理解与防范CMOS工艺中的闩锁效应(Latch-up)
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更新于2024-08-03
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"本文详细介绍了闩锁(Latch-up)现象及其保护措施,主要针对CMOS工艺中的固有结构——SCR(Silicon Controlled Rectifier),也就是PNPN结构。文章旨在通过理解SCR结构和latch-up的发生机制,提供防止latch-up的策略,以帮助芯片和系统设计师提升设计的抗latch-up能力。
一、Latch-up原理
Latch-up现象源于CMOS集成电路中的寄生SCR结构。这种结构由两个串联的PNP和NPN晶体管(Q1和Q2)组成,形成一个正反馈环路。当触发电流Itn或Itp使其中一个晶体管进入放大状态时,它会通过另一个晶体管的基极放大电流,形成持续的正向循环,导致电流急剧增加,最终可能导致芯片烧毁。即使移除触发电流,latch-up状态也会维持,因为正反馈环路仍在继续。
二、触发因素
除了基极电流Itn和Itp,电源电压(VDD)或地线(GND)的快速变化(dv/dt问题)也可能触发latch-up。这种情况下,瞬间电压波动可能导致寄生二极管导通,进而激活SCR结构,引起latch-up。
三、保护措施
1. 芯片级保护:设计时可以采用隔离区(Isolation Region)来阻止latch-up电流流过关键电路。此外,增加防护二极管(Clamping Diodes)可以限制电压瞬变的影响,防止电源和地线的快速变化触发latch-up。
2. 版图设计:优化版图布局,避免敏感区域与可能产生高电荷注入的区域过于接近。同时,采用适当的电源和地线网络设计,减小dv/dt效应。
3. 测试与验证:进行latch-up测试以确保设计在实际应用中具有足够的抗latch-up能力。这包括静态和动态测试,以模拟可能触发latch-up的各种情况。
4. 系统级保护:在系统层面,可以使用瞬态电压抑制器(TVS)或ESD保护电路来限制输入信号的尖峰电压,防止对芯片造成损害。
四、结论
理解和预防latch-up是CMOS集成电路设计的关键部分。通过深入理解其原理,采取适当的芯片级和系统级防护措施,可以显著降低latch-up事件发生的可能性,从而提高芯片和系统的可靠性。设计师需要在设计阶段就考虑到这些潜在问题,并在后续的验证和测试中确保latch-up防护的有效性。"
以上内容详细阐述了Latch-up现象的原理、触发因素以及如何通过设计和保护措施来防止latch-up的发生,旨在帮助电子工程师在设计过程中有效地应对这一挑战。
2021-12-22 上传
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woochj
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