一種低漏電電源鉗位電路的設計與研究

劉瑞雪

（鄭州外國語新楓楊學校，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著科技的發展，晶體管的特征尺寸越來越低，如今，10nm的芯片已經開始在手機端使用了，集成了30億顆的晶體管。然而，尺寸越小，晶體管的柵氧化層越薄，抗靜電沖擊的能力就越低。每年因為靜電放電（Electro-Static Discharge，ESD）原因，導致芯片損壞的金額高達500億美元。如圖1所示，當人體通過摩擦，積累了一定量的靜電荷，當人體觸碰芯片時，電荷從人體轉移到芯片上。若沒有進行靜電的導流，那么靜電流最終會從芯片的某個引腳進，從某個引腳出，即靜電流貫穿整個芯片內部。通常，人體積累的靜電荷可以達到數千伏特，短時間內在芯片引腳上，引發的靜電流可高達數安培，足以將芯片的柵氧化層擊穿，造成芯片永久的失效。因此，研究學者引入了電源鉗位電路，目的是為了在靜電沖擊到來時，讓靜電電流從電源鉗位電路這條路徑進行泄放，避免了電流流向芯片內部，從而減緩芯片受靜電沖擊的影響。此外，為了節省高昂的版圖面積，通常采用晶體管來充當電容，即MOS電容。然而，受工藝影響，傳統MOS電容的柵氧化層的泄漏電流較大。因此，本文將探究導致MOS電容漏電的原因，并通過電路的設計，克服MOS電容的柵氧泄漏電流。

1 傳統電源鉗位電路的設計

傳統結電源鉗位電路通常分為探測單元與觸發泄放單元，如圖2所示。本文，探測單元由電阻和MOS電容構成，可以調節探測單元等效的時間常數值來區分電源正常上電和靜電沖擊事件。通常，電源正常上電情況下，電壓脈沖的上升時間為ms數量級，而靜電沖擊下，電壓脈沖的上升時間則較快，為ns數量級。因此，我們可以設計探測單元等效的RC時間常數為us數量級，即可探測出靜電事件是否發生。此外，反相器和大尺寸的NMOS晶體管構成了觸發泄放單元。

在靜電沖擊到來時，MOS電容來不及充電，此時節點A呈現低電平，通過一級反相器作用，Vg節點為高電平（即NMOS管的柵極為高電平），晶體管開啟，從而形成一條低阻的泄放通道，進行電流的泄放。

當正常上電情況下，由于電源脈沖上升時間比RC時間常數大，因此，MOS電容能夠被及時充滿電荷，其電壓與電源電壓同步增長。因此，節點A一直維持在高電平，經過一級反相器，Vg節點被晶體管Mn1下拉至低電平，此時晶體管Mbig處于關閉狀態，不會影響芯片的正常工作。然而，實際中，由于受工藝的影響，由晶體管構成的MOS電容，將會導致一定的柵氧泄漏電流，MOS將造成部分電壓差，因此節點A的幅值不會等于電源電壓，因此Vg無法被嚴格下拉到低電平，從而造成Mbig亞閾值漏電，由于Mbig晶體管尺寸較大，因此，亞閾值漏電較大，通常達到uA數量級，遠不能被人們所接受。

圖1 靜電放電沖擊芯片電流流向示意圖

2 新型低漏電電源鉗位電路的設計

通過查詢文獻，了解到MOS電容泄漏電流主要由柵極與襯底的電壓差決定。本文進行了如圖3所示的仿真驗證。如仿真所示，中芯國際65nm 1.0V的NMOS管（W=35um，L=25um）構成的MOS電容，其兩端壓差小于0.3V，柵氧化層的漏電幾乎可以忽略不計。隨著，壓差的上升（大于0.3V），泄漏電流呈現較大幅度的上升，在1.0V壓差下，達到了24.5uA的泄漏電流。因此，減少MOS電容泄漏電流最有效的辦法是控制其兩端的壓差低于0.3V。

基于上述的分析，本文設計了一款新型低漏電電源鉗位電路，如圖4所示。下面詳細分析其工作原理。

在靜電沖擊下，由于MOS電容來不及充電，因此節點A處于高電平，Vg節點一方面被晶體管Mp1上拉至高電平，一方面被電阻R2下拉至低電平，由于Mp1的上拉能力更強，因此Vg處于高電平，此時Mbig泄放晶體管開啟，開始靜電流的泄放。同時，反饋管Mn2也開啟，將節點B下拉至低電平，晶體管Mn1處于關閉狀態。在整個靜電沖擊過程中，泄放晶體管Mbig一直維持在開啟狀態，保證了芯片不會受靜電流的沖擊。此外，在靜電沖擊事件結束時候，Mbig柵極將會被電阻R2下拉至低電平，從而保證在靜電沖擊完成后，電源鉗位電路恢復到最初的狀態，即Mbig管處于嚴格關閉狀態。

圖2 傳統MOS電容構成的電源鉗位保護電路

圖3 MOS電容泄漏電流隨兩級壓差的變化情況

圖4 新型低漏電電源鉗位電路

在正常上電下，一方面，節點A跟隨電源電壓同步增長，一方面由于電阻R2的下拉作用，使得Mn2處于關閉狀態，MOS電容持續累積電荷。因此，節點A處于高電平，此時Mp1關閉，Vg節點無法被上拉至高電平，因此，Vg節點主要由R2下拉所控制，處于低電平。同時，由于Mn2無法將B節點下拉至低電平，因此慢慢累積電荷的MOS電容使得B節點為高電平，此時，Mn1晶體管開啟，Vg進一步被下拉至低電平。整個回路處于一個正反饋狀態，Vg節點電壓越來越低，B節點電壓越來越高。因此，穩定下，節點A與節點B的電壓差將達到極小值，因此MOS電容的泄漏電流將會得到極大的改善，同時，泄放晶體管Mbig的柵端達到了極小值，大大減小了在正常工作下的亞閾值漏電電流。

3 Hspice仿真結果

采用Hspice分別對傳統電源鉗位電路和新型電源鉗位電路進行仿真，兩個電路的參數情況見表1。

表1 傳統和新型電源鉗位電路仿真參數表

圖5 傳統和新型電源鉗位電路在正常上電下各節點電壓情況

3.1 正常上電仿真

采用上升時間為0.1ms，幅值為1V的電壓脈沖來模型電源正常上電事件。如圖5所示，左圖為傳統電源鉗位電路，右圖為新型低漏電電源鉗位電路。實驗結果與理論分析一致，即在正常上電情況下，整個過程中，兩個電路Mbig的柵極Vg節點均處于低電平，泄放晶體管處于關閉狀態。區別在于，傳統電源鉗位電路，MOS管的下級板為0V，上級板為A節點的電壓，壓差約為0.8V，MOS電容的漏電電流達到3.61μA，如圖6所示。而，新型低漏電電路，由于引進了反饋晶體管Mn2，從而抬高了MOS電容的下極板的電壓，即為節點B的電壓0.79V，上級板的電壓為A節點的電壓，為1.0v，MOS電容兩端的壓差僅為0.21V。根據圖7所示，MOS電容的泄漏電流僅為9.98nA。

圖6 傳統和新型電源鉗位電路MOS電容的泄漏電流情況

3.2 靜電沖擊仿真

采用上升時間為10ns，幅值為5V的電壓脈沖模擬靜電沖擊事件。如圖7所示，左圖為傳統電源鉗位電路，右圖為新型低漏電電源鉗位電路。從圖中可以看出，整個靜電沖擊過程中，兩個電路泄放晶體管Mbig的柵極電壓Vg均大于4.0V，處于高電平狀態，保證了泄放晶體管維持在開啟狀態，進行靜電荷的泄放。此外，所提出的新型泄漏電流，Vg節點電壓還略高于傳統電路，因此，相同時間下，新型電路Mbig泄放的靜電荷會更多。

圖7 傳統和新型電源鉗位電路在靜電沖擊下各節點電壓情況

結語

本文提出的新型低漏電電源鉗位電路克服了傳統MOS電容受工藝影響導致的柵氧泄漏電流，根據hspice仿真結果顯示，MOS電容的泄漏電流僅為9.98Na。因此，本文提出的新型電路對芯片靜電保護低漏電方向的設計提供了一種了良好的思路。