外文翻译自控

1、可控硅整流器集约模型在静放电中的应用Lifang Lou摘要：本文介绍了基于SPICE仿真软件下可控硅整流器（SCR）在静放电（ESD）保护应用下的等效电路模型。这一模型包含了等效电路、可控硅整流器人体模型及其参数模型。集约模型已作为SPICE软件数据库中可控硅整流器（SCR）标准而使用。同时，也作为元件电气逆向传输参数使用。关键词：集约模型 静放电保护 人体模型 可控硅整流器（SCR） 1 简介 静放电问题在半导体产业中备受关注。近年来，随着CMOS技术向45-nm发展，现代器件的静放电的问题更为突出。虽然可控硅整流器（SCR）安全性及其芯片的静电保护一直得以关注，但关于SCR的集约模型却很

2、少在文献中被提及。Juliano和Rosenbaum开发出一种基于行为建模的编码来描绘可控硅整极速的模型,并为保持其延续性而构造了一个平滑的曲线。在已有模型的基础上,建立了现有设备组成的新模型,而且其额外的辅助电流和电压被设计为适当大小从而不影响其他器件工作。这些组件运用编码技术使系统的平滑型问题得以解决。Zhouet et al提出了行业标准双极晶体管模型(例如,VBIC和BSIM)用于SCR集约模型的主电路。这是一个非常好的方式,但基片中一个重要的二极管特征,放样电流路径在负面防静电的方面却被忽略了。此外，当双极组件存在深N极陷入或存在N -外延层时，模型就会出现不适用状况。本文试图寻找一

3、种高维持低电压触发的可控硅电路用于防静电保护的集约模型。该模型将采用标准电流组件并且不包括任何辅助部件。在此,模型的优点为较高的集成度与硬件和软件的灵活结合使模型有很高的防静电精度。这些改进组成了一个相当完整，准确的可控硅防静电装置。第二部分将集中分析模型开发，模型实施和模型参数的提取。这将是对可控硅整流器的进一步研发，并在第三部分中用脉冲传输技术进行验证。2 发展集约模型的研究HH-LVTSCR的横截面如图1(a)所示。以图1（a）来说明集约模型的建立情况,但该方法也通常在其它可控硅描述中使用。此外,该模型还为人体模型和微集成系统做了余量,在非常严格的条件下此模型也可用于多路通向系统。图1显

4、示的为:(一)高功率的静电特征保护装置，负表示发射极超越PNP双极结晶体管(BJT)连接到阳极。当基极开通时，集电极和发射极都表现为负。这种高功率晶闸管基本上是一个超越耦合装置,引发的雪崩在晶闸管也是一种NPN和PNP的结合。除了NPN型和PNP型 晶闸管,可控硅整理器等效电路还包含PNP型的 BJT(双极结型晶体管),一个NMOS、二极管和一些电阻器,如图1(b)中所示。当可控硅整流器电路与防静电保护装置结合时，阳极呈现高阻态，阴极接地,如图2(a)所示。图2(b)是等效原理图并显示了电流流经路径。在图一(a)横截面中,HH-LVTSCR虚线路径表示目前的负向防静电方向,(b)图为等效HH-

5、LVTSCR电路,虚线是电流流经的路径,触发后各自在基极的防静电方向。象可控硅这类器件结构复杂，很难用解析表达式非常完整的表达其模型，本文发展了一个宏模型。为了能完整的表达该类器件模型, NPN 型晶闸管(包括嵌入式PNP型晶闸管)、PNP型晶体管和NMOS管的VBIC模型、GP模型、BSIM3v3模型分别提出。由于NPN BJT管、包括嵌入式PNP 型晶体管的VBIC模型比其GP模型更加先进和全面而被使用。另外,对复杂的PNP 型晶体管，GP模型更难以完整描述。宏模型方案如图3所示,图中显示了器件各模块内部所有节点的连接。发展的宏模型在下文中给予说明。A、 基底寄生模型如果阴极性的可控硅晶闸

6、管是带正电并且阳极接地，而且其器件能够良好的结合在基底模块中,则通过电流连接其PN结向前偏向。并且, NPN型BJT的发射极和P阱也与基底相连,电流流经有偏向的PN结。此外, NPN型BJT的发射极和P阱的结点也反向偏置。另一方面，如果阳极带正电阴极接地（例如有偏向的情况），则当PNP 型和NPN型BJT的基极集电极结点发生雪崩时，SCR将会被触发。本摘要分析了以往所讨论的二极管,Dsub必须被整合到基底寄生模型中（如图所示）。此外,P阱, n型外延层和晶体管及一个组件都被包含在NPN型晶体管的VBIC模型中。B、基底电阻模型可控硅晶体管触发依赖于底层的电阻RN-Well-1 和RP-Well

7、 (见图1)。触发前一个非常小的饱和电流利用了这两种电阻的抗性,如图中虚线所示。设备被触发后相当大的电流射进n 阱和p阱。从发射源的PNP型和NPN 型晶体管有较低的电流通过RN源泉和RP源泉。如图1(b)中虚线所指位置。其余两个电阻RN-Well-2和Rsub(见图1(b)与基层二极管相连，Dsub也需要包含在可控硅晶体管的宏模型中。C、 负特性模型当反向偏压时,高功率晶体管表现为正向偏压二极管。则在这种情况下,晶体管的p阱/n阱和P基底/n阱前锋有偏向，这时晶体管的P基底/n阱结点被模拟为Dsub。这种电流路径表示在图1 P2(a)中。P阱和n阱交界处是PNP型和NPN型 BJTs的基极和

8、集电极的结点并为GP模型和VBIC模型独立模仿。电流经过二极管的路径表示在图1(a)中的P3。在此有一个以上的电流路径经过基极集电极交界处的PNP型BJT并且表示在图1(a)中的P1。PNP型BJT的GP模型非常精准。而另一方面,VBIC模型需要用NPN型晶体管主要是由于晶体管的寄生震荡的存在。我们发现,如果是GP模型而不是VBIC模型所用的NPN型 BJT,该模式将不适用于负极的可控硅晶闸管，并且,在此情况下,路径P2和P3还要被考虑到。在此用增加额外二极管的方法来解决不能工作的问题, 作为额外的二极管将模仿P阱/n阱结点并且使宏模型的特性变得不准确图2(a)表示静电保护设备SCR (b)放

9、电电流在防静电装置的正负极被截流D、雪崩时模型在正向偏置条件下，雪崩击穿控制可控硅的触发和传导。在传统方法中，其中有一个是以可控硅为基础的两个耦合的PNP与NPN电晶体，雪崩产生的电流并联到基极集电极结点处n + / p-well如图1(a)的IBRK的经典表达如下所示VBRK是晶体管的基准电压, VBC为此路的电压降,如果有偏漏，n通常是等于两个。无论是指令或动作都需要在可控硅整流器模型中设置这一配套装置，这种方法会显著降低仿真速度，并可能诱发收敛。我们的方法是用VBIC和 BSIM3v3模型缓解这一缺点,使所有必要的电流源镶嵌在这些模型中。在BSIM3v3模型中给出Isub电流 其中Lef

10、f沟道长度有效,Vdseff为漏源极有效电压,Vdsat是饱和漏源极电压，不考虑Idsa漏极电流的影响,0,1电离,0是相应的参数电离系数并影响当前的扩展能力。在基极集电极交界处晶体管的雪崩电流是模仿VBIC模型方法从超前电流中得到的。集电极电流表现为Icc-n-p-n / Ibc-n-p-n如图3, (IccIbc)是集电极电流没有雪崩效果,PC为结点处内置电势，MC是结点处的等级系数，Vbci为内在电压降,AVC1和AVC2是电力参数影响。这两个平行的电流源(2)和(3)正确的描述了SCR触发时雪崩产生的电流。此外,它们还有类似的指数电压依赖, 并在（1）中提供比辅助电流源更合适的电源供系

11、统使用。此外，实施无辅助电流使宏模型要简单很多。我们的简单建模方法提供了更高的仿真速度，更好的灵活性，并有减少分歧的优势。E、大量注入模型器件被触发后有相当大的电子和空穴从辐射源的NPN和PNP 晶体管射入,从而使可控硅晶体管电导率有了很大提高。过多的电流摄入也可以导致调制和电导率从而可以收集电流。这种效应被认为是VBIC模型的准饱和效应。准饱和行为是来模拟实际中的电阻Rci损耗Qbc和Qbcx如图（3），准饱和模型所包含的电流在集电极内部部分。RCI为电阻,GAMM是产品掺杂参数,此后Vbci和Vbcx等于VbiVci和Vbi-Vcx当供电不足时。内在的电阻使Rci不确定。相反,当前的Irc

12、i通过Rci表示为此时有漂移饱和电压以及有HRCF是高电流的因素。F、电容建模结合扩散电容是SCR瞬态行为的重要组成部分。PNP型晶体管的基极集电极和基极发射极结点的触发信号被模仿为GP模型中的Qbe-p-n-p和Qbc-p-n-p(见图3)并且基层电容基片被考虑为二极管器件Dsub中的QD。在NPN晶体管的VBIC模型中，基极发射极和基极集电极有重叠电容，CBEO和CBCO被设置为零，因为它们源于双聚BJT的作用不适用于技术的考虑。基极发射极结点模型和基极集电极结点模型被模拟为自身部分和外部Qbe-n-p-n和Qbex,及Qbc-n-p-n和Qbcx,分别见图3。PNP型的和NPN 型BJTs公用相同的基极集电极节点,因此，基极集电极节点不应该被VBIC模型和GP模型触发两次。由于VBIC模型相对于GP模型来说有更先进的电容模型,所以所设置得GP模型参数CJC是非常小的值,例如仅有0.1%原有的价值。由Qbc-n-p-n和Qbcx给得出的VBIC如下Qjc表示损耗,TR为扩