Глава 3. Методы защиты от тиристорного эфекта в устройстве синхронизации и комутации

3.1. Проблема и способы защиты от тиристорного эффекта

В интегральной КМОП-технологии существует потенциальная опасность взаимного расположения элементов, приводящего к образованию паразитных тиристорных структур. Типовой случай такой структуры приведен на рис. 3.1 [7].

Рис. 3.1 - Паразитная тиристорная структура в стандартной КМОП-технологии

Ток в такой p-n-p-n структуре протекает от истока p-канального транзистора, подключенного к питанию, к истоку n-канального транзистора, подключенного к “земле”. Эквивалентная схема паразитного тиристора и его вольт-амперная характеристика показаны на рис. 3.2.

Рис. 3.2 - Паразитный тиристор: а) эквивалентная схема; б) ВАХ

Опасность проявления паразитного тиристорного эффекта возникает в случае, если создаются следующие условия [7]:

• напряжение удержания паразитного тиристора меньше максимального напряжения питания ;

• произведение коэффициентов усиления базового тока транзисторных p-n-p и n-p-n -структур больше единицы:

• Основным механизмом, который приводит к возможности включения тиристора, является инжекция неосновных носителей в карман или в подложку. Инжекция возникает при прямом смещении p-n-переходов, которое возможно в случаях:

• емкостной наводки на p-n-переход или разряда/заряда емкости электрической схемы через p-n-переход, а на канал открытого транзистора (особенно в моменты включения питания или при нестабильном питании (рис. 3.3))

Рис. 3.3 - Паразитные емкостные элементы, способствующие возникновению тиристорной защелки при начале подачи напряжения питания или его нестабильности

• преднамеренного использования режима прямого смещения p-n-перехода (в диодах источников опорного напряжения и т. п.);

• в случае перегрузки входных или выходных цепей, которые приводят к открыванию p-n-переходов защитных структур и внутренних цепей, связанных с выводами ИМС.

Возникновению тиристорного эффекта способствует также генерация неосновных носителей вследствие внешнего воздействия.

Тиристорного эффекта можно избежать, если не создавать условия для его возникновения, т. е. или [6].

Для предотвращения включения паразитного тиристора применяются следующие основные методы:

• расположение элементов, подверженных тиристорному эффекту, на большом расстоянии друг от друга;

• расположение контактов к “земле” и питанию на минимальном расстоянии от активных элементов;

• размещение двойных -контактов на возможном пути протекания тока тиристора в местах подключения к “земле” и источникам питания;

• размещение охранных колец вокруг и между структурами, которые в совокупности могут образовать паразитный тиристор;

• размещение структур, чувствительных к защелкиванию, вдали от источников, приводящих к их включению;

• уменьшение токов, инжектируемых в подложку;

• применение технологических процессов, повышающих устойчивость к тиристорному эффекту (использование дополнительных слоев, изоляция диэлектрическими канавками и т. д.).

• зеркальное расположение транзисторов p- и n-типа относительно друг друга.

Тиристорный эффект является потенциально опасным для узлов входа/выхода, так как на выводы ИС может быть подан потенциал, превышающий напряжение питания, что приведет к инжекции носителей в подложку (карман) [6].

Для защиты схем входа/выхода от тиристорного эффекта, как правило, используются двойные охранные кольца, которые окружают структуры, образующие в совокупности паразитный тиристор (рис. 3.4).

Рис. 3.4 - Использование двойных охранных колец вокруг выходных

n-МОП и p-МОП транзисторов

Увеличение ширин и расстояния между охранными кольцами уменьшает вероятность проявления эффекта защелкивания.

Для защиты внутренних блоков от включения паразитного тиристора используются специальные правила построения топологии [7]. Двойные охранные кольца используются во внутренних схемах только в случае непосредственной или емкостной связи с контактной площадкой или при охране источников инжекции (диодов в прямом включении).

При проектировании топологии необходимо придерживаться требований, предъявляемых к допустимому расстоянию от контакта к земле или питанию до границы активного элемента (рис. 3.5 а). Увеличение сопротивления стоков в местах, подверженных тиристорному эффекту (рис. 3.5 б), способствует увеличению напряжения удержания, что уменьшает вероятность проявления тиристорного эффекта. Использование двойного контакта (рис. 3.5 в) является распространенным методом защиты от тиристорного эффекта во внутренних блоках, в основном в цифровых схемах.

Самым эффективным способом является вариант с использованием замкнутых охранных колец (рис. 3.5 г). Он, как правило, применяется при построении прецизионных аналоговых блоков и в местах, близких к вероятным источникам инжекции неосновных носителей (вблизи диодов и т. д.).

Рис. 3.5 - Примеры топологии внутренних блоков: без специальной антитиристорной защиты (а); с увеличенным сопротивлением стоков (б); с использованием встречных двойных контактов (в); с использованием охранных колец (г)

Между узлами входа/выхода и внутренними блоками рекомендуется:

• использовать дополнительные охранные кольца n- и р-типа (рис. 3.6);

• увеличивать расстояние между узлами входа/выхода и внутренними блоками;

• располагать структуры с одинаковым типом транзисторов, обращенных друг к другу (принцип зеркального расположения) [8].

Рис. 3.6 - Пример расположения охранных колец между узлами

входа/выхода и внутренними блоками