(33 封私信 / 80 条消息) 闩锁效应(Latch-up)详解 - 知乎

闩锁效应,简称latch-up,是CMOS技术中的一个关键问题,它就像是在NMOS和PMOS之间形成的一个特殊的电路回路。
这个现象之所以重要,是因为它有可能导致整个芯片彻底报废。所以,在质量检测(QUAL测试)中,latch-up是一个必须检查的项目,而且它和静电放电(ESD)防护也是密切相关的。

原理

Latch up 最易产生在易受外部干扰的I/O电路处, 也偶尔发生在内部电路。
Latch up 是指cmos晶片中, 在电源power VDD和地线GND(VSS)之间由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互影响而产生的一低阻抗通路, 它的存在会使VDD和GND之间产生大电流。
Latch-up发生的条件:

  1. 当两个BJT都导通,在VDD和GND之间产生低阻抗通路;
  2. 两个晶体管反馈回路(feedback loop)增益的乘积大于1( β1×β21\beta_1 \times \beta_2 \geq 1 )。
    latch-up的器件截面图和等效电路图.png
    如图所示,在实际的CMOS器件中,P(PMOS的Source/Drain)-N(PMOS的N well)—P(P sub); N(PMOS的N well)—P(P sub)—N(NMOS的Source/Drain )形成两个BJT。

QPNP为一垂直式PNP BJT, 基极(base)是nwell, 基极到集电极(collector)的电流增益β1\beta_1可达数百倍;

QNPN是一侧面式的NPN BJT,基极为P substrate,基极到集电极(collector)的电流增益β2\beta_2可达数十倍;

Rwell是nwell的寄生电阻,其值可以到20kΩ;Rsub是substrate电阻,其值从数百到几欧姆。

QPNP和QNPN形成npnp结构,构成可控硅(Silicon-controlled rectifier: SCR)电路。

当无外界干扰未引起触发时,两个BJT处于截止状态,集电极电流是C-B的反向漏电流构成,电流增益非常小,此时Latch up不会产生。

当其中一个BJT的集电极电流受外部干扰突然增加到一定值时,此时BJT的发射结正偏,电流反馈到另一个BJT,最终的反馈回路引起的电流需要乘以增益β1×β2\beta_1 \times \beta_2,此时为SCR的触发。从而使两个BJT因触发而导通,VDD至GND(VSS)间形成低抗通路,Latch up由此而产生。

如果(β1×β21\beta_1 \times \beta_2 \geq 1 )满足,两个BJT将会持续产生高饱和电流,甚至在没有触发条件的时候。