ESD增強(qiáng)型器件推動(dòng)超高頻放大器在汽車電子中的應(yīng)用
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這種新型器件的有效性將在一種超高頻低噪聲放大器LNA中得以展示，這種放大器對(duì)在汽車制造業(yè)中使用非常理想。
現(xiàn)在各種各樣的汽車系統(tǒng)都利用了RF技術(shù)，包括無鍵遙控輸入(RKE)、GPS、衛(wèi)星數(shù)字式聲頻無線電服務(wù)(SDARS)和輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)。這些系統(tǒng)中的每一個(gè)都要求射頻模塊具有成本低、耐用度/強(qiáng)度高的優(yōu)良性能(表1)。
由于RF器件按照越小的尺寸為越高的頻率所使用的這一規(guī)定，所以當(dāng)擊穿電壓下降(從典型值50 V 到3 V左右)的時(shí)候，它們有呈現(xiàn)出更高的電流密度(在一個(gè)典型的晶體管的工作點(diǎn)上大約3mA/μm2或300,000A/cm2)的趨勢(shì)。
擊穿電壓和最適宜的電流密度是由集電極的厚度和所摻雜質(zhì)決定的。對(duì)于一個(gè)高轉(zhuǎn)換頻率，集電極必須要薄。為了得到高增益，所有內(nèi)部寄生電容必須要小，這是橫向尺寸規(guī)格縮小的推動(dòng)因素，但是同時(shí)也使晶體管的ESD更容易損壞。
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嚴(yán)格的晶體管ESD損壞機(jī)制研究表明在器件ESD的強(qiáng)度上仍有提升的空間。分立的BFP460晶體管加入了一些這樣的研究結(jié)果，目的是承受當(dāng)達(dá)到23 GHz的截止頻率時(shí)1500V的人體模型(HBM)脈沖，在1.8 GHz時(shí)有17.5 dB的最大穩(wěn)定增益和1.1 dB的最小噪聲數(shù)字。
最廣泛被使用的ESD 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是HBM，詳見MILSTD 883D 。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)100pF的電容被參考電壓VREF充電。隨后參考電壓被斷開，在測(cè)試中，當(dāng)當(dāng)電容經(jīng)過一系列的1,500Ω電阻接到待測(cè)器件上的時(shí)候又會(huì)被充電。這個(gè)電路裝置可以被看成電流源。
當(dāng)參考電壓為100 V時(shí)，被用來作為對(duì)ESD來說具有器件體積小和靈敏度更高的低噪聲晶體管，而當(dāng)電壓達(dá)到5,000 V時(shí)，則被用作較舊式的，較低性能的大體積晶體管。DUT被認(rèn)為是一種評(píng)定特殊ESD等級(jí)的方式，即在電壓值為VREF的時(shí)候，它能經(jīng)受得住這些測(cè)試的考驗(yàn)，且其性能沒有下降，也沒有出現(xiàn)故障。盡管ESD測(cè)試如今也可能用到晶片上芯片等級(jí)的評(píng)定上，但作為代表的是其已在封裝器件中得以使用。作為一種對(duì)人體標(biāo)準(zhǔn)可供選擇的方法，傳輸線脈沖測(cè)量(TLP)經(jīng)常被用來估計(jì)ESD的容限。
一個(gè)ESD 脈沖最好被理解成器件內(nèi)部的一個(gè)急劇電流波動(dòng)。對(duì)于第一階的近似值來說，假設(shè)在器件經(jīng)歷這個(gè)電流波動(dòng)期間整個(gè)事件發(fā)生的非?？煲灾劣跓崃慷紒聿患皞鞑ズ拖牡脑挘褪怯行У?。結(jié)果，由ESD感應(yīng)電流波動(dòng)引起的溫度上升與電流密度的平方成正比，而且電流密度存在一個(gè)極限值，超過這個(gè)值實(shí)際上就會(huì)使器件中的硅熔化。
事實(shí)上，硅材料的融化會(huì)導(dǎo)致器件故障。由于電流密度是導(dǎo)致器件故障的關(guān)鍵一條，所以具有較大發(fā)射極邊緣面或面積的晶體管就比小一些的更耐用。與普遍看法相反，在集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓VCEO與其阻抗和ESD損壞并沒有相互關(guān)系。
為了提高耐用性，RF集成電路設(shè)計(jì)師們已經(jīng)開發(fā)了ESD內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)，用來幫助保護(hù)ESD靈敏的RF輸入和輸出端免受有害ESD事件的影響。但比較遺憾的是這些保護(hù)結(jié)構(gòu)也在RF端加入了寄生電容，電感和損耗，因此導(dǎo)致其性能下降，同時(shí)也使得這種結(jié)構(gòu)不適合與分立器件(對(duì)性能要求更高)一起使用。
在一個(gè)像雙極晶體管這樣的三引腳器件中，經(jīng)由器件的任意兩個(gè)引腳一共有六種可能的方式來應(yīng)用ESD 脈沖，而未使用的器件引腳仍然是開路(未連接)。通常當(dāng)ESD 脈沖反方向接在PN結(jié)兩端的時(shí)候晶體管最容易損壞。而依賴于特殊半導(dǎo)體工藝技術(shù)，集電極-基極結(jié)通常是微弱的連接在RF晶體管上。
在發(fā)生ESD期間，基極-集電極的空間電荷被壓入高度摻雜質(zhì)的底層(或RF IC中的隱埋層)。這種情形與所謂的Kirk效應(yīng)非常相似。幾乎整個(gè)晶體管的電壓都加在了集電極地層，增強(qiáng)了這個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度(集電極區(qū)域的自由電子密度已經(jīng)超過了摻雜密度)。因?yàn)榧姌O的自由電荷必須被極性相反的電荷補(bǔ)償，它們能夠中和的唯一的區(qū)域就是高度摻雜層(或隱埋層)。就硅而言，如果這個(gè)磁場(chǎng)達(dá)到了大約3×105V/cm的內(nèi)部擊穿磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候，那么大量的撞擊離子就出現(xiàn)了。形成了更多的自由載體(電子和空穴)并發(fā)生逃逸，同時(shí)外部電壓擊穿。在VCEO突變后的這種作用在參考1中被稱為“二次激變”。
ESD脈沖包含的大多數(shù)能量都被釋放在磁場(chǎng)強(qiáng)度最高的地方，這一點(diǎn)增加了局部器件溫度。由于具有內(nèi)在傳導(dǎo)機(jī)制，這反而又增加了自由載體的數(shù)量。借助于一個(gè)正反饋機(jī)制這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始的繼續(xù)下去，結(jié)果，電流會(huì)逐漸聚集一個(gè)越來越小的點(diǎn)上，隨后硅材料會(huì)被融化并燒毀。
在某種程度上，電流路徑上一系列分布阻抗能夠幫助避免ESD感應(yīng)波動(dòng)電流的聚集。
一系列的阻抗使得波動(dòng)電流呈分布狀態(tài)，并能幫助避免隨后的破壞發(fā)生。晶體管單元的細(xì)心設(shè)計(jì)也能幫助避免此類破壞作用。例如，晶體殘缺不完整，邊緣過于鋒利，拐角的斷開都可以導(dǎo)致局部電場(chǎng)強(qiáng)度增加，這些缺陷都是應(yīng)該被避免的。
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一個(gè)減少ESD感應(yīng)磁場(chǎng)的直接方式是通過選擇降低層中摻雜質(zhì)的密度，用來分散相反極性的電荷更加深入的進(jìn)入層內(nèi)。可遺憾的是，這種方法影響了層阻抗(和RF性能)。一種更好的方法是在底層和集電極區(qū)域之間插入一個(gè)過渡層。這個(gè)過渡區(qū)域的摻雜質(zhì)密集度要比活躍的集電極區(qū)域高，但是要比底層的低；盡管如此，它必須要足夠高到使這個(gè)過渡區(qū)在正常的工作中可以被當(dāng)作一個(gè)層(圖1)。這種設(shè)計(jì)方法被運(yùn)用到了BFP460中用來把ESD的容限從300V提升到1500V(具有64um2發(fā)射極區(qū)域的封裝器件)。
評(píng)論