据半导体器件原理，上述的4层结构作为ESD保护器件来说，其起始导通电压等效于MOS工艺下n阱与p衬底之间的击穿电压。由于n阱具有较低的掺杂浓度，这是由半导体工艺所决定的，因此其与p衬底之间的击穿电压高达30～50V，如此高的击穿电压使SCR结构在ESD防护设计上需要再加上额外的二级保护结构，在图2(b)中已经标注出来。这是因为图2(b)中需要保护的MOS管M的栅击穿电压只有12.5V左右，而SCR要到30V以上才导通，在ESD电压尚未升到30V之前，这个SCR结构是关闭的，这时SCR器件所要保护的M管早就被ESD电压破坏了，因此必须加入二级保护结构。利用这个二级保护结构，在其被ESD破坏之前，SCR结构能够被触发导通，从而泄放ESD电流，只要SCR结构一导通，其低的保持电压便会钳制住ESD电压在很低的值，因此这个SCR结构可以有效地保护M管。但这种额外增加的二级保护结构必然会造成芯片面积的增加，导致芯片成本的上升。

 图2 SCR ESD 保护结构纵向剖面图及其等效电路图

为解决这个问题，在电容式触摸感应检测按键电路中采用了一种改进的SCR ESD保护结构。在该结构中增加一个图2(b)虚线框中所示的薄栅氧NMOS管Q3。依据晶体管原理，击穿电压与栅氧是直接相关的。这个NMOS管以跨的方式在n阱与p衬底的界面上，可以使SCR结构的起始导通电压下降到10～15V，这就使SCR结构不需要额外的二级保护结构便可以有效地保护电路内部M管，从而减小了芯片面积。SCR结构的导通过程描述如下:其内嵌的薄栅NMOS管Q3发生回流击穿时，引发电流自其栅极流向p衬底，这会引起电流自n阱流向p衬底，也因而触发了SCR结构的导通。为了防止SCR结构在普通MOS管正常工作情形下会被导通，其内嵌的薄栅NMOS管Q3的栅极必须要连接到地，以保持该NMOS管关闭，如图2(b)所示。

图3显示了改进的SCR ESD保护结构的版图，包括作为ESD保护器件的Q1，Q2和宽长比为180/1的PMOS管Mp，还有就是作为ESD二级保护器件的薄栅管Q3。图中VDD是管子所接的电源端，GND是管子所接的地端。

 图3 改进的SCR ESD保护结构版图

 1.3 全芯片ESD保护结构

图4显示了一种全芯片的ESD保护电路结构。这种保护结构由ESD泄放及保护结构和常规二极管保护结构两部分组成。其中ESD泄放及保护结构由RC网络、Mp和Mn两个逻辑控制管以及ESD电流泄放管TESD等组成。这部分原理简述如下:ESD对电路的损伤主要是电路的pn逆向击穿造成的不可逆而导致电路漏电。当VDD网络上出现ESD电压时，图中Vx点的初始电压为零，由于电容的“惰性”，其两端电压不能突变，因此Mp管导通，Vg端电压将随着ESD电压上升，TESD管导通，为ESD电流提供了一条到地的泄放通路。TESD的薄栅氧决定了图中Vg点的电压不能上升太高，否则会击穿栅氧从而损坏器件。因此RC网络充电抬高Vx端电压，限制Vg升高，RC充电时间一定要能够保证ESD能泄放完才关断Mn管，一般要求在200ns左右，要求TESD管的设计能够承载大电流，因此要设计足够的栅宽长比。正常情况下，TESD管的栅压为0V，其实是关闭的，因此不影响芯片的正常工作。

 图4 全芯片ESD保护电路结构

这种全芯片的ESD保护结构能够很好地提高电路的ESD保护能力，但当半导体工艺到深亚微米阶段，为了防止热载流子效应，都会在MOS的源漏端采用浅掺杂( lightly doped drain，LDD) 结构。图4中的TESD管就采用了LDD结构。当TESD管导通泄放ESD电流时，大电流从这个管子的表面通过，这样结深很浅的浅掺杂处很容易损坏，从而限制了这种全芯片ESD保护结构的防护能力。

在电容式触摸感应检测按键电路中采用了一种改进的全芯片ESD保护结构，改进的是ESD电流泄放管TESD的连接方式，如图4所示。经过改进后，TESD管的栅接地，而Vg输出接TESD管的衬底，其余器件结构和参数保持不变。与通常的全芯片ESD保护结构相比，这种改进的全芯片ESD保护结构引入了寄生的横向npn管，如图4所示。

在这种改进的全芯片ESD结构中，当VDD网络上出现ESD电压时，会引起Vg电压变化，由于电压的存在，会引起衬底上电子的迁移而形成电流，电流流过衬底电阻后会抬高寄生npn管的基极电压，最终会触发这个npn管的导通，这时ESD电流是通过npn管在衬底上流过而不是在MOS管表面流过，TESD管并没有开启而是用其寄生的横向npn管来泄放ESD电流，而LDD结构不会受到ESD电流的损害，这样就能大幅提高这种保护电路ESD防护能力。

图5中虚线框部分是这种改进的全芯片ESD保护结构的版图，该图显示了逻辑控制管M p，Mn和RC网络以及最重要的薄栅管TESD的位置，其中电容与其下的阱电阻组成ESD探测器。从图5可以看出，一个全芯片的ESD保护结构所占的芯片面积只比一个压焊点的面积略大，也就是说在某一个芯片中插入这种全芯片的ESD保护结构后，不会引起该芯片的面积增加太多，但可以大大提高该芯片的ESD保护能力。

 
 图5 全芯片ESD保护结构的版图