了最大电源电压、输入电压、输入电流和温度。请注意，最大输入电流规定为±10mA。这是大多数器件的限制，它是基于静电释放二极管能够承受的最大连续电流确定的。
还要注意的是，器件的静电释放额定值也列在最大额定值表中。在这个例子中，人体模型（HBM）的额定值为4KV，带电器件模型（CDM）的额定值为1KV。不同的器件根据其在特性表征过程中的性能会达到不同的额定值。
总结：静电释放对半导体器件的潜在威胁不容忽视，它可能源于多种常见材料并在低湿度环境下加剧。通过了解静电释放的产生机制、影响方式及预防措施，如使用防静电材料和测试模型，可有效降低损害风险。此外，器件内部的静电释放保护电路，如串联电阻、转向二极管和吸收器件，在保护器件免受非电路内静电释放事件方面发挥着关键作用。然而，这些保护措施也需在设计与应用中谨慎考量，以确保其有效性和对器件性能的最小影响。
