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Latch-up 效應的發生原理和解決方法

Latch-up 指的是在積體電路中的電源和地線之間形成的短路/低阻抗路徑,導致高電流通過並損壞集成電路。它是由PNP和NPN電晶體之間的相互作用引起。這些結構類似於可控矽(SCR)。它們形成一個正反饋環路,通過短路電源線和地線,最終導致通過高電流,甚至可能永久損壞部件。

Latch-up 形成原因:

由NMOS和PMOS組成的CMOS電晶體。Q1和Q2是其中的寄生晶體管元件。 Q1是雙發射極PNP晶體管,其基極由PMOS的n型井襯底形成,兩個發射極由PMOS的源極和漏極端子形成,集電極由NMOS的襯底(p型)形成。 Q2的情況與此相反。這兩個寄生晶體管形成一個正反饋環路,等效於一個SCR(如前所述)。

Latch-up 形成分析:

除非SCR受到外部干擾觸發,兩個晶體管的集電極電流都由反向洩漏電流組成。但是,如果其中一個雙極晶體管的集電極電流由於干擾暫時增加,產生的正反饋環路將導致電流擾動被β1β2放大,如下所述。干擾可能是輸入或輸出引腳上輸入電壓的突波,導致結擊穿或電離輻射。

因為一個晶體管Q1的集電極電流作為輸入基極電流饋送給另一個晶體管Q2,Q2的集電極電流Ic2 = β2 * Ib2,而這個集電極電流Ic2作為輸入基極電流Ib1饋送給另一個晶體管Q1。通過這種方式,兩個晶體管互相反饋,每個晶體管的集電極電流不斷增加。

SCR器件的淨增益 = β1 * β2

一個迴路中的總電流 = 電流擾動 * 增益

如果β1 * β2 >= 1,即使觸髮乾擾不再存在,兩個晶體管仍將導通高飽和電流。這個電流最終會變得非常大,可能會損壞器件。

Latch-up 預防解決方法:

1)在路徑中放置高電阻,以限制通過電源的電流並使β1 * β2 < 1。

2)用絕緣氧化層(溝槽)將PMOS和NMOS晶體管包圍起來。這會破壞寄生SCR結構。

3)當檢測到 Latch-up 時,使用 Latch-up 保護技術電路來關閉器件。


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