CMOS闩锁效应探究和其几种预防措施

1、cmos闩锁效应探究和其几种预防措施摘要：目前以cmos t艺为基础的集成电路制造方 式已经成为当今集成电路产业的主导技术，但早期的cmos 电路由于无法有效预防闩锁效应而并未为人们所接受。文章 先对一个cmos反相器以及它的工作原理进行了详细的介绍, 进而在cmos反相器的基础上对cmos电路中闩锁效应的产生 机理做了充分的分析，提取了用于分析闩锁效应的集总器件 模型，并且获得了闩锁效应的产生条件。通过对闩锁效应内 部原理的认识，我们知道对闩锁效应的抑制或者预防是完全 可以做到的，这可以通过对版图设计规则和对cmos工艺技 术的改进而达到。文章最后根据闩锁效应的产生条件给出了 几种预防闩锁效

2、应的措施。关键词：cmos集成电路；闩锁效应；集总器件模型；深 槽隔离中图分类号：tp391文献标识码：a文章编号： 1009-3044 （2013） 25-5751-041概述以 cmos （compleme nt ary me tal-oxide-semiconductor） 为基本单元的cmos集成电路具有功耗低、抗干扰能力强和 速度快的优点，已成为当今世界lsi（大规模集成电路）、vlsi （超大规模集成电路）和ulsi （甚大规模集成电路）中应用 最为广泛的一种电路结构。但在cmos工艺刚出现的时候， 它并不被集成电路制造者所采纳，原因便在于cmos工艺会 使电路中产生一寄生低阻抗通

3、路，导致闩锁效应，从而造成 电路功能紊乱甚至使电路根本无法正常工作，更有甚者会直 接烧毁电路，这是唯独cmos工艺才会有的特点。但是目前 随着科技的进步，这种效应已经可以采用很多方法（包括从 版图设计和从工艺技术方面）来进行遏制甚至是加以消除， 进而有助于发挥cmos电路的各种优点，为集成电路的发展 带来了极大的便利。2 cmos反相器电路图1为一个cmos反相器的电路结构图，pmos和nmos均 采用增强型，其中pmos管的源极和衬底与电源电压vdd直 接相连，nmos管的源极和衬底与地线gnd相连，pmos管的 漏极和nmos管的漏极相连并引出输出信号vout, pmos管的 栅极与nmo

4、s管的栅极相连并作为输入信号vino当输入信号 vin为高电平逻辑1时，pmos管截止，nmos管导通，输出为 低电平逻辑0；当输入信号vin为低电平逻辑0时，pmos管 导通，nmos管截止，输出为高电平逻辑1。由此可知这个电 路完成了我们常说的“非”的功能，即对输入信号进行反 相。cmos反相器中的nmos管和pmos管都是作为开关器件， pmos管的作用是在其导通时将电路输出拉到高电平，我们称 之为上拉开关；nmos管的作用是在其导通时将输出拉到低电 平，我们称之为下拉开关。由上我们可以看出，当cmos反 相器处于一个稳定状态的时候，pmos和nmos中只有一个导 通，在电源vdd和地线

5、gnd之间并不存在直流导通电流，事 实上，只有电路在两种状态的切换过程中才会有这样的电流 存在，因此它在稳态时的功耗是非常小的，这也是cmos电 路一个非常大的优点。图2是p型衬底的cmos反相器的横截面图。为了能在 p型衬底上面做出pmos,我们需要在其上一片区域掺入与p 型衬底不同的杂质用来形成n阱，并在n阱中加工pmos。这 样，就在一块衬底上制作成了两种管子，再加以外部偏置与 信号，便构成了 cmos反相器。3闩锁效应产生机理由于cmos工艺在电路中采用了阱的结构，这便会产生 寄生的pnpn器件从而在一定条件下导致闩锁效应。如图3 是计及cmos寄生闩锁效应的反相器剖面图。在图中，存在

6、 一个横向的npn双极型晶体管和一个纵向的pnp双极型晶体 管，但是由于物理结构原因，这两个管子实际上都有两个发 射极，因此又可以说是两个横向的npn管和两个纵向的pnp 管。可无论取哪一种说法，都不会影响我们对寄生效应的分 析。对于图中的npn管，p型衬底作为双极型晶体管的基极, n阱则作为集电极；对于pnp管，p型衬底作为集电极，n阱 则作为基极。图3中，rs1和rs2是由于衬底接触或n阱接 触而与本征基区之间产生的电阻，rw1和rw2则是基区与集 电区之间的电阻。这样，这两个晶体管的基极都各自被另外 一个晶体管的集电极所驱动，就构成了一个正反馈回路，这 实际上就形成了一个双端pnpn器件

7、。如果又有栅极控制， 就变成了一个晶闸管。在一定条件下，这个正反馈回路被触发导通，它将会支 配整个电路的行为，这时我们完全可以把反相器部分忽略从 而提取出这个pnpn结构的集总器件模型如图4所示。如果a 点出现电流注入，a点电压即升高，这使得t1的vbe1增大, t1集电极电流增大，导致b点电压vb下降，从而又使t2的 vbe2上升，t2集电极电流增加，结果又抬高了 a点电压， 如果环路增益大于或等于1,这种状态将持续下去，直到两 个晶体管完全导通。这时在电源和地之间会形成大电流通 路，电路即被闩锁。电路如果产生闩锁效应，需要两个必要 条件：1 ) pnpn结构的环路电流增益大于1,亦即 bpnp bnpn21；2)保持电压vhold小于电源电压vddo针对第二个必要条件，我们可以由可控硅器件的