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CMOS电路ESD保护结构设计方法

来源：发布日期 2025-08-01 13:54:09浏览：-

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1. CMOS工艺简介

CMOS（互补式金属氧化物半导体）是一种在硅质晶圆上集成互补NMOS与PMOS器件的工艺。随着技术发展，电路尺寸不断缩小、栅氧化层变薄。为了应对因芯片面积增加而外围环境（如ESD应力）相对不变的问题，需要优化其静电放电（ESD）保护器件的性能。

2. ESD保护原理

ESD保护电路的核心作用是在芯片引脚间建立低阻旁路路径，将瞬时的大静电电流导向电源线（VDD/VSS），同时箝位电压，从而防止内部工作电路因过压、过流而损坏。对保护结构的关键要求在于：能够快速响应（快速触发）瞬态ESD事件但自身不发生损坏；在ESD事件期间提供稳定有效的保护；并将正常工作时的附加影响（如信号输入延迟的增加、电容负载的增加）控制在可接受范围内，同时还必须确保在正常加电工作期间不会意外触发。

3. CMOS ESD保护结构设计 

ESD电流直接来自外部输入/输出（I/O）引脚，因此保护结构通常位于PAD（焊盘）旁边或集成在I/O电路内部。典型的I/O电路包含输出驱动部分和输入接收器。所有与PAD直接相连的内部器件都需要设计一条低阻旁路（可以利用电阻、二极管、双极性晶体管或MOS管等途径）将电流有效地分散至芯片的电源（VDD）和地（VSS）管脚。其中，NMOS器件由于其良好的CMOS工艺兼容性以及寄生n-p-n晶体管能够吸收大电流的特性，常被用作栅极接地NMOS（GGNMOS）保护结构。需特别注意的是：当漏极-衬底结发生雪崩击穿时产生的电子-空穴对，可能会引发碰撞电离导致局域电流密度过大，从而造成器件本身的损坏。