更全的杂志信息网

Latch-up测试中负电流的影响和防护

更新时间:2016-07-05

0 引言

在芯片级Latch-up测试中,除电源和地之外的输入输出管脚都需要通过一定程度的负电流测试,这时芯片内部就会出现负电流。同时,由于芯片内部存在很多寄生的二极管、三极管,会导致该负电流产生连锁效应引起热N阱漏电,进而导致一些电路指标发生漂移,严重的甚至会导致芯片重启或损坏。

1 Latch-up测试中的负电流

随着电子技术的发展,电子电路的集成度越来越高,电压瞬变和电流瞬变引起半导体器件失效的情况也越来越普遍。瞬变电压会造成一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上,导致该氧化物薄膜因介质击穿而损坏;而瞬变电流会导致很细的金属线或者尺寸很小的器件由于大电流而损坏。所谓Latch-up,也即闩锁效应,就是指瞬变电流被锁定甚至放大,造成器件在电源与地之间形成短路,造成大电流和器件损坏[1-2]

颠球方面,实验后实验班与对照班的平均颠球个数均有所提高,合作学习法和传统的教学方法都可以提高颠球的个数,通过T检验发现,p值<0.01,具有非常显著差异,说明合作学习法优于传统的教学方法。

因此,闩锁效应是影响集成电路芯片器件可靠性的一个潜在的严重问题,客观、准确地评价其对闩锁效应的抵抗能力是保证芯片和器件质量的重要一环。当前业界内普遍使用的测试标准是EIA/JEDEC 78[3]。测试项目主要包括两个方面,电源电压过压测试(器件击穿电压或者1.5倍的最大工作电压)以及输入输出管脚的正负电流测试(±100 mA)。

转基因作物基因漂流引发的主要问题是基因漂流后对转基因作物生态环境、生物遗传多样性、土壤生物群落的影响[16]等。

在BCD或者CMOS工艺中,存在很多种类的N型离子注入,比如P-MOSFET的N阱,NPN三极管的N型集电极等,因为它们通常被连接到相对高的电压以避免闩锁效应(Latch up),所以被人们称作热N阱。结合前文提到的ESD二极管中PN结,就会形成如图2所示的寄生NPN三极管结构,其中基极(base)为 Psub衬底(ESD二极管的P端),发射极(emitter)为管脚(ESD二极管的N 端),集电极(collector)为热 N 阱[3]

图1 常用的ESD结构

2 寄生三极管对负电流的连锁反应

另外,通常来说芯片的每一个管脚都会设计ESD保护电路以防止静电损坏,在BCD或者CMOS工艺中,ESD二极管通常会按照图1中D1的方式进行连接。当管脚进行负电流测试时,负电流主要是通过该ESD二极管进行释放的。正常情况下,只要该ESD二极管的尺寸足够大,就不会出现任何问题,但是往往被忽略的是负电流通过芯片内部寄生的双极晶体管引起的漏电流造成的影响。

图2 寄生三极管对负电流的连锁效应

图3 负电流对模拟电压缓冲器的影响

正常情况下,管脚上如果没有出现负电压,只有正电压时,Vbe为负值,这个寄生的三极管就会处于截止状态,对芯片内部的电路不会有任何影响。但是一旦出现如前文所述的负电压,Vbe就会变为正值,会有负电流从基极流向发射极,寄生的三极管就会处于放大状态,从而导致集电极也会有漏电流流向发射极。

当然这个三极管由于衬底寄生电阻等原因放大倍数不会很大,但是对于一些低功耗设计的电路来说,这样的漏电流也是致命的,轻则造成电路参数指标的漂移,重则造成重复关机开机甚至烧毁芯片。

3 负电流对模拟电压缓冲器的影响

(3)在版图上尽量增大核心电路和ESD器件之间的间距,添加足够充分的隔离环。

了解了Latch-up测试中负电流对芯片内部电路产生影响的原因,就可以有针对性地采取一些防护措施。

无源型的米勒补偿电容肯定不会有漏电流产生,因为不管是栅还是金属都不可能提供这样的能量。容易出问题的是有源型的米勒补偿电容,因为单位面积可以实现的容值更大,所以有源型的米勒补偿电容反而更多地被设计人员采用。对于普通P型MOSFET(N阱中加P型离子注入形成P沟道),其结构中固有的N阱就是一个热N阱;对于隔离(isolated)N型MOSFET,则更容易理解,其源端(source)和漏端(drain)天然就是一个热N阱。

可能存在的争议是,为什么会有漏电流从“amp”的输出流出来呢?热N阱是怎么产生的呢?其实这种漏电流一般都是由“Miller Cap”造成的,一般来说米勒补偿电容在这种应用中的实现方法有两种,一种是有源型,包括普通P型 MOSFET和隔离(isolated)N型 MOSFET;另外一种就是无源型,包括栅(poly)电容和金属(metal)电容。

4 负电流对线性稳压器的影响

线性稳压器(LDO)是一种常用的模拟电路,用来将输入的高电压转化为适当低电压来为核心电路提供稳定的直流电源。同时,其良好的电源噪声抑制能力也为核心电路提供了更加低噪的工作环境。图4描述了一种常用的线性稳压器结构,“amp”模块是第一级低压放大级,高压器件 PM1为第二级共源放大级,高压器件 NM1作为钳位电路用来进行高低压隔离。这种结构一般不采用米勒补偿,而是利用输出端的大电容(输出极点作为主极点)来保证环路稳定性[4-5],输出电压可以由式(2)来进行计算:

一旦由寄生NPN三极管产生图4中所示的漏电流“Ilkg”超过了“amp”模块的输出级的偏置电流,就会直接在R3上形成额外的电压降,从而导致PM1的栅源偏置电压(Vgs)增大和线性稳压器的输出电压升高,甚至可能会造成不可恢复的过压损坏。

第三,定价方法单一。正如上文所言,南通鹏越纺织有限公司坚持成本定价为主,市场竞争定价为辅,这是一种典型的成本定价法。但这种定价方法十分机械,不能囊括所有。且面对灵活多变的市场,也能有着较为全面客观的掌控。

图4 负电流对线性稳压器的影响

5 对负电流的一些防护手段

但是式(1)成立的前提条件是,由寄生NPN三极管产生的漏电流“Ilkg”在“amp”模块的输出级偏置电流中所占的比例非常非常小,一旦该模拟电压缓冲器在版图上距离负电流管脚的距离过近,或者工艺本身寄生三极管的放大倍数比较大的时候,漏电流就会变得很大,从而造成 PM1的栅源偏置电压(Vgs)增大,同时输出电压增大。

大肠杆菌是一种自然界的常在菌,且分布的地点较多,且能够在动物的体表、口腔、粪便等处存在,大肠杆菌的形状为两端钝圆,且不同的种类周身生长着鞭毛,促使其自行运动,这使得动物感染大肠杆菌病的几率增大。春季与冬季为该病的高发季节,春季与冬季的青菜、绿色植物资料严重缺乏,导致母羊的奶水质量下降,从而影响了羔羊的身体素质,导致大肠杆菌病的发生,另外,由于大肠杆菌存在于羊圈、养身体中,一些羔羊在刚出生时,还没来得及吃到母乳,便感染了大肠杆菌病,对羔羊的健康情况造成严重影响。

(1)采取隔离ESD保护结构,从根本上杜绝负电流流经Psub衬底的可能性。

作者简介: 邓新荣,男,广东兴宁人,清远职业技术学院,后勤保卫处副处长,本科学历,研究方向:高校后勤管理。

(2)在版图中将敏感电路,比如模拟电压缓冲器和线性稳压器,尽量远离管脚的ESD,以增大衬底阻抗和减小寄生三极管的放大倍数。

模拟电压缓冲器是模拟电路设计中一种非常常用电路结构,可以非常方便地进行电压值转化和提高驱动能力。图3中描述了一种常用的模拟电压缓冲器结构,“amp”模块是第一级放大级(可以是标准对称 OTA,也可以是普通差分输入级),PM1为第二级共源放大级,“Miller Cap”用来进行米勒补偿以保证环路稳定性,输出电压可以由式(1)来进行计算:

(4)尽量增大敏感电路的偏置电流,也即减少负电流导致的漏电流在偏置电流中所占的比重。

(5)采用一些对漏电流不敏感的电路结构,或者采用一些不使用带有热N阱器件的电路结构,比如使用无源米勒补偿电容。

6 结语

负电流Latch-up测试是业界内公认的必须完成的一项测试,电路设计时普遍认为只要ESD二极管的尺寸足够大就不会有问题,但是负电流通过芯片内部寄生的双极晶体管引起的漏电流造成的影响却常常被忽视。本文以模拟电压缓冲器和线性稳压器为例分析了负电流对芯片可能造成的影响,提出了一系列在芯片内部可以采取的防护措施,希望能给电路设计人员带来一些帮助。

区域及矿区内岩浆岩发育,区内主要为早白垩世新县二长花岗岩,广泛分布,为区内主要侵入岩体,是区内的主要成矿母岩和主岩,构造蚀变岩型及蚀变二长花岗岩夹小石英脉型钼矿(化)体均产于其中。沿岩石裂隙面破碎、硅化、钾化蚀变强烈,且有较强的辉钼矿化。表明新县二长花岗岩与钼矿的形成关系密切,不仅为矿区钼矿的形成提供了有利的物理化学环境,促使地层中部分成矿元素活化迁移,更为之提供了部分矿物质来源,直接参与了成矿活动。

参考文献

[1]蔡依村,李锟.集成电路锁定效应和试验方法标准研究[J].信息技术与标准化,2017(Z1).

[2]TSAI H W,KER M D.Active guard ring to improve latchup immunity[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2016,61(12):4145-4152.

[3]ADVANI J G.Effects of negative current feedback[J].Iete Journal of Research,2015,9(3):216-228.

[4]CHONG S S,CHAN P K.A Sub-1 V transient-enhanced output-capacitorless LDO regulator with push-pull composite power transistor[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems,2014,22(11):2297-2306.

[5]WANG J P,JIANG J G,ZHOU X F.Less occupied and ultra-low noise LDO design[J].Analog Integrated Circuits&Signal Processing,2014,81(2):453-459.

孙俊岳
《电子技术应用》 2018年第05期
《电子技术应用》2018年第05期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号