双极性集成电路的ESD保护

IC内部保护电路

标准保护方案是限制到达IC核心电路的电压和电流。图1所示保护器件包括：

·ESD二极管：在引脚与电源之间提供一个低阻通道。

·电源钳位：连接在电源之间，正常供电条件下不汲取电流，出现ESD冲击时呈低阻。

ESD二极管

二极管连接在测试引脚和电源之间，为ESD电流提供低阻路径。

如果对IC进行HBM测试，测试电路的初始电压是2kV，ESD电流约为1.33A：

I_ESD=2kV／1.5kΩ±10％

大电流在ESD二极管和引线上产生I-R压降，该电压高于二极管本身的压降。IC可靠性报告中给出了器件设计所能承受的ESD测试电压。

电源钳位

引脚之间需要为ESD电流提供低阻路径，包括电源引脚。钳位电路在正常工作状态下呈现为高阻抗。

双极性IC的钳位操作类似于在受保护核电路中受冲击时呈现击穿状态，钳位晶体管的过压导致集电极-基极之间的雪崩电流，发射结的正向偏置会进一步提高集电极电流，导致快恢复状态。

钳位二极管在IC其它电路遭到破坏之前导通，二极管要有足够的承受力，保证ESD电 流不会导致二次击穿。

ESD保护和应用电路

电源去耦电容会影响钳位操作，钳位二极管在低于绝对额定电压的正常供电情况下呈现高阻抗。电荷传递到去耦电容可能产生高于IC额定电压的电平，但还不足以使二极管导通。此时，电容相当于一个能源，迅速将能量释放到IC。

对于一个给定的去耦电容，ESD测试中初始电压的变化遵循电荷守恒。例如，使用一个0.01μF去耦电容，2kV HBM测试电压可以达到20V。

V1=V_ESD×C0／(C0+C1)或20V=2kV×100pF／(100pF+0.01μF)

被保护引脚电容上的能量如图4所示，对小的去耦电容，钳位二极管通过进入快恢复模式限制V1。电容越大，能量越大。

钳位电压高于器件所能承受的电压(典型值6V)，低于二极管的快恢复电压(～10V)，对于存在去耦电容的情况，由于电容储能可能导致某些问题。如果器件在没有外部电路的情况下进行测试，10V电压是可以接受的，对器件不会构成威胁。