TWI429052B - 靜電放電防護元件 - Google Patents

Description

靜電放電防護元件

本揭示內容是有關於一種防護元件，且特別是有關於一種靜電放電防護元件。

一般而言，各種電子裝置中均會設置有靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)防護的機制，藉以避免當人體帶有過多的靜電而去觸碰電子裝置時，電子裝置因為靜電所產生的瞬間大電流而導致毀損，或是避免電子裝置受到環境或運送工具所帶的靜電影響而產生無法正常運作的情形。

舉例而言，單一電子元件(如積體電路晶片)中可能具有多種電源區域(power domain)，藉此提供各種所需電源予不同的電路，以供各類型的電路操作。然而，在單一電子元件中設計多種電源區域的方式，通常會導致電子元件本身的靜電放電防護能力變差，使得不同電源區域之間的介面無法有效地進行靜電放電防護，進而發生有內部電路毀損的情形。

本發明實施例提供一種靜電放電防護元件，藉此進行靜電放電防護。

本揭示內容之一技術樣態係關於一種靜電放電防護元件，其包含一第一電晶體以及一第二電晶體。第一電晶體包含第一基體電極、第一電極以及第二電極，第一基體電極與第一電極形成一第一寄生二極體，第一基體電極與第二電極形成一第二寄生二極體。第二電晶體包含第二基體電極、第三電極以及第四電極，第二基體電極與第三電極形成一第三寄生二極體，第二基體電極與第四電極形成一第四寄生二極體。第一基體電極連接於第三電極，第二基體電極連接於第一電極。

本揭示內容之另一技術樣態係關於一種靜電放電防護元件，其包含一第一電晶體以及一第二電晶體。第一電晶體包含第一基體電極、第一電極以及第二電極，第一基體電極、第一電極與第二電極形成一等效電路。第二電晶體包含第二基體電極、第三電極以及第四電極，第二基體電極、第三電極與第四電極形成另一等效電路。第一基體電極連接於第三電極而無二極體串接於第一基體電極和第三電極之間，第二基體電極連接於第一電極而無二極體串接於第二基體電極和第一電極之間。

本揭示內容之又一技術樣態係關於一種靜電放電防護元件，其包含一第一電晶體以及一第二電晶體。第一電晶體包含第一基體電極、第一電極以及第二電極，第一電晶體中具有一第一寄生二極體以及一第二寄生二極體。第二電晶體包含第二基體電極、第三電極以及第四電極，第二電晶體中具有一第三寄生二極體以及一第四寄生二極體。第一寄生二極體、第二寄生二極體、第三寄生二極體以及第四寄生二極體係用以選擇性地傳導第一電極、第二電極、第三電極以及第四電極中二者間相對之靜電放電電流。

根據本揭示之技術內容，應用前述靜電放電防護元件，可有效地增強整體電路的靜電放電防護，藉此提升導通靜電放電電流的能力。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。

關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍。

第1圖係依照本發明實施例繪示一種靜電放電防護元件的示意圖。靜電放電防護元件100包含第一電晶體110以及第二電晶體120，其中第一電晶體110包含一第一基體(bulk)電極112以及兩電極114、116，第二電晶體120包含一第二基體電極122以及兩電極124、126，而第一基體電極112連接於電極124，第二基體電極122連接於電極114。在本實施例中，第一基體電極112與電極114、116分別形成寄生二極體D1、D2，且第二基體電極122與電極124、126分別形成寄生二極體D3、D4。

實作上，第一電晶體110和第二電晶體120可各自為一雙載子接面電晶體(BJT)或一金氧半導體場效電晶體(MOSFET)。舉例來說，第一電晶體110和第二電晶體120兩者可均為NPN型或PNP型雙載子接面電晶體，此時上述第一基體電極112和第二基體電極122可作為雙載子接面電晶體的基極。此外，第一電晶體110和第二電晶體120兩者亦可均為N型或P型金氧半導體場效電晶體。雖然第1圖係繪示兩個N型金氧半導體場效電晶體，但本發明實施例並不以此為限，本領域具通常知識者可依實際需求選擇使用適合的電晶體元件。

在第1圖中，由於第一電晶體110的第一基體電極112連接於第二電晶體120的電極124，第二電晶體120的第二基體電極122連接於電極114，且寄生二極體D1、D2、D3、D4可以分別形成於第一電晶體110和第二電晶體120中，因此電極114、116、124、126中二者間相對之靜電放電電流，便可選擇性地透過寄生二極體D1、D2、D3、D4進行傳導，使靜電放電防護操作得以有效執行。

在次一實施例中，對第一電晶體110而言，第一基體電極112與電極114、116可形成一等效電路，對第二電晶體120而言，第二基體電極122與電極124、126可形成另一等效電路。

舉例來說，第一電晶體110和第二電晶體120均為N型或P型金氧半導體場效電晶體，其中第一基體電極112與電極114、116形成一寄生雙載子接面電晶體，而第二基體電極122與電極124、126形成另一寄生雙載子接面電晶體。具體而言，當第一電晶體110和第二電晶體120均為N型金氧半導體場效電晶體時，第一基體電極112與電極114、116可形成一寄生NPN型雙載子接面電晶體，且第二基體電極122與電極124、126可形成另一寄生NPN型雙載子接面電晶體。當第一電晶體110和第二電晶體120均為P型金氧半導體場效電晶體時，第一基體電極112與電極114、116可形成一寄生PNP型雙載子接面電晶體，且第二基體電極122與電極124、126可形成另一寄生PNP型雙載子接面電晶體。

另一方面，在另一實施例中，上述第一基體電極112連接於電極124，且無任何二極體串接於第一基體電極112和電極124之間，而第二基體電極122連接於電極114，且無任何二極體串接於第二基體電極122和電極114之間，藉此可於第一電晶體110和第二電晶體120之間省去實體的二極體元件或電路。

在另一實施例中，上述第一基體電極112可直接連接於電極124，而第二基體電極122可直接連接於電極114。在此所稱「直接連接」不僅可表示兩電極間無任何實體元件，也可表示兩電極間存在有大致上不影響電路主要操作和電路佈局面積的電阻或其它元件。

是故，在實作上，於第一電晶體110和第二電晶體120之間便可省去實體的二極體元件或電路，使得當靜電放電防護元件100操作時，寄生二極體D1、D2、D3、D4及/或其所形成之寄生雙載子接面電晶體作為主要的靜電放電防護路徑，選擇性地傳導電極114、116、124、126中二者間相對之靜電放電電流，以達到靜電放電防護的目的。

下列係以例示性的實施例說明上述靜電放電防護元件100的操作情形。第2圖至第5圖係依照本發明實施例繪示一種如第1圖所示之靜電放電防護元件100的操作示意圖。為方便說明起見，第2圖至第5圖主要是以第一電晶體110和第二電晶體120均為N型金氧半導體場效電晶體的實施例來作說明，且電極114、116、124、126分別用以連接至端點C1、A1、C2、A2。下述將以第一基體電極112與電極114、116形成第一寄生NPN型雙載子接面電晶體，且第二基體電極122與電極124、126形成第二寄生NPN型雙載子接面電晶體為例來作說明，惟本發明並不以此為限。

如第2圖所示，當端點A1觸碰到帶正電物體且端點C2觸碰到接地電位GND(或者端點A1觸碰到接地電位GND且端點C2觸碰到帶負電物體)時，第一寄生NPN型雙載子接面電晶體(包括D2、D1)與寄生二極體D3可用以傳導自端點A1流向端點C2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點A1，經過第一寄生NPN型雙載子接面電晶體以及寄生二極體D3，流往端點C2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

如第3圖所示，當端點A1觸碰到帶正電物體且端點A2觸碰到接地電位GND(或者端點A1觸碰到接地電位GND且端點A2觸碰到帶負電物體)時，第一寄生NPN型雙載子接面電晶體(包括D2、D1)與寄生二極體D4可用以傳導自端點A1流向端點A2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點A1，經過第一寄生NPN型雙載子接面電晶體以及寄生二極體D4，流往端點A2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

如第4圖所示，當端點C1觸碰到帶正電物體且端點C2觸碰到接地電位GND(或者端點C1觸碰到接地電位GND且端點C2觸碰到帶負電物體)時，寄生二極體D3可用以傳導自端點C1流向端點C2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點C1，經過寄生二極體D3，流往端點C2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

如第5圖所示，當端點C1觸碰到帶正電物體且端點A2觸碰到接地電位GND(或者端點C1觸碰到接地電位GND且端點A2觸碰到帶負電物體)時，寄生二極體D4可用以傳導自端點C1流向端點A2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點C1，經過寄生二極體D4，流往端點A2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

第6圖係依照本發明另一實施例繪示一種靜電放電防護元件的示意圖。相較於第1圖所示，本實施例中的靜電放電防護元件200主要包含第一電晶體210和第二電晶體220，且第一電晶體210和第二電晶體220均為P型金氧半導體場效電晶體。。在本實施例中，靜電放電防護元件200所包含的元件及其連接關係如第6圖所示，且與第1圖所示實施例相似，故於此不再贅述。下述將以第一基體電極112與電極114、116形成第一寄生PNP型雙載子接面電晶體，且第二基體電極122與電極124、126形成第二寄生PNP型雙載子接面電晶體為例來作說明，惟本發明並不以此為限。

下列係以例示性的實施例說明上述靜電放電防護元件200的操作情形。第7圖至第10圖係依照本發明實施例繪示一種如第6圖所示之靜電放電防護元件200的操作示意圖。

如第7圖所示，當端點A1觸碰到帶正電物體且端點C2觸碰到接地電位GND(或者端點A1觸碰到接地電位GND且端點C2觸碰到帶負電物體)時，寄生二極體D2與第二寄生PNP型雙載子接面電晶體(包括D4、D3)可用以傳導自端點A1流向端點C2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點A1，經過寄生二極體D2以及第二寄生PNP型雙載子接面電晶體，流往端點C2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

如第8圖所示，當端點A1觸碰到帶正電物體且端點A2觸碰到接地電位GND(或者端點A1觸碰到接地電位GND且端點A2觸碰到帶負電物體)時，寄生二極體D2可用以傳導自端點A1流向端點A2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點A1，經過寄生二極體D2，流往端點A2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

如第9圖所示，當端點C1觸碰到帶正電物體且端點C2觸碰到接地電位GND(或者端點C1觸碰到接地電位GND且端點C2觸碰到帶負電物體)時，寄生二極體D1與第二寄生PNP型雙載子接面電晶體(包括D4、D3)可用以傳導自端點C1流向端點C2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點C1，經過寄生二極體D1以及第二寄生PNP型雙載子接面電晶體，流往端點C2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

如第10圖所示，當端點C1觸碰到帶正電物體且端點A2觸碰到接地電位GND(或者端點C1觸碰到接地電位GND且端點A2觸碰到帶負電物體)時，寄生二極體D1可用以傳導自端點C1流向端點A2的靜電放電電流；亦即，靜電放電電流可自端點C1，經過寄生二極體D1，流往端點A2，使得靜電放電電流得以有效釋放，進而達到靜電放電防護的效果。

一般而言，在習知技術所揭示的元件(在此稱習知元件)中，第1圖中所示之第一電晶體110和第二電晶體120通常是相互分隔，如此一來並無法有效地對內部電路進行靜電放電防護。

其次，在進一步習知技術所揭示的防護元件(在此稱習知防護元件)中，即使第一電晶體110和第二電晶體120相互連接，其通常是透過實體的二極體元件作連接，以期達到靜電放電防護的功用，但如此一來會導致電路所需的佈局(layout)區域增大，致使元件(如晶片)面積增加。

相較於上述習知技術而言，應用前述本發明實施例之靜電放電防護元件，可有效地進行靜電放電防護的操作，以便於不同電源區域之間的介面提供有效的靜電放電防護，避免內部電路毀損；亦可達到雜訊隔絕的功效；更可使電路所需的佈局區域減少，元件面積縮減。

第11圖係繪示上述習知元件、習知防護元件與本發明實施例之靜電放電防護元件三者經傳輸線觸波產生器靜電測試(Transmission Line Pulsing，TLP)後的比較圖。由第11圖可知，本發明實施例之靜電放電防護元件相較於習知元件有較佳的靜電放電防護能力，且其靜電放電防護能力與習知防護元件的靜電放電防護能力大致上相同，但相較於習知防護元件具有較小的所需佈局區域和元件面積。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．靜電放電防護元件

110、210．．．第一電晶體

120、220．．．第二電晶體

112．．．第一基體電極

122．．．第二基體電極

114、116、124、126．．．電極

A1、A2、C1、C2．．．端點

D1、D2、D3、D4．．．寄生二極體

第1圖係依照本發明實施例繪示一種靜電放電防護元件的示意圖。

第2圖至第5圖係依照本發明實施例繪示一種如第1圖所示之靜電放電防護元件的操作示意圖。

第6圖係依照本發明另一實施例繪示一種靜電放電防護元件的示意圖。

第7圖至第10圖係依照本發明實施例繪示一種如第6圖所示之靜電放電防護元件的操作示意圖。

第11圖係繪示習知元件、習知防護元件與本發明實施例之靜電放電防護元件三者經傳輸線觸波產生器靜電測試(Transmission Line Pulsing，TLP)後的比較圖。

100．．．靜電放電防護元件

110．．．第一電晶體

120．．．第二電晶體

112．．．第一基體電極

122．．．第二基體電極

114、116、124、126．．．電極

A1、A2、C1、C2．．．端點

D1、D2、D3、D4．．．寄生二極體

Claims (16)

1. 一種靜電放電防護元件，包含：一第一電晶體，包含一第一基體電極、一第一電極以及一第二電極，該第一基體電極與該第一電極形成一第一寄生二極體，該第一基體電極與該第二電極形成一第二寄生二極體；以及一第二電晶體，包含一第二基體電極、一第三電極以及一第四電極，該第二基體電極與該第三電極形成一第三寄生二極體，該第二基體電極與該第四電極形成一第四寄生二極體，其中該第一電晶體和該第二電晶體均為P型電晶體或N型電晶體；其中該第一基體電極連接於該第三電極，該第二基體電極連接於該第一電極。
2. 如請求項1所述之靜電放電防護元件，其中該第一基體電極直接連接於該第三電極，該第二基體電極直接連接於該第一電極。
3. 如請求項1所述之靜電放電防護元件，其中該第一基體電極連接於該第三電極而無二極體串接於該第一基體電極和該第三電極之間，該第二基體電極連接於該第一電極而無二極體串接於該第二基體電極和該第一電極之間。
4. 如請求項1所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體係各自為一雙載子接面電晶體或一金氧半導體場效電晶體。
5. 如請求項1所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體係各自為一金氧半導體場效電晶體，該第一基體電極、該第一電極與該第二電極形成一第一寄生雙載子接面電晶體，該第二基體電極、該第三電極與該第四電極形成一第二寄生雙載子接面電晶體。
6. 如請求項1所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體均為N型電晶體，且該第一基體電極和該第二基體電極係用以連接於一相對低電位端。
7. 如請求項1所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體均為P型電晶體，且該第一基體電極和該第二基體電極係用以連接於一相對高電位端。
8. 一種靜電放電防護元件，包含：一第一電晶體，包含一第一基體電極、一第一電極以及一第二電極，該第一電晶體中具有一第一寄生二極體以及一第二寄生二極體；以及一第二電晶體，包含一第二基體電極、一第三電極以及一第四電極，該第二電晶體中具有一第三寄生二極體以及一第四寄生二極體，其中該第一電晶體和該第二電晶體均為P型電晶體或N型電晶體；其中該第一寄生二極體、該第二寄生二極體、該第三寄生二極體以及該第四寄生二極體係用以選擇性地傳導該第一電極、該第二電 極、該第三電極以及該第四電極中二者間相對之靜電放電電流；其中該第一基體電極連接於該第三電極而無二極體串接於該第一基體電極和該第三電極之間，該第二基體電極連接於該第一電極而無二極體串接於該第二基體電極和該第一電極之間。
9. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中自該第一電極流向該第三電極之靜電放電電流係由該第三寄生二極體加以傳導。
10. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中自該第一電極流向該第四電極之靜電放電電流係由該第四寄生二極體加以傳導。
11. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中該第一寄生二極體係形成於該第一基體電極和該第一電極之間，該第二寄生二極體係形成於該第一基體電極和該第二電極之間，該第三寄生二極體係形成於該第二基體電極和該第三電極之間，該第四寄生二極體係形成於該第二基體電極和該第四電極之間。
12. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中該第一基體電極直接連接於該第三電極，該第二基體電極直接連接於該第一電極。
13. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體係各自為一雙載子接面電晶體或一金氧半導體場效電晶體。
14. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體均為N型電晶體，且該第一基體電極和該第二基體電極係用以連接於一相對低電位端。
15. 如請求項8所述之靜電放電防護元件，其中該第一電晶體和該第二電晶體均為P型電晶體，且該第一基體電極和該第二基體電極係用以連接於一相對高電位端。
16. 一種靜電放電防護元件，包含：一第一電晶體，包含一第一基體電極、一第一電極以及一第二電極，該第一電晶體中具有一第一寄生二極體以及一第二寄生二極體；以及一第二電晶體，包含一第二基體電極、一第三電極以及一第四電極，該第二電晶體中具有一第三寄生二極體以及一第四寄生二極體；其中該第一寄生二極體、該第二寄生二極體、該第三寄生二極體以及該第四寄生二極體係用以選擇性地傳導該第一電極、該第二電極、該第三電極以及該第四電極中二者間相對之靜電放電電流；其中該第一電晶體和該第二電晶體均為N型電晶體，且該第一基體電極和該第二基體電極係用以連接於一相對低電位端。