CMOS数字电路ESD保护电路效应建模与机理研究

发布时间：2019-09-16 15:32

【摘要】：近年来,高功率微波(HPM)对以计算机为代表的数字电路扰乱、毁伤作用以及防护技术研究成为众多学者关注热点。为了进一步分析微波脉冲对数字电路的作用过程与损伤机理,针对数字电路器件级效应研究是其中的一个重要环节。当前,CMOS技术在数字电路系统应用中仍占据主导地位;另一方面,静电(ESD)保护电路广泛存在于CMOS数字电路输入、输出端口,且与器件缓冲、逻辑电路部分相对独立,耦合进入电路的微波脉冲将首先与ESD保护电路产生作用。尽管有学者开展了包含ESD电路在内的CMOS电路单元器件反相器HPM效应与建模研究工作,但相关ESD部分模型并未考虑对ESD脉冲能量泄放通道起着关键作用的寄生电路建模。本论文以CMOS反相器为切入点,重点进行了基于MOSFET晶体管ESD保护电路HPM效应SPICE建模技术研究,结合实验室数字电路HPM效应机理研究基础,构建了一个较为完整的CMOS反相器HPM效应典型电路模型,并进行了微波脉冲注入效应模拟仿真,由此完成了一些HPM效应机理规律分析。首先,基于CMOS数字电路端口ESD保护电路工作原理,优化了MOSFET寄生晶体管与衬底电阻电路参数,构建了ESD保护电路(ggNMOS和gcPMOS)等效电路模型,并进行了单管功能电路模拟计算验证;其次,建立了人体放电模式(HBM)仿真测试电路,使用一个单级反相器作为负载,对具有ggNMOS、gcPMOS电路组合形式的端口ESD保护电路进行功能测试,仿真表明:在HBM测试波形下,本文所构建的ESD保护电路能够有效降低反相器逻辑电路输入ESD电平至敏感电压范围以下,端口放电仿真波形与文献结果取得良好一致;最后,对某多级反相器HPM电路模型(输入端口ESD保护电路采用上述电路拓扑)进行微波脉冲注入HSPICE模拟仿真研究,并对比分析无ESD保护电路的仿真结果,从而了解和掌握ESD保护电路在CMOS数字电路HPM扰乱效应中的作用机理。模拟计算与仿真结果表明:输入端口ESD保护电路具有一定的电容加载滤波效应,使得扰乱阈值增大;在较低载波频率微波脉冲作用下,ESD保护电路ggNMOS与gcPMOS响应保持动态平衡,使得CMOS反相器输入逻辑扰乱电平在略低于VCC/2处达到稳态;而在较高载波频率微波脉冲作用下,ESD保护电路ggNMOS与gcPMOS响应平衡被破坏,CMOS反相器输入逻辑扰乱电平稳态点随微波脉冲频率的继续增大而持续上升。产生这一效应的主要机理是gcPMOS与ggNMOS中少数载流子高频频率响应差异。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN431.2

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本文编号：2536278