TWI499926B - 靜電放電保護元件的模擬等效電路及其模擬方法 - Google Patents

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靜電放電保護元件的模擬等效電路及其模擬方法
本發明實施例是有關於一種模擬等效電路及其模擬方法，且特別是有關於一種靜電放電保護元件的模擬等效電路及其模擬方法。
在積體電路的設計領域中，為了提供晶片傳送或接收輸入或輸出電壓，會在晶片中配置多個的電源輸入介面或電源輸出介面。並且，為防止靜電放電現象所產生的大電流透過電源輸入或電源輸出介面所連接的銲墊來傳送至晶片內部，在電源輸入或輸出介面所連接的銲墊附近，通常會配置靜電放電保護電路以防止大電流傳送至晶片內部。
一般而言，積體電路的設計會透過電路模擬軟體來進行，並且同時模擬積體電路的電氣特性，亦即可正確模擬例如電路中的各個節點的電壓及電流變化。然而，由於模擬軟體無法正 確模擬靜電放電保護電路中的靜電放電保護元件，因此積體電路中的靜電放電保護電路通常是在積體電路製作完成後才進行特性量測。但是，上述量測動作會浪費大量人力，並且在靜電放電保護電路或元件有缺陷的情況下，會造成電路設計的成本。因此，如何透過電路模擬軟體正確模擬靜電放電保護電路中的靜電放電保護元件，則成為進行積體電路設計的一個問題。
本發明實施例提供一種靜電放電保護元件的模擬等效電路及其模擬方法，可透過電路模擬軟體正確模擬靜電保護電路中的靜電放電保護元件。
本發明一實施例的靜電放電保護元件的模擬等效電路，其中模擬等效電路包括一MOS電晶體、一雙載子接面電晶體、一第一電壓電路、一第二電壓電路及一第一電流電路。MOS電晶體具有一等效汲極、一等效閘極、一等效源極及一等效體極，其中等效源極耦接等效源極接腳。雙載子接面電晶體具有一等效集極、一等效射極及一等效基極，其中等效集極耦接等效汲極，等效射極耦接等效源極，等效基極耦接等效體極。第一電壓電路耦接於等效汲極接腳、等效源極接腳與等效汲極之間，用以提供一等效汲極電壓至等效汲極。第二電壓電路耦接於等效閘極接腳、等效源極接腳與等效閘極之間，用以提供一等效閘極電壓至等效閘極。第一電流電路耦接於等效汲極、等效體極接腳與等效體極 之間，用以提供一等效體極電流至等效體極。
本發明實施例提供一種模擬靜電放電保護元件的方法，，模擬方法包括下列步驟。提供具有一等效汲極、一等效閘極、一等效源極及一等效體極的一MOS電晶體，並且使等效源極耦接等效源極接腳。提供具有一等效集極、一等效射極及一等效基極的一雙載子接面電晶體，並且使等效集極耦接等效汲極，使等效射極耦接等效源極，使等效基極耦接等效體極。提供一第一電壓電路，並且使第一電壓電路耦接於等效汲極接腳、等效源極接腳與等效汲極之間，其中第一電壓電路提供一等效汲極電壓至等效汲極。提供一第二電壓電路，並且使第二電壓電路耦接於等效閘極接腳、等效源極接腳與等效閘極之間，其中第二電壓電路提供一等效閘極電壓至等效閘極。提供一第一電流電路，並且使第一電流電路耦接於等效汲極、等效體極接腳與等效體極之間，其中第一電流電路提供一等效體極電流至等效體極。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧模擬等效電路
110‧‧‧第一電壓電路
120‧‧‧第二電壓電路
130‧‧‧第一電流電路
210、230‧‧‧曲線
220、240‧‧‧量測點
D1‧‧‧二極體
IEB‧‧‧等效體極電流
M1‧‧‧N型MOS電晶體
Q1‧‧‧NPN雙載子電晶體
R1~R7‧‧‧電阻
SB‧‧‧等效體極接腳
SD‧‧‧等效汲極接腳
SG‧‧‧等效閘極接腳
SS‧‧‧等效源極接腳
VEB‧‧‧等效體極電壓
VED‧‧‧等效汲極電壓
VEG‧‧‧等效閘極電壓
S310、S320、S330、S340、S350‧‧‧步驟
圖1為依據本發明一實施例的靜電放電保護元件的模擬等效電路的電路示意圖。
圖2A及2B為依據本發明一實施例的觸發電壓及維持電壓的 對照示意圖。
圖3為依據本發明一實施例的靜電放電保護元件的模擬方法的流程圖。
圖1為依據本發明一實施例的靜電放電保護元件的模擬等效電路100的電路示意圖。請參照圖1，在本實施例中，用以模擬靜電放電保護元件的模擬等效電路100設定為具有一等效汲極接腳SD、一等效閘極接腳SG、一等效源極接腳SS及一等效體極接腳SB的開關元件，其中上述靜電放電保護元件例如是閘極接地NNOS電晶體(gate-grounded NMOS，GGNMOS)、閘極電阻接地NNOS電晶體(GRNMOS)、使用RC反相器的NMOS電晶體(RC-inverter NMOS)或是其他MOS電晶體，並且等效汲極接腳SD可用以接收模擬用的汲極電壓，等效閘極接腳SG可用以接收模擬用的閘極電壓，等效源極接腳SS可用以接收模擬用的源極電壓，等效體極接腳SB可用以接收模擬用的體極電壓。並且，模擬等效電路100可建立於電路模擬軟體中，以對靜電放電保護元件進行電路模擬，其中電路模擬軟體例如積體電路模擬軟體(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis,SPICE)。在本實施例中，是以新思科技(Synopsys)所提供的積體電路模擬軟體(HSPICE)來建立模擬等效電路100，但不以此為限，任何可提供相關功能的積體電路模擬軟體均可應用在本案中。在本實施例中，靜電放電保護元件 的模擬等效電路100更包括N型MOS電晶體M1、NPN雙載子(接面)電晶體Q1、第一電壓電路110、第二電壓電路120及第一電流電路130。
電晶體M1具有汲極(對應等效汲極)、閘極(對應等效閘極)、源極(對應等效源極)及體極(對應等效體極)，其中電晶體M1的源極耦接等效源極接腳SS。電晶體Q1具有集極(對應等效集極)、射極(對應等效射極)及基極(對應等效基極)，其中電晶體Q1的集極耦接電晶體M1的汲極，電晶體Q1的射極耦接電晶體M1的源極，電晶體Q1的基極耦接電晶體M1的體極。
第一電壓電路110耦接於等效汲極接腳SD、等效源極接腳SS與電晶體M1的汲極之間，用以提供等效汲極電壓VED至電晶體M1的汲極。第二電壓電路120耦接於等效閘極接腳SG、等效源極接腳SS與電晶體M1的閘極之間，用以提供等效閘極電壓VEG至電晶體M1的閘極。第一電流電路130耦接於電晶體M1的汲極、等效體極接腳SB與電晶體M1的體極之間，用以提供等效體極電流IEB及等效體極電壓VEB至電晶體M1的體極。
在本發明的一實施例中，第一電壓電路110包括電阻R1~R3(對應第一電阻至第三電阻)。電阻R1的第一端耦接等效汲極接腳SD。電阻R2耦接於電阻R1的第二端與等效源極接腳SS之間。電阻R3耦接於電阻R1的第二端與電晶體M1的汲極之間。其中，電阻R1~R3可用以控制等效汲極電壓VED，並且電阻R3可設定模擬等效電路100的觸發電壓(trigger voltage)以符合 對應的等效閘極電壓VEG，亦即可透過增加電阻R3降低模擬等效電路100的觸發電壓，進而可控制模擬等效電路100的驟回曲線特性(snapback curve behavior)。
第二電壓電路120包括電阻R4及R5(對應第四電阻及第五電阻)。電阻R4耦接於等效閘極接腳SG與電晶體M1的閘極之間。電阻R5耦接於電晶體M1的閘極與等效源極接腳SS之間。其中，電阻R4、R5可用以控制等效閘極電壓VEG。在一實施例中，可使用電阻R4、R5比為9：1的關係以得到等效閘極電壓VEG。例如，當等效閘極接腳SG上的電壓(VSG)為1V時，則等效閘極電壓VEG為0.1V(VEG=VSG*(R5/(R4+R5)))。因此，可透過設計不同的電阻R4、R5以控制等效閘極電壓VEG。
第一電流電路130包括二極體D1、電阻R6及R7(對應第六電阻及第七電阻)。二極體D1的陽極耦接電晶體M1的汲極。電阻R6耦接於二極體D1的陰極與電晶體M1的體極之間。電阻R7耦接於電晶體M1的體極與等效體極接腳SB之間。其中，二極體D1、電阻R6、R7可用以控制等效體極電流IEB及等效體極電壓VEB。
依據上述，當例如由正電荷所引發的靜電放電現象發生於等效汲極接腳SD，且電晶體M1及Q1為不導通時，正電荷可經由電阻R1及R3及第一電流電路130流向等效體極接腳SB，此時等效體極電壓VEB可上升。當等效體極電壓VEB上升至高於電晶體Q1的臨界值時，電晶體Q1可導通，亦即靜電放電保護元 件被觸發，以此可實現靜電放電保護元件的基本驟回曲線。
在其他實施例中，若模擬等效電路100欲模擬的靜電放電保護元件為一PMOS電晶體，則電晶體M1可以是PMOS電晶體，電晶體Q1可以是PNP雙載子(接面)電晶體。其中，PMOS電晶體的源極耦接等效源極接腳SS，PNP雙載子(接面)電晶體的射極耦接PMOS電晶體的源極，PNP雙載子(接面)電晶體的集極耦接PMOS電晶體的汲極，PNP雙載子(接面)電晶體的基極耦接PMOS電晶體的體極。並且，二極體D1的陰極耦接PMOS電晶體的汲極，二極體D1的陽極耦接電阻R6。其餘電路結構則類似圖1所示。
並且，由於所使用的元件(如電阻、電晶體、二極體)皆是常用的元件，因此在進行電路模擬時，電路模擬軟體可直接至元件庫連結而導入，因此模擬等效電路100的收斂性(convergence)會較好，亦即電路模擬軟體可透過模擬等效電路100快速地且正確地模擬靜電放電保護元件的電氣特性，其中，此領域通常知識者當可了解收斂性(convergence)的意思，在此不多加敘述。其中，模擬等效電路100的元件屬性可依據所使用的靜電放電保護元件進行調整，亦即可調整模擬等效電路100的電阻R3的阻值以設定模擬等效電路100的觸發電壓，並且可調整模擬等效電路100的參考溫度(temperature reference)以符合對應的維持電壓(holding voltage)。
此外，在本實施例中，電阻R1~R3是耦接成Y型電路，但在其他實施例中，電阻R1~R3可耦接成△型電路，但本發明實 施例不以此為限。
圖2A及2B為依據本發明一實施例的觸發電壓及維持電壓的對照示意圖。請參照圖1、圖2A及圖2B，其中曲線210及230為透過模擬等效電路100進行電路模擬所得到的觸發電壓及維持電壓與等效閘極電壓VEG的對應曲線，量測點220及240為實際透過電路量測靜電放電保護元件所得到的觸發電壓及維持電壓與等效閘極電壓的對應關係。依據圖2A及圖2B所示，模擬等效電路100的電路模擬與實際量測到的數值相似，亦即模擬等效電路100可正確模擬在不同閘極電壓下的靜電放電保護元件的電路特性。
圖3為依據本發明一實施例用以模擬靜電放電保護元件電路特性的模擬方法流程圖，並可以此模擬方法設計適當的靜電放電保護元件以應用在實體電路中。請參照圖3，在本實施例中，靜電放電保護元件的模擬方法包括下列步驟，提供具有等效汲極、等效閘極、等效源極及等效體極的MOS電晶體，並且使等效源極耦接等效源極接腳(步驟S310)。提供具有等效集極、等效射極及等效基極的雙載子接面電晶體，並且使等效集極耦接等效汲極，使等效射極耦接等效源極，使等效基極耦接等效體極(步驟S320)。提供第一電壓電路，並且使第一電壓電路耦接於等效汲極接腳、等效源極接腳與等效汲極之間，其中第一電壓電路提供等效汲極電壓至等效汲極(步驟S330)。提供第二電壓電路，並且使第二電壓電路耦接於等效閘極接腳、等效源極接腳與等效閘極之 間，其中第二電壓電路提供等效閘極電壓至等效閘極(步驟S340)。提供第一電流電路，並且使第一電流電路耦接於等效汲極、等效體極接腳與等效體極之間，其中第一電流電路提供等效體極電流至等效體極(步驟S350)。其中，上述步驟S310、S320、S330、S340及S350的順序為用以說明，本發明實施例不以此為限。並且，上述步驟S310、S320、S330、S340及S350的細節可參照圖1實施例所示，在此則不再贅述。
綜上所述，本發明實施例的靜電放電保護元件的模擬等效電路及其模擬方法，其可透過電路設計使模擬等效電路可正確模擬靜電放電保護元件的電氣特性。並且，靜電放電保護元件的模擬等效電路可利用常用的元件來組成，因此可降低模擬靜電放電保護元件的錯誤率。另外，由於本發明實施例中的元件可由元件庫連結而導入，因此本發明實施例可應用於不支授verilog-a語言的電路模擬軟體中。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧模擬等效電路
110‧‧‧第一電壓電路
120‧‧‧第二電壓電路
130‧‧‧第一電流電路
D1‧‧‧二極體
IEB‧‧‧等效體極電流
M1‧‧‧N型MOS電晶體
Q1‧‧‧NPN雙載子電晶體
R1~R7‧‧‧電阻
SB‧‧‧等效體極接腳
SD‧‧‧等效汲極接腳
SG‧‧‧等效閘極接腳
SS‧‧‧等效源極接腳
VEB‧‧‧等效體極電壓
VED‧‧‧等效汲極電壓
VEG‧‧‧等效閘極電壓

Claims (10)

  1. 一種靜電放電保護元件的模擬等效電路，該模擬等效電路包括：一MOS電晶體，具有一等效汲極、一等效閘極、一等效源極及一等效體極，該等效源極耦接一等效源極接腳；一雙載子接面電晶體，具有一等效集極、一等效射極及一等效基極，其中該等效集極耦接該等效汲極，該等效射極耦接該等效源極，該等效基極耦接該等效體極；一第一電壓電路，耦接於一等效汲極接腳、該等效源極接腳與該等效汲極之間，用以提供一等效汲極電壓至該等效汲極；一第二電壓電路，耦接於一等效閘極接腳、該等效源極接腳與該等效閘極之間，用以提供一等效閘極電壓至該等效閘極；以及一第一電流電路，耦接於該等效汲極、一等效體極接腳與該等效體極之間，用以提供一等效體極電流至該等效體極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電保護元件的模擬等效電路，其中該第一電壓電路包括：一第一電阻，其第一端耦接該等效汲極接腳；一第二電阻，耦接於該第一電阻的第二端與該等效源極接腳之間；以及一第三電阻，耦接於該第一電阻的第二端與該等效汲極之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電保護元件的模擬等 效電路，其中該第二電壓電路包括：一第四電阻，耦接於該等效閘極接腳與該等效閘極之間；以及一第五電阻，耦接於該等效閘極與該等效源極接腳之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電保護元件的模擬等效電路，其中該第一電流電路包括：一第六電阻，其一端耦接該等效體極；一二極體，耦接於該第六電阻的另一端與該等效汲極之間；以及一第七電阻，耦接於該等效體極與該等效體極接腳之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電保護元件的模擬等效電路，其中該MOS電晶體及該雙載子接面電晶體分別為一N型MOS電晶體及一NPN雙載子接面電晶體，或是，該MOS電晶體及該雙載子接面電晶體分別為一P型MOS電晶體及一PNP雙載子接面電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的靜電放電保護元件的模擬等效電路，該靜電放電保護元件為一閘極接地NNOS電晶體(gate-grounded NMOS，GGNMOS)、閘極電阻接地NNOS電晶體(GRNMOS)或使用RC反相器的NMOS電晶體(RC-inverter NMOS)。
  7. 一種模擬靜電放電保護元件的方法，包括：提供具有一等效汲極、一等效閘極、一等效源極及一等效體極的一MOS電晶體，並且使該等效源極耦接一等效源極接腳； 提供具有一等效集極、一等效射極及一等效基極的一雙載子接面電晶體，並且使該等效集極耦接該等效汲極，使該等效射極耦接該等效源極，使該等效基極耦接該等效體極；提供一第一電壓電路，並且使該第一電壓電路耦接於一等效汲極接腳、該等效源極接腳與該等效汲極之間，其中該第一電壓電路提供一等效汲極電壓至該等效汲極；提供一第二電壓電路，並且使該第二電壓電路耦接於一等效閘極接腳、該等效源極接腳與該等效閘極之間，其中該第二電壓電路提供一等效閘極電壓至該等效閘極；以及提供一第一電流電路，並且使該第一電流電路耦接於該等效汲極、一等效體極接腳與該等效體極之間，其中該第一電流電路提供一等效體極電流至該等效體極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的模擬靜電放電保護元件的方法，其中提供該第一電壓電路的步驟包括：提供一第一電阻，並且使該第一電阻的第一端耦接該等效汲極接腳；提供一第二電阻，並且使該第二電阻耦接於該第一電阻的第二端與該等效源極接腳之間；以及提供一第三電阻，並且使該第三電阻耦接於該第一電阻的第二端與該等效汲極之間。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的模擬靜電放電保護元件的方法，其中提供該第二電壓電路的步驟包括： 提供一第四電阻，並且使該第四電阻耦接於該等效閘極接腳與該等效閘極之間；以及提供一第五電阻，並且使該第五電阻耦接於該等效閘極與該等效源極接腳之間。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的模擬靜電放電保護元件的方法，其中提供該第一電流電路的步驟包括：提供一第六電阻，並且使該第六電阻的一端耦接該等效體極；提供一二極體，並且使該二極體耦接於該第六電阻的另一端與該等效汲極之間；以及提供一第七電阻，並且使該第七電阻耦接於該等效體極與該等效體極接腳之間。
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