在高科技设备中使用的许多电子元件都可能因突然的静电放电而损坏或退化,静电放电被称为静电放电(ESD)。晶体管、二极管、激光二极管、光电器件、各种集成电路等元件都对静电放电敏感。许多制造商正在通过优化操作速度来越来越多地推动小型化:器件的ESD灵敏度无疑在增长,需要进一步的措施。静电放电造成的损坏发生在元件制造和使用的每个阶段,无论电光类型如何。
在激光二极管的情况下,一个关键的问题是由电流峰值可以干扰设备的操作。例如,与传统电子元件相比,激光二极管有两种不同的失效模式:一种与构成器件底座的结的失效有关,这必然是电气过载;另一个与光学部件的破碎有关,这必然是能量过载。
防静电功能
静电放电造成的损害分为灾难性损害和潜在损害。当它是灾难性的,电子设备不再工作。当它潜伏时,电子设备即使在放电后仍能继续工作,但随着时间的推移,它会恶化并过早损坏(图1)。
图1:典型ESD信号[来源:德州仪器]
IEC标准提出的等效发生器电路(图2)可以表示典型的ESD信号。电路由Rc充电电阻(50-100 MΩ)、CS储能电容(150 pF±10%)、Rd放电电阻(代表蒙皮总电阻(330 Ω±10%)和EUT(待测设备)组成。CS储能电容器的数值代表人体的静电容量。当第一个开关关闭,第二个开关(放电开关)打开时,电容器处于充电阶段。然后,第一个开关打开,放电开关关闭,然后在图1所示的EUT上发生静电放电。
图2:模拟ESD事件的等效电路
根据对静电放电的敏感程度,部件和设备分为以下三种:
•人体模型(HBM),用于将静电电荷从人体转移到敏感装置;
•用于将静电电荷从带电导体物体(如仪器或金属结构)转移到敏感设备的机器模型(MM);
•电荷装置模型(CDM)用于将静电电荷从敏感物体转移到导体,这发生在静电通过操作或接触在敏感装置上积累,然后与包装材料、工作表面或机器分离时。
可以在数据线上安装一些抑制器以减少ESD瞬态。它们与集成电路并行连接,在数据线和电路的参考部分之间建立一个桥接。ESD保护有多种选择:可控硅二极管,雪崩电视二极管和聚合物器件。
在ESD攻击的情况下,二极管会断开并创建一个低阻抗路径,通过将电流转移到地面来限制电压和峰值电流,从而保护IC。图3比较了典型的ESD峰值电压,没有保护和有电路保护。
图3:有和没有ESD保护的电压信号波形
在给定概率P的情况下,可以从理论分析中推导出一个预测电流I的方便方程:
I > 10a pb (RH)c
A = 4.12 B =−0.645 C =−3.39在以下范围内:置信度为0.95,RH%(相对湿度)为15 - 55,概率P(I) = 0.001 < P < 1。例如,假定RH%为20,只有10%的时间会超过电流,95%的置信度约为> 2.2 a。
一个校准设置,模拟ESD的最小(最差情况)环路阻抗,由RLS系列电路指示。其动态阻抗约为45Ω,因此,ESD电压信号等于测量电流峰值乘以45Ω。因此,在R < 2√(L/C)的RLC网络中,放电为欠阻尼振荡波形,上升时间Tr约等于充电时间常数,即≈10 ns。
如图4所示的经典保护方案考虑了所有电流路径,以避免内部电路中的热(和电)损坏,并考虑了所有电压场景,以避免对栅极氧化物的损坏。Clamp1是I/O平台针对ESD峰值的主要保护设备;钳2和3与电阻隔离,其主要功能是保护输入NMOS缓冲器。钳4和5保护所有电源和地面之间的内部电路。二极管实现为HBM和CDM方法提供了足够的保护。
图4:ESD保护布局示例[来源:德州仪器]
在许多物联网解决方案中使用的GPS、WLAN、Wi-Fi等无线应用;天线可以作为ESD事件进入系统并损坏电路的低阻抗路径。这些应用中的信号频率可以达到15 GHz,这意味着信号路径上的任何容量都必须减少到最小,以避免信号退化。这些信号的峰值电压通常不超过±1v,因此低容量ESD二极管可以保持信号完整性并容忍这些电压波动(图5)。
图5:无线网络保护的框图[来源:德州仪器]
电阻和材料
问题的根源在于静电电荷的积累,这是由于电流通过逸出路线流向地面,以恢复由摩擦电效应改变的平衡(图6)。
图6:摩擦学效应
当两种不同的材料接触时,就会产生摩擦电效应,从而在两个表面之间建立电化学键。电荷从一种材料移动到另一种材料以平衡静电势。一些电子器件,特别是互补金属氧化物半导体(CMOS)和MOSFET晶体管可能会被这些引起高压静电放电的事件意外破坏。
材料中的电荷分布取决于其表面电阻率。在导电和耗散材料中,分布是均匀的,而在绝缘体中则不均匀,在绝缘体中也可能看到电荷致密化。具有KΩ级表面电阻的非常导电的材料具有简洁的耗散时间,如果用作保护装置则会造成损坏。其他导电材料的值高于10 KΩ表现不同,保持合理的耗散程度。对于防静电性能最好的材料,其表面电阻在100 Ω到1000 Ω之间,并被称为“静电耗散”。当表面电阻值超过最大值时,说明存在绝缘材料。
熔融二氧化硅是一种优良的电绝缘体,用于许多光学器件,在高温下保持高电阻率和优异的高频特性。硅氧键电子结构中固有的大带隙导致导电局限于移动离子杂质所携带的电流。电阻率对指数温度也有很强的依赖性。因此,与金属等典型导体不同,电阻率随着温度的升高而降低。
石英玻璃的介电常数约为4,明显低于其他玻璃。这个值在很宽的频率范围内变化很小。低介电常数的原因是,再一次,缺乏高电荷的移动离子,但这也是由硅氧网络的刚度导致的,这使得结构的极化非常低。
激光二极管
大多数电子元件依赖于PN结。激光二极管本质上是一个PIN结,它与之前的不同之处在于增加了一个薄的本征层。仔细检查发现,在开/关序列和静电放电事件(ESD)期间的电压波动是激光二极管失效的两个重要原因。异质结比传统元件中使用的p-n结更容易受到ESD损伤。
过电压或过电压的显著增加会导致局部发热和其他有害现象,在极端条件下,可能会破坏激光二极管。
在电流变化过程中,激光的发射可以增加到最大水平,导致控制反射镜的损坏,即光能密度超过了整体二极管反射镜的反射能力。当这种情况发生时,光学表面永久地失去其反射率,激光二极管不再正常工作。
经典的电子保护装置不能完全保护激光二极管免受静电放电(ESD)和过电压的影响。这些组件的目标是必不可少的,以阻止跨设备终端的最大电压水平达到预设的最大值。
使设计挑战更加复杂的是激光二极管的工作电压会随着时间和温度的变化而变化。例如,一个520nm绿色激光二极管的典型工作电压为6.4 V,最大工作电压为8 V。我们假设选择一个常规ESD保护组件,其块电压为8.1 V,或高于典型工作电压水平25%以上。考虑到1 Ω的动态阻抗,电流增加8倍就会构成严重的危险。
显然,激光二极管不能承受工作电流增加8倍,即使是短时间。
该保护应通过激光二极管监测瞬时电压,包括该电压的任何变化和反向偏置。集成保护电路应该包括一个导数检测器,它监测激光二极管引脚的电压变化。如果检测到电压快速变化的情况,即使在纳秒范围内,该设备也会通过消除电压变化来保护激光(图7)。
图7:激光二极管保护实例
结论
电子电路的保护包括集成适当的器件来保护ESD事件。主要任务是将电荷转移到地面或在任何情况下远离敏感电路部件。为每个设备定义一个ESD保护方案以建立更好的性能是非常重要的,因为它对产品质量有影响。