惡劣條件下工作的集成電路(IC)不斷將越來越多的功能合并，這就需要改進器件與電路設(shè)計策略，以便提升魯棒性，并盡可能縮減IC面積。由于受到更嚴格的設(shè)計、封裝和成本限制，面向FlexRay、局域互連網(wǎng)絡(luò)和控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器等應(yīng)用的保護架構(gòu)也在進行重新設(shè)計，以便將額外保護元件數(shù)量降至最低，同時提供所需的魯棒性。這些魯棒性要求包括嚴格遵守上電靜電放電 (ESD) 和電磁干擾抗擾度要求。要實現(xiàn)更優(yōu)的收發(fā)器架構(gòu)，最好選擇緊湊及具有高電流處理能力的雙向閉鎖電壓箝位器件。在0.18 μm以下的先進高壓技術(shù)中，這是一項挑戰(zhàn)。此外，這些電壓箝位器件的閉鎖電壓必須略高于±45 V，可變通態(tài)保持電壓通常在±(25–40) V范圍內(nèi)。

用于高壓雙向工作的保護器件在精密通信基礎(chǔ)設(shè)施接口開發(fā)中的重要性越來越明顯。具體而言，單芯片二維控制箝位器件具有低保持電壓、高品質(zhì)因數(shù) (FOM) 比（FOM指單位面積內(nèi)的最大100 ns傳輸線脈沖 (TLP)），消費類應(yīng)用文獻中還提出了自定義雙向閉鎖條件、。目前的雙向?qū)ㄆ骷嬖谙拗?，很難在高應(yīng)力條件下既調(diào)整雙向通態(tài)保持電壓，又不顯著降低響應(yīng)時間和箝位器件的性能。人們已經(jīng)嘗試通過大幅增加器件引腳間距（如NPN晶體管中發(fā)射極和集電極的間距）來調(diào)整通態(tài)保持電壓，以滿足嚴格的上電ESD/EMI要求。理論上，雙極性晶體管的階躍恢復(fù)保持電壓會隨著電流增益的減小而增加。這種設(shè)計調(diào)整通常用于采用傳統(tǒng)智能電源技術(shù)制造的保護器件。另一方面，增加器件引腳間距會對箝位性能造成負面影響，會使得箝位變慢、面積增加，還會導(dǎo)致寄生器件對基板意外擊穿。一種改進后的方法可有效用于汽車IC系統(tǒng)化器件優(yōu)化，優(yōu)化的重點是對箝位雙極性閉鎖特征進行二維技術(shù)計算機輔助設(shè)計分析。這里介紹一種新型三維導(dǎo)通控制技術(shù)，用于在器件通態(tài)響應(yīng)期間進一步優(yōu)化平衡載荷注入，有助于理解這種方法。

本文提出了一種新的方法來實現(xiàn)雙向閉鎖箝位。通過在形成箝位器件兩個引腳的高摻雜有效區(qū)域確定互補“T”形和孤島，高電平注入再生反饋期間的電子驅(qū)動或空穴驅(qū)動小載荷電流增益得到了優(yōu)化，同時還沒有增加期間兩個引腳的間距，從而獲得了緊湊的雙向高壓閉鎖箝位器件，保持電壓在±25和±40 V之間，同時還具備高電流處理能力。

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保護箝位器件定義

圖1 (a) 和 (b) 分別顯示雙向空穴增強傳導(dǎo)性 (BHEC) 與電子增強傳導(dǎo)性 (BEEC) 箝位器件的部分透視圖。兩種結(jié)構(gòu)中還顯示、標注了簡化原理圖。箝位器件的第二個引腳（未顯示）通過在“y”正向創(chuàng)建對稱鏡像來構(gòu)建，處在H-NW和L-NW形成的浮動式n型區(qū)域接口處。高摻雜n+和p+有效區(qū)域具有“T”形三維透視圖陣列，可以實現(xiàn)空穴驅(qū)動或電子驅(qū)動小載荷再生反饋的最佳電流增益調(diào)整和器件啟動時進行高傳導(dǎo)性調(diào)制

圖1，(a) 保持電壓≥ ± 40|V與 (b) 保持電壓≥ ± 25|V時雙向箝位器件的部分透視圖與簡化原理圖。

箝位器件表現(xiàn)為采用標準植入體的簡化組合形式，這在0.18 μm以下的大型雙極性CMOS–DMOS (BCD) 先進工藝中十分常見。具體而言，器件可以無需額外的工藝步驟進行優(yōu)化。BHEC箝位器件顯示一組相互獨立的n+有效區(qū)域孤島，從上方觀察時與“x”方向?qū)R。BHEC箝位器件還包括“T”形p+注入與重組有效區(qū)域，以及在“x”方向延伸的狹長部分，還有一組從“y”正向向中央n型區(qū)域延伸的突出部分。狹長部分形成于n+有效區(qū)域的左側(cè)，用于增強空穴注入及控制原位重組。每個突出部分都在兩個相應(yīng)的n+有效區(qū)域孤島之間的空間中延伸出來。BEEC箝位器件的原理也一樣，只是將“T”陣列和孤島有效區(qū)域定義進行了反轉(zhuǎn)，以增強電子注入效率并增加NPN晶體管Qn1的基極電阻RHPW。

圖2，雙向閉鎖電壓箝位器件等效原理圖虛線上方部分是圖1中部分視圖的等效原理圖。

圖2所示為圖1結(jié)構(gòu)的詳細等效原理圖。注意，n+和p+有效區(qū)域所用的互補“T”形和孤島陣列可增強圖1(a) 中的PNP動作，并加快圖1(b) 中NPN動作的響應(yīng)時間。雙極性動作的相對變化可用于平衡載荷子注入，優(yōu)化雙向電流-電壓(I–V)特性。

為了詳細說明原理圖的結(jié)構(gòu)，在第一個引腳（引腳1）處，n+和p+有效區(qū)域在NPN雙極性Qn1的表面相接觸，且對應(yīng)于發(fā)射極和基極區(qū)域。p+有效區(qū)域還與H-PW和DPW區(qū)域形成的p型區(qū)域電氣連接。DPW會增加深入器件的摻雜濃度，從而導(dǎo)致表面之外浮動式n型區(qū)域和p型區(qū)域之間產(chǎn)生擊穿電壓。該p型區(qū)域可確定電阻RHPW，并形成PNP雙極性Qp的發(fā)射極區(qū)域。

浮動式n型區(qū)域與NPN雙極性Qn1的集電極區(qū)域和PNP雙極性Qp的基極區(qū)域相對應(yīng)。在對稱方向，原理圖第二部分（包括虛線以下的Qn2）表示器件另一部分的等效電路（圖1中未顯示）。除了確定保護箝位特性的基本原理圖之外，寄生PNP雙極性Qparasitic的發(fā)射極、基極和集電極分別由p型區(qū)域、浮動式NBL (H-NW) 和P型基板中的p+有效區(qū)域構(gòu)成。器件采用絕緣硅片工藝制造時，雖然不必考慮Qparasitic問題，但這還是常常會對保護箝位特性造成不良影響，并在大型BCD工藝中產(chǎn)生不必要的基板電流。當(dāng)器件采用大型工藝制造時，兩個箝位器件引腳的間距很近，這種效應(yīng)會有所降低，從而形成高擊穿隔離區(qū)域，增加與器件周圍隔離保護環(huán)的間距，進而在有效縱向與橫向PNP寄生雙極性區(qū)域中產(chǎn)生低增益和高開路基極擊穿。

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保護箝位器件特性

保護箝位器件根據(jù)電路I/O目標操作時的高壓內(nèi)核器件設(shè)計窗口和ESD與EMI應(yīng)力條件仿真相應(yīng)進行優(yōu)化。圖3顯示優(yōu)化后雙向保護箝位器件產(chǎn)生的高應(yīng)力下的電壓與電流瞬態(tài)響應(yīng)。箝位器件顯示閉鎖電壓相似，但保持電壓存在明顯差異。這種差異源自對n+和p+有效區(qū)域“T”形及孤島陣列結(jié)構(gòu)的修改。

當(dāng)PNP（圖2中的Qp）空穴驅(qū)動動作占主導(dǎo)地位，即可實現(xiàn)針對BHEC箝位器件的高保持電壓，無需改變兩個箝位器件引腳的橫向間距。另一方面，對BEEC箝位器件而言，響應(yīng)時間更快的電子驅(qū)動NPN（圖2中的Qn1）越來越占主導(dǎo)地位，會產(chǎn)生較低的保持電壓，特別適合±25 V以下工作的應(yīng)用。對BHEC而言，較大的p+有效區(qū)域“T”形可為增強空穴注入和PNP動作創(chuàng)造條件。類似地，對BEEC箝位器件而言，“T”形n+有效區(qū)域更大，在這種情況下，可以增強電子注入和NPN動作。高魯棒性的雙向器件結(jié)構(gòu)通常具有低保持電壓，“T”形和孤島結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是讓器件保持高傳導(dǎo)性調(diào)制，同時調(diào)整圖2等效原理圖中嵌入式雙極的增益，以實現(xiàn)通態(tài)響應(yīng)控制。

圖3， 140 V極快TLP施加到受測器件時，圖1(a)和圖1(b)結(jié)構(gòu)的電壓與電流波形對比。

BHEC箝位器件通態(tài)保持電壓高于BEEC箝位器件，因為它的發(fā)射極注入效率較低、基極瞬態(tài)時間較長、空穴載荷子移動性較低，由此產(chǎn)生的PNP電流增益也較低。這些結(jié)構(gòu)不僅優(yōu)化了器件響應(yīng)，適合汽車與工業(yè)應(yīng)用，還可將保護箝位器件的尺寸降至最小，適合不同的目標工作條件。

為了優(yōu)化保持電壓特性，上電ESD與EMI應(yīng)力條件也必須考慮在內(nèi)。參考標準規(guī)格時，短路時8 kV ESD IEC-61000-4-2應(yīng)力的雙峰值電流波形在第一和第二峰值時分別達到接近30和18.5 A，并且會在500 ns內(nèi)衰減，而80 V時，85 V EMI ISO- 7637-3脈沖在峰值電流時約為11 A，衰減時間要長得多（約40 μs）。

圖4，.圖1(a)和(b)結(jié)構(gòu)的準靜態(tài)100 ns TLP雙向I–V特性。

圖4顯示圖1中兩個器件準靜態(tài)100 ns TLP I–V特性的對比情況。這些應(yīng)用中需要考慮的高壓內(nèi)核器件擊穿電壓通常在100 V范圍內(nèi)，這一數(shù)值可作為參考。器件在±40 V以下的正常IC工作時會產(chǎn)生較低的漏電流，從而將能耗及其對電路的影響降至最低。BHEC和BEEC箝位器件均可分別實現(xiàn)高于±40 V和±25 V的最佳目標工作條件，同時保持惡劣工作環(huán)境下具有穩(wěn)定的過應(yīng)力。注意，BEEC箝位器件除了可提供±25 V以上的保持電壓外，還可提供初始高保持電流。這與其使NPN動作更具主導(dǎo)性而產(chǎn)生的應(yīng)力水平相關(guān)。這一特性在箝位器件中很有用，可進一步避免正常工作時的誤觸發(fā)。片內(nèi)評估能夠成功滿足電路設(shè)計性能和上電ESD和EMI魯棒性，同時保持較高的FOM比，分別滿足BHEC和BEEC箝位器件在FOM ≈ 0.15 mA/μm2和FOM ≈ 0.39 mA/μm2范圍內(nèi)的高保持電壓工作。