電路系統(tǒng)中的閂鎖效應(yīng)及其預(yù)防設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)CMOS集成電路的閂鎖效應(yīng)，圍繞實(shí)際應(yīng)用的電路系統(tǒng)中易發(fā)生閂鎖效應(yīng)的幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，提出了采用嚴(yán)格的上電時(shí)序、基于光耦的電路隔離設(shè)計(jì)和熱插拔模塊的接口方法，可以有效地降低發(fā)生閂鎖效應(yīng)的概率，從而提高電路系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞：閂鎖效應(yīng)：上電時(shí)序；光耦；熱插拔

O 引言
毫無(wú)疑問(wèn)，基于CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技術(shù)的集成電路是目前廣泛應(yīng)用的一種電路結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是低功耗、較佳的噪聲抑制能力、很高的輸入阻抗等。而且，CMOS所特有的閂鎖效應(yīng)(latch-up)較早就引起了關(guān)注，在1997年，EIA／JEDEC協(xié)會(huì)就制定了一個(gè)半靜態(tài)的閂鎖效應(yīng)測(cè)試方法，用以測(cè)量集成電路產(chǎn)品的抗閂鎖能力，并定義閂鎖效應(yīng)的失效判定標(biāo)準(zhǔn)。
目前，公認(rèn)的幾個(gè)引起IC閂鎖效應(yīng)的內(nèi)在原因有：
(1)外界信號(hào)或者噪聲干擾，一般為I／O口處的信號(hào)翻轉(zhuǎn)易使寄生NPN與PNP獲得正偏狀態(tài)；
(2)寄生三極管的電流放大系數(shù)偏大，滿足βn×βp≥1；
(3)襯底和阱內(nèi)分布電阻分布不合理；
(4)電源能提供的電流大于等于寄生晶閘管的維持電流。
因此，在制造CMOS集成電路時(shí)，可采用如外延襯底、倒摻雜阱、絕緣體基硅外延技術(shù)和保護(hù)環(huán)等技術(shù)，以避免閂鎖效應(yīng)。
具體應(yīng)用集成電路時(shí)，應(yīng)避免如下情況：
(1)器件I／O管腳電壓超過(guò)器件供電電壓或低于地電壓；
(2)信號(hào)在I／O管腳上電壓或電流變化太快；
(3)器件電源管腳上出現(xiàn)浪涌或跌落。
為克服具體應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的閂鎖效應(yīng)，宋慧濱等在功率集成電路的高低壓之間做了一道接地的保護(hù)環(huán)，將閂鎖觸發(fā)電壓提高一個(gè)數(shù)量級(jí)；程曉潔等設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓器的foldback過(guò)流保護(hù)電路，不僅較好地保護(hù)穩(wěn)壓器，降低系統(tǒng)損失的功耗，同時(shí)也降低了可能出現(xiàn)的閂鎖效應(yīng)概率；王源等提出了一種新型ESD鉗位保護(hù)電路結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到抑制閂鎖效應(yīng)的目的；張偉功等研究表明：輻射感生的閂鎖與電氣感生的閂鎖在很多方面是相同的，但在觸發(fā)機(jī)理和動(dòng)態(tài)行為上存在一定差異，并提出基于LDO的限流技術(shù)，以期在閂鎖效應(yīng)發(fā)生時(shí)，首先能安全防護(hù)不損傷器件，其次能受控恢復(fù)。文獻(xiàn)從版圖級(jí)、工藝級(jí)、電路應(yīng)用級(jí)等三個(gè)方面介紹了抗閂鎖措施，特別指出：具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在電源線較長(zhǎng)的地方注意電源退耦和對(duì)電火花箝位，以及輸入信號(hào)不得超過(guò)電源電壓、加限流電阻等方法。這些措施都有助于避免、降低或消除閂鎖的形成。
迄今，盡管閂鎖效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理也比較清楚，但由于器件尺寸愈來(lái)愈小，操作頻率愈來(lái)愈快，其承受過(guò)電流的能力持續(xù)降低，發(fā)生瞬時(shí)觸發(fā)閂鎖效應(yīng)的威脅與日俱增，其觸發(fā)機(jī)制依然錯(cuò)綜復(fù)雜，很難經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的安全區(qū)計(jì)算或簡(jiǎn)單的工藝措施將其避免，閂鎖現(xiàn)象是一個(gè)一直并將繼續(xù)影響CMOS器件可靠性的潛在的嚴(yán)重問(wèn)題。