ESD设计窗口维持电压为什么需要大于工作电压

gcwen

在ESD（静电放电）保护设计中，维持电压（Vh）需要高于器件的工作电压（Vdd），这一要求的核心目的是避免闩锁效应（latch-up）的发生。以下是具体机制和原因的解释：

1. 闩锁效应的触发机制
闩锁效应是由CMOS工艺中寄生的p-n-p-n结构（类似SCR）形成的正反馈回路引起的。当ESD事件触发保护器件导通后，若维持电压Vh低于工作电压Vdd，电源会持续为保护器件提供能量，导致以下问题：

维持电流持续存在：保护器件导通后形成的低阻路径会通过电源持续供电，使电流无法自动中断，从而维持闩锁状态45。

正反馈无法关闭：SCR等器件的正反馈机制需要足够高的电压或电流才能维持导通。若Vh < Vdd，电源电压足以支持这一正反馈，导致器件无法恢复到高阻状态17。

2. 维持电压与工作电压的关系
Vh > Vdd的保障作用：当Vh高于Vdd时，ESD事件结束后，电源电压（Vdd）不足以维持保护器件的导通状态。此时，器件会从低阻状态退出，切断电流路径，避免闩锁效应的持续57。

设计窗口的约束：ESD设计窗口通常要求触发电压（Vt1）高于工作电压（防止误触发），同时维持电压（Vh）需高于工作电压但低于栅氧化层击穿电压（BV_max）。这种平衡确保器件既能有效泄放ESD电流，又不会因闩锁损坏内部电路19。

3. 实际案例分析
传统SCR的局限性：传统SCR因维持电压过低（约1.5V），容易在Vdd较高的高压电路中引发闩锁。例如，若Vdd为3.3V，SCR导通后若Vh < 3.3V，电源会持续供电，导致器件无法关闭17。

改进型SCR设计：通过引入二次回滞特性、调整掺杂区布局或嵌入MOS结构，新型SCR器件（如LDMOS-SCR）可将Vh提升至高于Vdd。例如，某些改进设计使Vh达到8–16V，显著高于高压IC的工作电压，从而避免闩锁3910。

4. 抗闩锁设计的其他方法
除了提高Vh，还可通过以下方式增强抗闩锁能力：

增加维持电流（Ih）：通过优化寄生电阻或引入分流路径，提高维持电流阈值，使正常工作电流无法维持SCR导通17。

结构优化：例如在SCR中嵌入浮空掺杂区或沟槽隔离，削弱寄生晶体管的增益，抑制正反馈效应78。

电源断路电路：检测到闩锁时快速切断电源，避免持续电流损坏器件2。

5. 总结
维持电压Vh需高于工作电压Vdd的本质逻辑是：切断电源对闩锁状态的持续支持。若Vh < Vdd，ESD保护器件在触发后会因电源供电而长期导通，形成不可逆的低阻通路，最终导致器件过热或烧毁。通过合理设计Vh和Ih，可兼顾ESD防护能力与抗闩锁可靠性