传统DDSCR器件过低的维持电压容易造成闩锁效应。提出了一种新型DDSCR,在传统器件阳极与阴极之间加入了浮空高掺杂的N+与P+有源区,通过P+有源区复合阱内的电子,N+有源区将电流通过器件深处电阻较低SCR路径泄放的方式来解决传统器件维持电压过低的问题,提高器件抗闩锁能力。基于TCAD的仿真结果表明,与传统DDSCR相比,新型器件的维持电压从2.9 V提高到10.5 V,通过拉长关键尺寸D7,可将器件维持电压进一步提高到13.7 V。该器件适用于I/O端口存在正负两种电压的芯片防护。
静电放电 维持电压 双向可控硅 闩锁效应 TCAD仿真 ESD holding voltage DDSCR latch-up effect TCAD simulation
传统低压触发可控硅(LVTSCR)维持电压过低, 应用于片上ESD防护时存在闩锁风险。文章提出了一种嵌入分流路径的LVTSCR。基于0.18 μm CMOS工艺, 使用Sentaurus-TCAD软件模拟人体模型, 对器件准静态特性进行了分析。结果表明, 新型器件在保持触发电压、ESD防护性良好的情况下, 有效提高了维持电压。对关键尺寸D6进行优化, 该器件的维持电压提高到5.5 V以上, 器件可安全应用于5 V电压电路, 避免了闩锁效应。
静电放电 可控硅 维持电压 闩锁 分流 ESD LVTSCR holding voltage latch-up shunt path
1 北京智芯微电子科技有限公司, 北京 100192
2 北京大学 集成电路学院, 北京 100871
3 北京大学 微电子器件与电路教育部重点实验室, 北京 100871
针对高压BCD工艺使用SCR器件ESD保护时面临的高触发电压与低维持电压之间的矛盾, 设计了一种多嵌入阱可控硅(MEWSCR)结构。相比于常规SCR结构, 首先, 通过移动阳极/阴极的N+/P+掺杂区引入辅助泄放器件, MEWSCR结构实现了二次触发, 增加了维持电压; 其次, 通过在阳极P+区和阴极N+区下方分别嵌入N浅阱和P浅阱, 增强非平衡载流子的SRH复合作用, 降低SCR的再生反馈效应, 提高了维持电流。基于0.18 μm BCD工艺, 采用TCAD软件进行模拟。结果表明, 新型MEWSCR器件的维持电压提升至23 V, 维持电流提升1 A以上, 满足ESD设计窗口要求。
静电放电 硅控整流器 维持电压 闩锁 ESD SCR holding voltage latch-up
横向双扩散MOSFET(LDMOS)由于其高击穿电压特性而被认为是适合在高压中应用的防止静电放电(ESD)现象的保护器件。在传统结构中, LDMOS的鲁棒性相对较差, 这是器件自身固有的不均匀导通特性和Kirk效应导致的。可将可控硅整流器(SCR)嵌入到LDMOS结构(即NPN_LDMOS)中。然而, SCR固有的正反馈效应会导致其维持电压较低, 增加了被闩锁的风险。提出了一种基于NPN_LDMOS的新型器件, 可以实现更高的维持电压以及较小的占用面积。基于TCAD进行仿真, 实验结果表明, 在不增加芯片面积的情况下, 器件的维持电压从7.3 V增加到22.5 V。这证明了提出的结构具有出色的抗闩锁能力。
静电放电 维持电压 横向双扩散金属氧化物半导体 闩锁效应 TCAD仿真 ESD holding voltage LDMOS latch-up effect TCAD simulation
为了解决传统LVTSCR易发生闩锁效应的问题，提出了一种增强型嵌入P浅阱可控硅(EEP_LVTSCR)结构。通过在传统LVTSCR中NMOS管漏极与阳极之间植入PSD/NSD有源区，引入了额外的复合作用，降低了发射极注入效率；通过NMOS管下方P浅阱增强基区的复合作用，同时降低了PNP、NPN管的电流增益，提高了维持电压。基于0.18 μm BCD工艺，采用TCAD软件模拟了新型EEP_LVTSCR和传统LVTSCR的电流电压(I-V)特性。仿真结果表明，新型EEP_LVTSCR的维持电压从传统的1.73 V提升到5.72 V。该EEP_LVTSCR适用于3.3 V电源的ESD防护。
静电放电 闩锁效应 维持电压 ESD LVTSCR LVTSCR latch-up holding voltage
电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都 610054
基于0.18 μm BCD工艺, 提出了一种外部可调、带限流的折返式LDO过流保护电路。该电路同时具有限流和折返功能。限流部分通过电流镜构成的环路箝位最大输出电流, 折返部分通过误差放大器构成的负反馈环路产生与输出电压成比例的电流折返输出电流。与传统过流限结构相比, 新结构可降低功耗, 保护功率管不被烧毁; 与传统折返式结构相比, 新结构可通过调节外部电阻方便地调节过流限与折返点电压, 避免了稳压器的闩锁现象。在1.2 V典型输出下, LDO电路的仿真验证结果表明, 在调节四组不同的外部电阻值条件下, 过流限范围为215~350 mA, 折返电压范围为450~900 mV, 输出短路时, 功率管的功耗降至230 mW。
线性稳压器 过流保护 外部可调 闩锁 LDO over current protection externally adjustable latch-up
1 中国工程物理研究院 复杂电磁环境科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
3 华北电力大学 电气与电子工程学院 新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206
随着智能电网上升成为国家战略，其高速、高集成度的光纤通信网络通信的安全性和可靠性成为了一个需要重点关注的问题，然而电网中广泛使用的光电信号转换装置却并没有针对可能遭受到的强电磁脉冲攻击进行防护，一旦被干扰或损伤，可能危及整个通信网络乃至电网的安全性。针对一种常用的光电转换器，开展了典型高功率微波环境下的辐照效应试验，发现其在较低场强即可能出现干扰和扰乱的效应现象。并通过进一步的壳体耦合仿真分析和典型半导体器件的干扰机理研究，明确了散热孔阵为主要的能量耦合通道，低频 （L波段）耦合效果优于高频 （S波段）近一个量级。耦合场通过场路耦合主要作用于转换芯片，本质原因可能是半导体器件的闩锁效应。
高功率微波 光电转换器 闩锁效应 high power microwave fiber converter latch-up effect 强激光与粒子束
2018, 30(1): 013002
1 北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191
2 北京控制工程研究所，北京 100190
对于在轨微小卫星而言，单粒子闩锁(Single Event Latchup，SEL)是最具破坏性的单粒子效应之一，其后果轻则损坏器件，重则使在轨卫星失效。首先介绍了SEL发生机理，分析并总结现有抗SEL的关键技术。其次提出了空间单粒子闩锁防护措施并设计了一种可恢复式抗SEL电源接口电路，实现对卫星星上设备的防闩锁及过流保护。最后利用脉冲激光模拟单粒子效应技术对具有飞行经验的芯片进行实验测试。实验结果表明，该电路能够准确地检测SEL的发生，有效解除SEL效应，保证系统运行稳定可靠。
微小卫星 单粒子闩锁 过流保护 可恢复式 脉冲激光 micro-satellites Single Event Latchup overcurrent restorable pulse laser
1 中国科学院 国家空间科学中心， 北京100190
2 中国科学院大学， 北京100049
基于建立的不同工艺尺寸的CMOS器件模型，利用TCAD器件模拟的方法，针对不同工艺CMOS器件，开展了不同工艺尺寸CMOS器件单粒子闩锁效应(SEL)的研究。研究表明，器件工艺尺寸越大，SEL效应越敏感。结合单粒子闩锁效应触发机制，提出了保护带、保护环两种器件级抗SEL加固设计方法，并通过TCAD仿真和重离子试验验证防护效果，得出最优的加固防护设计。结果表明，90 nm和0.13 μm CMOS器件尽量选用保护带抗SEL结构，0.18 μm或更大工艺尺寸CMOS器件建议选取保护环抗SEL结构。
不同工艺尺寸 单粒子闩锁效应 SEL三维仿真模型 防护结构 重离子辐照 different process dimensions single event latch-up effect 3D simulation model of SEL mitigation technique heavy-ion radiation 强激光与粒子束
2014, 26(7): 074005
清华大学 电子工程系, 微波与数字通信技术国家重点实验室, 北京 100084
从基本半导体物理出发, 通过求解载流子连续性方程, 建立了能够定量描述引起CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的微波脉冲功率阈值与脉冲宽度关系的解析理论模型。通过与仿真结果以及文献中实验数据的对比, 验证了该理论模型的正确性。该理论模型表明, 引起CMOS反相器内部瞬态闩锁效应的微波脉冲功率阈值首先随着脉冲宽度增加逐渐降低, 但是存在一个明显拐点区域, 当脉冲宽度超过该区域之后, 引起闩锁效应的功率阈值变化不甚明显。
微波脉冲 CMOS反相器 闩锁效应 脉冲宽度 microwave pulse CMOS inverter latch-up effect pulse width
