CMOS的閂鎖效應(yīng)：Latch up的原理分析

本篇主要針對CMOS電平，詳細介紹一下CMOS的閂鎖效應(yīng)。

1、Latch up

閂鎖效應(yīng)是指CMOS電路中固有的寄生可控硅結(jié)構(gòu)（雙極晶體管）被觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間存在一個低阻抗大電流通路，導(dǎo)致電路無法正常工作，甚至燒毀電路。

Latch up是指CMOS晶片中，在電源VDD和地線GND(VSS)之間由于寄生的PNP和NPN雙極性BJT相互影響而產(chǎn)生的一低阻抗通路，它的存在會使VDD和GND之間產(chǎn)生大電流；

隨著IC制造工藝的發(fā)展，封裝密度和集成度越來越高，產(chǎn)生Latch up的可能性會越來越大；

Latch up產(chǎn)生的過度電流量可能會使芯片產(chǎn)生永久性的破壞，Latch up的防范是IC Layout的最重要措施之一；

Latch up最易產(chǎn)生在易受外部干擾的I/O電路處，也偶爾發(fā)生在內(nèi)部電路。

2、Latch up的原理分析

Q1為垂直式PNP BJT，基極(base)是nwell，基極到集電極的增益可達數(shù)百倍；Q2是側(cè)面式的NPN BJT，基極為P substrate，到集電極的增益可達數(shù)十倍；Rwell是nwell的寄生電阻；Rsub是substrate電阻。

以上四元件構(gòu)成可控硅（SCR）電路，當(dāng)無外界干擾引起觸發(fā)時，兩個BJT（可控硅結(jié)構(gòu)）處于截止狀態(tài)，集電極電流由C-B的反向漏電流構(gòu)成，電流增益非常小，此時Latch up不會產(chǎn)生。當(dāng)其中一個BJT的集電極電流受外部干擾突然增加到一定值時，會反饋至另一個BJT，從而使兩個BJT因觸發(fā)而同時導(dǎo)通，VDD至GND間形成低阻抗通路，Latch up由此而產(chǎn)生。

3、Latch up的產(chǎn)生原因

實際電路中Latch up產(chǎn)生的原因主要有一下幾種：

芯片一開始工作時VDD變化導(dǎo)致nwell和P substrate間寄生電容中產(chǎn)生足夠的電流，當(dāng)VDD變化率大到一定程度，將會引起Latch up（VDD上電太快導(dǎo)致閂鎖）；

當(dāng)I/O的信號變化超出VDD-GND（VSS）的范圍時，有大電流在芯片中產(chǎn)生，也會導(dǎo)致SCR的觸發(fā)（信號過壓導(dǎo)致閂鎖）；

ESD靜電加壓，可能會從保護電路中引入少量帶電載流子到nwell或substrate中，也會引起SCR的觸發(fā)（ESD導(dǎo)致閂鎖，VDD過壓）；

當(dāng)很多的驅(qū)動器同時動作，負載過大使VDD和GND突然變化，也有可能打開SCR的一個BJT；

nwell側(cè)面漏電流過大。

4、Latch up的防護措施

針對上述產(chǎn)生原因，Latch up的防護方法主要有以下幾個方面入手：

在基體（substrate)上改變金屬的摻雜，降低BJT的增益；

避免source和drain的正向偏壓；

增加一個輕摻雜的layer在重摻雜的基體上，阻止側(cè)面電流從垂直BJT到低阻基體上的通路；

使用Guard ring：P+ ring環(huán)繞NMOS并接GND；N+ ring環(huán)繞PMOS并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另一方面可阻止載流子到達BJT的基極。如果可能，可再增加兩圈ring；

Substrate contact和well contact應(yīng)盡量靠近source，以降低Rwell和Rsub的阻值；使NMOS盡量靠近GND，PMOS盡量靠近VDD，保持足夠的距離在PMOS和NMOS之間以降低引發(fā)SCR的可能；

除在I/O處需采取防Latch up的措施外，凡接I/O的內(nèi)部MOS也應(yīng)接guard ring；

I/O處盡量不使用PMOS(nwell)。

CMOS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，CMOS的內(nèi)部電流能達到40mA以上，很容易燒毀芯片。

針對CMOS的閂鎖效應(yīng)，板級設(shè)計可以從以下幾個方面采取相應(yīng)的防御措施：

在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過規(guī)定電壓，二極管通常選用導(dǎo)通壓降較低的鍺二極管或肖特基勢壘二極管；

芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓；

在VDD和外電源之間加限流電阻，即使有大的電流也不讓它進去，但這種方法降低了電源的利用率，在電流消耗較小的情況下使用；

上電時序：當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關(guān)要按下列順序：開啟時，先開啟COMS電路的電源，再開啟輸入信號和負載的電源；關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和負載的電源，再關(guān)閉COMS電路的電源。

5、guard ring

guard ring是為了防止閂鎖效應(yīng)，隔離噪聲，提供襯底連接的作用。保護環(huán)分為兩種：多數(shù)載流子保護環(huán)和少數(shù)載流子保護環(huán)。guard ring分為兩種：double guard ring和dual guard ring，把兩個P型環(huán)接GND的稱作double guard ring，把通常的P型和N型的稱作dual guard ring。

編輯：hfy