ESD(静电放电)是CMOS电路中最为严重的失效机理之一，严重的会造成电路自我烧毁。论述了CMOS集成电路ESD保护的必要性，研究了在CMOS电路中ESD保护结构的设计原理，分析了该结构对版图的相关要求，重点讨论了在I/O电路中ESD保护结构的设计要求。

1 引言

静电放电会给电子器件带来破坏性的后果，它是造成集成电路失效的主要原因之一。随着集成电路工艺不断发展，CMOS电路的特征尺寸不断缩小，管子的栅氧 厚度越来越薄，芯片的面积规模越来越大，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，而外围的使用环境并未改变，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，如何使 全芯片有效面积尽可能小、ESD性能可靠性满足要求且不需要增加额外的工艺步骤成为IC设计者主要考虑的问题。

2 ESD保护原理

ESD保护电路的设计目的就是要避免工作电路成为ESD的放电通路而遭到损害，保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD，都有适合的低阻旁路将ESD电流 引入电源线。这个低阻旁路不但要能吸收ESD电流，还要能箝位工作电路的电压，防止工作电路由于电压过载而受损。在电路正常工作时，抗静电结构是不工作 的，这使ESD保护电路还需要有很好的工作稳定性，能在ESD发生时快速响应，在保护电路的同时，抗静电结构自身不能被损坏，抗静电结构的负作用(例如输 入延迟)必须在可以接受的范围内，并防止抗静电结构发生闩锁。

3 CMOS电路ESD保护结构的设计

大部分的ESD电流来自电路外部，因此ESD保护电路一般设计在PAD旁，I/O电路内部。典型的I/O电路由输出驱动和输入接收器两部分组成。ESD 通过PAD导入芯片内部，因此I/O里所有与PAD直接相连的器件都需要建立与之平行的ESD低阻旁路，将ESD电流引入电压线，再由电压线分布到芯片各 个管脚，降低ESD的影响。具体到I/O电路，就是与PAD相连的输出驱动和输入接收器，必须保证在ESD发生时，形成与保护电路并行的低阻通路，旁路 ESD电流，且能立即有效地箝位保护电路电压。而在这两部分正常工作时，不影响电路的正常工作。

常用的ESD保护器件有电阻、二极管、双极性晶体管、MOS管、可控硅等。由于MOS管与CMOS工艺兼容性好，因此常采用MOS管构造保护电路。

CMOS工艺条件下的NMOS管有一个横向寄生n-p-n(源极-p型衬底-漏极)晶体管，这个寄生的晶体管开启时能吸收大量的电流。利用这一现象可在 较小面积内设计出较高ESD耐压值的保护电路，其中最典型的器件结构就是栅极接地NMOS(GGNMOS，GateGroundedNMOS)。

在正常工作情况下，NMOS横向晶体管不会导通。当ESD发生时，漏极和衬底的耗尽区将发生雪崩，并伴随着电子空穴对的产生。一部分产生的空穴被源极吸 收，其余的流过衬底。由于衬底电阻Rsub的存在，使衬底电压提高。当衬底和源之间的PN结正偏时，电子就从源发射进入衬底。这些电子在源漏之间电场的作 用下，被加速，产生电子、空穴的碰撞电离，从而形成更多的电子空穴对，使流过n-p-n晶体管的电流不断增加，最终使NMOS晶体管发生二次击穿，此时的 击穿不再可逆，则NMOS管损坏。

为了进一步降低输出驱动上NMOS在ESD时两端的电压，可在ESD保护器件与GGNMOS之间加一个电阻。这个电阻不能影响工作信号，因此不能太大。画版图时通常采用多晶硅(poly)电阻。

只采用一级ESD保护，在大ESD电流时，电路内部的管子还是有可能被击穿。GGNMOS导通，由于ESD电流很大，衬底和金属连线上的电阻都不能忽 略，此时GGNMOS并不能箝位住输入接收端栅电压，因为让输入接收端栅氧化硅层的电压达到击穿电压的是GGNMOS与输入接收端衬底间的IR压降。为避 免这种情况，可在输入接收端附近加一个小尺寸GGNMOS进行二级ESD保护，用它来箝位输入接收端栅电压，如图1所示。

　　图1 常见ESD的保护结构和等效电路。

二极管是一种具有两个电极的器件，它容许电流从一个方向流过，由于这个特点，在电路当中，二极管经常被用来当做反向阻断来使用。利用二极管的两种工作状态，能够形成限幅电路。限幅电路是指对电路中某一点信号幅度大小进行限制，如果信号没有达到规定的大小，那么限幅电路就不会工作。这一过程就称为二极管限幅电路。那么当限幅电路出现问题时，如何进行故障处理呢？

如图1所示是二极管限幅电路。在电路中，A1是集成电路（一种常用元器件），VT1和VT2是三极管（一种常用元器件），R1和R2是电阻器，VD1~VD6是二极管。

电路分析思路说明

对电路中VD1和VD2作用分析的思路主要说明下列几点：

从电路中可以看出，VD1、VD2、VD3和VD4、VD5、VD6两组二极管的电路结构一样，这两组二极管在这一电路中所起的作用是相同的，所以只要分析其中一组二极管电路工作原理即可。

集成电路A1的①脚通过电阻R1与三极管VT1基极相连，显然R1是信号传输电阻，将①脚上输出信号通过R1加到VT1基极，由于在集成电路A1的①脚与三极管VT1基极之间没有隔直电容，根据这一电路结构可以判断，集成电路A1的①脚是输出信号引脚，而且输出直流和交流的复合信号。确定集成电路A1的①脚是信号输出引脚的目的是为了判断二极管VD1在电路中的具体作用。

集成电路的①脚输出的直流电压显然不是很高，没有高到让外接的二极管处于导通状态，理由是：如果集成电路A1的①脚输出的直流电压足够高，那么VD1、VD2和VD3导通，其导通后的内阻很小，这样会将集成电路A1的①脚输出的交流信号分流到地，对信号造成衰减，显然这一电路中不需要对信号进行这样的衰减，所以从这个角度分析得到的结论是：集成电路A1的①脚输出的直流电压，不会高到让VD1、VD2和VD3导通的程度。

从集成电路A1的①脚输出的是直流和交流叠加信号，通过电阻R1与三极管VT1基极，VT1是NPN型三极管，如果加到VT1基极的正半周交流信号幅度出现很大的现象，会使VT1的基极电压很大而有烧坏VT1的危险。加到VT1基极的交流信号负半周信号幅度很大时，对VT1没有烧坏的影响，因为VT1基极上负极性信号使VT1基极电流减小。

通过上述电路分析思路可以初步判断，电路中的VD1、VD2、VD3是限幅保护二极管电路，防止集成电路A1的①脚输出的交流信号正半周幅度太大而烧坏VT1.

从上述思路出发对VD1、VD2、VD3二极管电路进一步分析，分析如果符合逻辑，可以说明上述电路分析思路是正确的。

二极管限幅电路

分析各种限幅电路工作是有方法的，将信号的幅度分两种情况：

第一种情况，信号幅度比较小时的电路工作状态，即信号幅度没有大到让限幅电路动作的程度，这时限幅电路不工作。

第二种情况，信号幅度比较大时的电路工作状态，即信号幅度大到让限幅度电路动作的程度，这时限幅电路工作，将信号幅度进行限制。

图2集成电路A1的①脚上信号波形示意图

用画出信号波形的方法分析电路工作原理有时相当管用，用于分析限幅电路尤其有效，如图2所示是电路中集成电路A1的①脚上信号波形示意图。

图中，U1是集成电路A1的①脚输出信号中的直流电压，①脚输出信号中的交流电压是“骑”在这一直流电压上的。U2是限幅电压值。