闩锁效应

闩锁效应

什么是闩锁效应？ 闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的 n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。避免闩锁的方法就是要减小衬底和N阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。  闩锁效应：静电释放损坏元器件的机理

静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。 ESD 和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up）是半导体器件失效的主要原因之一。如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS（电过载）和器件损坏。   CMOS 器件因闩锁效应特别容易损坏，因为电感会在器件的寄生电容中累积。另外，氧化物材料中任何原子一级的缺陷都会降低氧化物层的介电强度，使器件很容易因静电电压而失效。 

 电子系统中常见的 ESD 问题是通信接口器件，如RS-232驱动器和接收器的失效。这些器件在 ESD 脉冲通过人们频繁插拔的电缆互联传播时，在电缆接触到未端接连接器的带电表面时，就会损坏。当这些 ESD 脉冲的频率超过 1 GHz 时，PC 电路板的印制线和小段电缆就会像天线一样，接收这些干扰信号。   图 1 示出了最近对一种频繁失效的CMOS 数据收发器 IC 进行的ESD闩锁效应调查的结果：在某些情况下，IC 封装带电，并烧毁了下面的电路板。为了确定故障的原因，用一台记录仪器监视电源和 RS-232 收发器的输入端。记录的波形显示出在收发器器件的输入端和电源脚有短时的电压瞬变。当这些瞬变电压迫使寄生PN 结构导通时，就发生闩锁效应。一旦寄生的SCR导通，SCR就是电源通过器件到地的一条低阻通路。在这样的条件下，通路中的电流很大，从而导致器件中因热过载而热耗散异常。过度的热过载会使塑封外壳升温并开裂。 

SCR结构可控硅及闩锁效应 SCR结构可控硅及闩锁效应 一、SCR可控硅介绍

可控硅又称晶闸管(thyristor)，最早由美国贝尔实验室发明，是由三个及以上pn结组成、具有开关特性的半导体器件的总称，通常使用最多的是三端可控整流器，GTO晶闸管及双向硅可控整流器。具有栅极的三端可控硅叫做SCR(Semiconductor Controlled Rectifier 可控整流器)。 SCR结构是在n型衬底(n1)两边用p杂质扩散形成p1、p2，然后在p2用n杂质形成n2区。上部p1区电极为阳极A, 下部n2区电极为阴极K，从p2区引出电极为栅极G。 SCR工作原理：

，栅极开路时的情况1 (1)，加AK正电压，此时J1, J3正偏，J2反偏。电流几乎为0，处于截止状态。当正向电压加大，在结J2的耗尽层形成大的电场，产生雪崩击穿导致电流急剧增大到IH，处于导

通状态。为了维持导通状态，电流必须大于IH，所以称IH为维持电流(holding current )，此时电压为维持电压( holding voltage )。 (2)，加AK负电压，此时J1, J3反偏，J2正偏。电流几乎为0，处于截止状态。电压继续加大，产生反向击穿，其特性类似二极管反向特性，可理解为两个二极管串联时的反向击穿。  图 (1) SCR 伏安特性 ，栅极控制作用2  图(2) SCR 等效电路 在GK间加控制电流IG，电流方向如图(2)所示，并以等效电路来进行分析。并分别设定两个晶体管共基极电流放大系数为a1, a2 (以a 代替alpha) 则得到等式为： Ib1 = (1-a1)Ia – Ico1 Ic2 = a2 Ik + Ico2 式中：Ico1和Ico2分别为晶体管的反向饱和电流。由于 Ib1 = Ic2  - a1)Ia (1– Ico1 = a2 Ik + Ico2

又因Ik = Ia + Ig 最后得出：Ia = (a2Ig + Ico1 + Ico2 )/ [1 – (a1 + a2) ] 式中 Ico1 + Ico2 相当于结的反向饱和电流。  栅极开路时，Ig=0，a1+a2 ≈0, Ia = Ico1 + Ico2 。但如果有栅极电流Ig，不仅Ia 随着 Ig增大而增大，a1+a2 也无限接近于1，Ia的电流就会急剧增加，从而使得器件在低于转折电压时，处于导通状态。此时只要电流大于维持电流，即使去除栅极电流，器件还处于导通状态。也就是说器件一旦处于导通状态，栅极电流将不再起任何作用，进而不易控制，所以要从导通转换为截止状态，应使器件电流小于维持电流。 可控硅器件的一些开关特性：

：陡变电压会使转折电压下降，电压变化率越大越容易导通。1 ：导通从栅极旁开始，如果电流上升时间过长，会损坏器件。2

：导通时加反偏电压转换为截止状态，如果再加正向电压，会再次返回导通状态，必3

须加足够长时间的反向电压。  二、SCR闩锁效应模型 

闩锁效应一旦发生，内部寄生SCR结构将被打开，并在VDD与VSS间形成低阻路径。结果就是产生大电流将器件损坏。如图交叉耦合晶体管模型中，有两个基本的触发条件：栅极电流和阳极与阴极间高电压。触发后其特征曲线类似可控硅导通状态，因为AK之间电压一直存在所以一旦导通电流将不受控制。  所以对可控硅进行改进，可在GK加反向脉冲电压，从而形成了电路断开(GTO)可控硅器件。

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