Latch up 闩锁效应原理介绍

Latch up 闩锁效应原理介绍

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_42896509/article/details/143273855

Latch up（闩锁效应）是集成电路中一个重要的异常现象，它会导致电路失去控制并可能造成芯片损坏。本文将详细介绍Latch up的原理、形成条件、触发原因以及预防措施，帮助读者深入了解这一现象并掌握相应的应对方法。

Latch up概念

Latch-up是指在集成电路中的一个异常现象，其中两个相反极性的晶体管（PNP和NPN）形成了一个正反馈回路，导致电路失去控制，出现异常电流流过。

Latch up形成原理

在集成电路中，晶体管之间存在PN结。当一个PNP晶体管的集电极连接到NPN晶体管的基极时，如果结反向偏置电压超过一定阈值，就会发生Latch-up现象，如Fig1所示。

正常工作情况下，三极管是截止的，不会发生Latch up。当受到外界来自电源，I/O，ESD静电泄放的干扰时，当一个PNP晶体管被激活时，它通过连接的NPN晶体管的基极转导电流，导致NPN晶体管也被激活，形成一个正反馈回，电流在这个结构里面不断放大，最终超过芯片承受范围，使得芯片被烧坏。

Fig1. CMOS latch up 原理图

Fig2中电路结构左半部分（绿色框）相当于一个P管放大电路，右半部分（灰色框）相当于一个N管放大电路，且它们的输入输出首尾相连，形成一个正反馈环路。当受到干扰时，PNP管打开，PNP管输出端产生电流I1，I1流经NPN管放大成I2又输入到PNP管的基极，从而导致PNP管的输出端电流I1继续增加，I1增加又导致经NPN管放大后的I2增加，从而形成正反馈环路，电流不断增加。具体电流电压变化趋势如下：

Fig2. 等效电路图(SCR-可控硅结构)

Latch-up的结果是，电路中出现一个低电阻的路径（Fig2 红色线条所示），导致异常电流流过，这会导致电路失去控制，可能导致器件的损坏或电路功能的失效。

Latch up发生的条件

• 环路增益大于1（βnpn*βpnp）
• 两个BJT均导通.
• 电源提供的最大电流大于PNPN导通所需的维持电流IH.

Latch up触发原因

• VDD变化导致Nwell和Psub间寄生电容产生足够电流，进而触发Latch up.
• 当I/O信号变换超过VDD/GND范围，会有较大电流产生，也会触发Latch up.
• ESD静电泄放时，会从保护电路中引入载流子到阱和衬底中，也会触发Latch up.
• 负载过大，VDD或GND突变时也可能会触发Latch up.
• 阱侧面漏电流过大，也会触发.

Latch up预防

• 工艺制造时：采用重掺杂的衬底，降低Rsub，减小放大环路增益.
• 采用轻掺杂的外延层，阻止侧向漏电流从纵向PNP到低阻衬底的通路.
• STI隔离，将NMOS/PMOS分开.
• 使用绝缘隔离槽，SOI绝缘体上硅工艺可消除闩锁效应.

Layout设计

• 接触孔数量增加，接触孔尽量靠近active有源区，主要是为了降低Rwell，Rsub.
• 使用Guard ring，一方面降低Rwell，Rsub，一方面阻止载流子到达BJT基极.
• NMOS靠近GND，PMOS靠近VDD并保持足够距离，降低SCR触发的可能.