静电原理.docx

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静电原理

二千五百多年前,有位名叫泰利斯的希腊人,无意中发现,如果把琥珀在毛衣上摩擦,会产生一种吸力,能够把小纸片或羽毛吸起来。

虽然他并不知道为何会这样,但这可说是人类首度发现了「电」。

人类于两千五百多年前首度发现了电,后来我们又发现了摩擦能产生电,就把这种现象称为「静电」。

电之使用普及于一般家庭，因此使用电气之安全成为人人皆知的生活基本常识，但在使用安全上容易被人忽视，虽然电为最方便且安全之能源；若使用不当或工作时疏忽且缺乏安全知识，易导致人员的伤亡及财物损失。

因此使用时应注意适当的安全防护措施及正确的使用方法。

电力的使用得当，能照明、能产生动力、能发热而且控制方便又无公害是理想的能源。

但使用不当，会产生火灾，会使人触电受伤、残废，甚至于死亡。

因此大家要有正确的用电知识及使用方法，才能使电力运用达到最大效果，危险性降到最低限度。

现代化的家用电器多，习惯之后容易疏忽，应设法提醒电的危险性，是用电安全上最重要的工作。

由于证据确认困难，即使是详细的调查报告也不容易认定静电是致灾的元凶，且静电火花所产生的能量不大，故静电常被忽略。

根据一些工业先进国家较可靠的调查统计，在工厂内因静电产生的电击案件，每年平均有十分之一的工厂发生。

静电火花的能量虽小，不常造成直接伤亡事故，但因静电电击而发生坠落事件，造成间接伤亡的情形则非少见。

比较可能造成静电直接伤亡的工厂，以造纸或纸器加工业为多，间接伤亡事故曾在印刷、墨水、油脂加工、涂料业发生。

1.）Whatiselectrostatics?

（静电是什么？

）

所有物体都是由原子组成。

每一个原子都带有相同数目的质子和电子。

质子带正电，电子带负电。

正常状况下，正负电荷保持平衡，而使物体保持电中性。

当我们将甲、乙两个不同的绝缘体摩擦之后，如果甲物体的电子跑到乙物体上，那么甲物体的正电荷会变得比较多而带正电；另一方面，乙物体因为从甲物体那边得到额外的电子，因此便带负电。

像这种不同绝缘体因摩擦而带电的情形，就叫做『静电效应』，而因静电效应得到电子的一方，我们就说它带静电。

（因为这些电在绝缘体上不会自己流走，是不会动的电，所以叫做静电）

2.）Whatiselectriccurrent?

（电流是什么？

）

当我们以导线连接电池或发电机正负极的时候，因为两极间具有电位差（电压），因而趋使电荷由高电位能处往低电位能处移动，就形成电流。

※备注：

在物理学中，以假想的正电荷流向（正极→负极）为电流的方向，事实上，正电荷不会移动，带负电的电子才会移动。

因此，虚拟的电流和实际的电子流（负极→正极）是不同的，千万不要搞错了！

3.）Canelectricchargesbeisolated?

（电荷可以分离吗？

）

可以呀！

如右图：

当我们把带正电（或负电）的物体接近原本呈电中性（正、负电荷均匀分布）的金属球时，因为异性电相吸、同性电相斥的关系，金属球上的负电荷会向左边移动，而正电荷会向另一边移动，而使得正负电荷分离。

4.）Howcanwemakeaplasticrulercontainsomecharges?

（如何让塑料尺带电？

）

只要拿塑料尺摩擦毛皮、头发等不同的绝缘体，就能使塑料尺带电。

至于带的是正电还是负电，要看摩擦的东西是什么。

（塑料尺摩擦头发后，头发上的电子会跑到塑料尺上而使塑料尺带负电）

5.）Whydoesthesweaterswhichwewearinwintercontaincharges?

（为什冬天穿的毛衣会带电？

）

冬天，当你脱下毛衣时，毛衣和头发产生摩擦，发生静电效应而带电，同时因为毛衣和头发所带的电荷电性相反，因而产生中和放电的现象，所以，在脱下毛衣时，有时可以听见微弱的劈劈啪啪声。

定义：

电击：

电流流入人体的现象称为感电或触电，电击（触电现象）的严重程度，因触电的人体部位，电流通过时间，电压高低，个人电阻值,频率而不同。

静电：

静电是由电子的运动造成的，发生于相接触的两种不同的物质分离之时。

在分

离的物体上电子产生电荷。

若这些电荷不能离开，则成为静电，静电之名由此而来。

所有的物质中都含有电,当它受到外力的影响时便会显现出来。

电分两种,一种为「正电」（+）、一种为「负电」（-）。

用布或毛皮、毛质布料摩擦产生的塑料尺,因摩擦力而使塑料尺带有负电,布和毛质布料则带有正电。

这种因摩擦而产生的电,就是所谓的「静电」。

静电对日常生活并无太大影响，但对如电子业般尖端科技或是药厂等地所需的BiocleanRoom（BCR）来说，却是个大问题。

会因破坏半导体芯片、起火、爆炸、吸附灰尘等现象，而造成生产力低落等问题。

要解决这些问题就靠导电地坪。

消除了静电这类肉眼看不见的问题，实现更安全清洁的环境，对提高生产力有重大贡献。

何谓ESD：

静电（Static-Electricity）可以说是无所不在的，任何两个不同材质的物体摩擦，都有可能产生静电。

而当带有静电的物体接触到IC的金属接脚时所产生的瞬间高压放电，会经由金属接脚影响内部电路，所以说经由静电放电（Electro-StaticDischarge,ESD）所引起的损害，是造成电子系统失效最大的潜在原因。

研究指出，如果没有静电的保护措施，那么有高达50％的electricalfailure是由ESD所造成的。

MOS组件由于它先天上就具有高输入阻抗，因此特别容易受到ESD的损害。

就现代的制程而言，MOS的gateoxide厚度约在150-200?

炙k，甚至更小，那么只要有15-20V左右的电压，这些氧化层就会受到伤害，然而ESD脉冲的峰值常高达数千伏特，因此妥善控制ESD以及在芯片中加上ESD保护电路是必要的。

一般而言，产生ESD的来源可以分成两类：

直接型和间接型。

所谓直接型就是经由摩擦产生电荷的带电物体因为直接接触到IC的接脚而对IC产生影响。

间接型的就是因为IC四周的电感电容中的电荷产生变化，经由感应的方式来影响IC。

传统上有四种模型用来仿真ESD产生的情况：

（1）Human-BodyModel（HBM），

（2）MachineModel（MM），（3）Charged-DeviceModel（CDM），（4）Field-InducedModel（FIM）。

如图一所示。

所谓Human-BodyModel是仿真当一个带有静电的人体接触到IC的一个金属接脚，而同时此IC的另一个金属接脚接到地时，所产生的静电放电。

一般而言，我们用一对电阻电容来代表人体，其中电阻值为kW，电容值为100pF。

ESD保护电路的主要功能是当有ESD发生时，在ESD脉冲对被保护的电路造成伤害之前，可以提供适当的路径来回避它，同时此保护电路又必须强壮到可以消耗ESD脉冲的能量而不会损害到它自己。

还有就是ESD保护电路必须只有在ESD发生时才会动作，其它的时间则是不动作的。

当然还有很重要的一点是在芯片中加上ESD保护电路不会增加太多成本，因此必须尽量利用现有的制程。

一般来说，被用来做为ESD保护电路的组件有下列六种：

（1）resistor（diffusionorpolyresistor）；

（2）diode；

（3）thin-oxideMOS；

（4）thick-oxidedevice；

（5）parasiticbipolarjunctiontransistor；

（6）parasiticlateralSCRdevice。

过去已有很多的研究工作是利用这些组件组合出各种不同的ESD保护电路而申请到专利，在这一篇文章中我们就以dual-SCRESDprotectioncircuit做为研究的对象，来探讨如何利用TCAD软件验证这类电路的设计。

Dual-SCRESDProtectionCircuit

图二是一个我们拿来研究的on-chipdual-SCRESDprotectioncircuit的切面图，而图三是此切面对应的电路图。

当一个负的ESD脉冲加在I/Opad时，图三上半部电路中的Ccl及Cc2会因而产生电流，此电流经过Rw之后会产生一个压降，因而使得Q2导通，同时此股电流也会经过Rsub而产生一个压降，因而使得Q1也导通。

如图四所示，我们可以看到当I/OPAD加上之电压为-5V时，Veb1和Vbe2很快的增大到足以使Q1和Q2导通。

同时field-oxideNMOS也提供一个触发电流给Q1，这股电流可以让lateralSCR更快进入导通状态。

当导通之后，在n-p-n-p结构中会形成一条低阻抗的路径。

经由此路径，ESD脉冲可以很快的被回避掉而不会损害到内部电路。

图五是我们利用SPICE仿真此电路在Human-BodyModel中放电的情形，电容原先是被充电至-100V，然后突然加上此电路之后，电容上的电压变化的情形，其中Vin是I/OPAD上的电压。

当一个正的ESD脉冲加在I/Opad时，图三下半部的电路中的Q3会因Vbe大于Vt而很快的导通，因而产生一股往下流的电流，当此电流流经Rep时，产生足够的压降，Q4也就被导通，因此lateralSCR就被触发了。

同样的，field-oxidePMOS也可以加快触发的速度。

图六是仿真+100V之HBM放电情形。

传统上都是利用SPICE来对此等结构的等效电路做仿真以验证它的有效性，如图四所示是加上负的ESD脉冲时，节点上的电压波形。

然而要使用SPICE，就必须从制程参数中去撷取各个等效电路组件的值，如Cc1,Rw等，通常那是费时的工作，而且撷取出来的值也不是很准确。

并且利用SPICE来仿真等效电路，我们只能观察到在组件端点电压电流的变化情形，无法直接观察到组件内部发生的现象，以验证理论的正确与否。

因此如果可以直接由制程方面着手，利用现有的制程步骤，长出类似图二的结构，然后再计算出此结构在不同的偏压时，内部各个部份的电压电场分布以及电流流动的情况，不仅可以免去撷取等效电路所引发的误差，使仿真结果更接近于真实情况以外，还可以观察到电路内部发生动作时的机制，从而找出可以改善的地方，提供电路设计最佳化时的一些参考。

TCAD（TechnologyCAD）：

所谓TCAD软件一般而言是指半导体制程仿真软件以及组件仿真软件。

制程仿真软件可以仿真半导体制程的相关步骤，如oxidation、ionimplantation、photo-lithography等，可以用来仿真在某一制程下，所形成的组件结构；而组件仿真软件主要利用数值方法来解描述电场及电子电洞的物理方程式，以求得组件内部在不同的偏压时的电场分布及电流流动情形。

在这一个研究中，我们主要是利用TMA公司的TSUPREM-4及MEDICI这两个软件来完成仿真的工作。

首先我们利用TSUPREM-4来长出类似图二的结构，如图七所示。

我们所采用的制程是RetrogradeN-WellCMOS的制程，这是由清华大学徐清祥教授所提供的制程。

我们先来看看当在I/OPAD加上一个负的电压时会发生什么现象。

假设其它的端点均是接地。

当瞬间加上负的电压时，N-Well1和P-Substrate变成forward-bias，因此会在很短的时间导通，此时由N+流进之电流可分成三个部份：

（1）流进field-oxideNMOS中，

（2）流进P-Substrate再流进N-Well2，（3）流进P-Substrate再流至SubstrateContact（P+inP-Well），如图七中所示。

其中I1会沿着field-oxideNMOS之表面流进N-Well2中，再沿着N-Well2中电阻比较小的路径流至N+。

同样的，I2也会沿着N-Well2中电阻比较小的路径流至N+。

也就是说I1和I2会合流。

由于I1＋I2在N-Well2中流动（绕过P+）会造成P+和N-Well有一电压差，所以当I1＋I2的值达到某一个值，使得在P+和N-Well之间所造成的压降超过thresholdvoltage时，则P+和N-Well会导通因而触发SCR。

同时由于I1＋I2会在N-Well2中造成压降，因此I3很快的就消失了。

就理论上来看，应该在组件内部可以看到上述的现象发生，因此我们利用MEDICI来仿真此结构以验证上述的现象。

图八所显示的是此结构的I-V关系，我们让I/OPAD上的电压一直增大，来看它所产生的电流。

从这一张图中们可以看出当加在I/OPAD上的电压大于或小于时，这个ESD保护电路才会发生效用。

图九（a）和（b）所示为I/OPAD上的电压分别等于-10V和-12V时的电流分布情形。

由图九（a）中我们可以看出当电压小于触发电压时，只有field-oxideNMOS有电流流通，因为此时的电流还小，无法在N-Well2中造成足够的压降以触发SCR，所以Well和Well之间仅有少量的电流流通，并且是由N+流出；然而当加压电压大于触发电压时，除field-oxideNMOS有电流流通以外，因此时SCR已被触发，所以Well和Well之间有大量的电流流通，而且是由P+流出，如图九（b）所示。

同时我们也利用MEDICI对此结构进行Human-BodyModel的瞬时仿真。

由于收敛性问题的关系，我们假设电容先被充电至-15V，然后进行放电仿真。

图十所显示的是端电压变化的情形。

图十一是在几个重要时间点时，组件内部电流分布情形，我们可以很清楚的发现SCR电路工作的情形。

结论

由仿真结果可以看出SCR电路的触发主要是由于I1＋I2流过N-Well中的等效电阻（Req）造成压降所致，因此要降低SCR触发所需之外部电压或是加快SCR触发的速度，可以从三方面着手：

（1）加大I1的值：

由于I1是field-oxideNMOS所产生的电流，要加大此电流可以（a）减少gate-oxide厚度，也就是field-oxide厚度，或（b）减少channellength，也就是N-Well和N-Well之间的距离。

图十二所示是不同的field-oxide厚度对I-V曲线的影响。

（2）加大I2的值：

由于I2是BJT（N-Well，P-Substrate，N-Well）所产生的电流，要加大此电流可以减少Base的宽度，也就是N-Well和N-Well之间的距离。

（3）加大Rep的值：

由于Rep是电流在N-Well中流过路径的等效电阻，因此可以（a）降低N-Well中的浓度，图十三所示是不同的Wellconcentration对I-V曲线的影响。

（b）加大Well中最高浓度的深度，也就是植入更多高能量的离子，不过这两个方法都会影响到制程，并进而使得MOS更易发生Pinch-off。

（c）增长电流流过的路径长，也就是加大P+和N+之间的距离，图十四所示是P+和N+之间不同的距离对I-V曲线的影响。

不过这一种方法会增加芯片额外的面积。

由仿真结果也可以看出我们选择用来作为ESD保护电路的SCR结构仍有待加强，因为在正常的工作电压下，此电路仍有相当大的漏电流，这对电源供应器的工作生命周期有相当大的影响。

事实上ESD保护电路的运作特性与正常电路的运作是有点背道而驰，任何提升ESD保护电路效率的方法，多多少少都会降低正常电路的运作效率，因此如何在这两者之间取得一个适当的平衡点才是困难的地方。

图1

图2

图3

图4

图5

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图8

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