静电原理

二千五百多年前有位名叫泰利斯的希腊人无意中发现如果把琥珀在毛衣上摩擦会产生一种吸力能够把小纸片或羽毛吸起来虽然他并不知道为何会这样但这可说是人类首度发现了电人类于两千五百多年前首度发现了电后来我们又发现了摩擦能产生电就把这种现象称为静电电之使用普及于一般家庭因此使用电气之安全成为人人皆知的生活基本常识但在使用安全上容易被人忽视虽然电为最方便且安全之能源若使用不当或工作时疏忽且缺乏安全知识易导致人员的伤亡及财物损失因此使用时应注意适当的安全防护措施及正确的使用方法电力的使用得当能照明能产生动力能发热而且控制方便又无公害是理想的能源但使用不当会产生火灾会使人触电受伤残废甚至于死亡因此大家要有正确的用电知识及使用方法才能使电力运用达到最大效果危险性降到最低限度现代化的家用电器多习惯之后容易疏忽应设法提醒电的危险性是用电安全上最重要的工作由于证据确认困难即使是详细的调查报告也不容易认定静电是致灾的元凶且静电火花所产生的能量不大故静电常被忽略根据一些工业先进国家较可靠的调查统计在工厂内因静电产生的电击案件每年平均有十分之一的工厂发生静电火花的能量虽小不常造成直接伤亡事故但因静电电击而发生坠落事件造成间接伤亡的情形则非少见比较可能造成静电直接伤亡的工厂以造纸或纸器加工业为多间接伤亡事故曾在印刷墨水油脂加工涂料业发生1Whatiselectrostatics静电是什么所有物体都是由原子组成每一个原子都带有相同数目的质子和电子质子带正电电子带负电正常状况下正负电荷保持平衡而使物体保持电中性当我们将甲乙两个不同的绝缘体摩擦之后如果甲物体的电子跑到乙物体上那么甲物体的正电荷会变得比较多而带正电另一方面乙物体因为从甲物体那边得到额外的电子因此便带负电像这种不同绝缘体因摩擦而带电的情形就叫做静电效应而因静电效应得到电子的一方我们就说它带静电因为这些电在绝缘体上不会自己流走是不会动的电所以叫做静电2Whatiselectriccurrent电流是什么当我们以导线连接电池或发电机正负极的时候因为两极间具有电位差电压因而趋使电荷由高电位能处往低电位能处移动就形成电流备注在物理学中以假想的正电荷流向正极负极为电流的方向事实上正电荷不会移动带负电的电子才会移动因此虚拟的电流和实际的电子流负极正极是不同的千万不要搞错了3Canelectricchargesbeisolated电荷可以分离吗可以呀如右图当我们把带正电或负电的物体接近原本呈电中性正负电荷均匀分布的金属球时因为异性电相吸同性电相斥的关系金属球上的负电荷会向左边移动而正电荷会向另一边移动而使得正负电荷分离99032801gif2027bytes4Howcanwemakeaplasticrulercontainsomecharges如何让塑料尺带电只要拿塑料尺摩擦毛皮头发等不同的绝缘体就能使塑料尺带电至于带的是正电还是负电要看摩擦的东西是什么塑料尺摩擦头发后头发上的电子会跑到塑料尺上而使塑料尺带负电5Whydoesthesweaterswhichwewearinwintercontaincharges为什冬天穿的毛衣会带电冬天当你脱下毛衣时毛衣和头发产生摩擦发生静电效应而带电同时因为毛衣和头发所带的电荷电性相反因而产生中和放电的现象所以在脱下毛衣时有时可以听见微弱的劈劈啪啪声2ticgif148bytes定义电击电流流入人体的现象称为感电或触电电击触电现象的严重程度因触电的人体部位电流通过时间电压高低个人电阻值频率而不同静电静电是由电子的运动造成的发生于相接触的两种不同的物质分离之时在分离的物体上电子产生电荷若这些电荷不能离开则成为静电静电之名由此而来所有的物质中都含有电当它受到外力的影响时便会显现出来电分两种一种为正电一种为负电用布或毛皮毛质布料摩擦产生的塑料尺因摩擦力而使塑料尺带有负电布和毛质布料则带有正电这种因摩擦而产生的电就是所谓的静电静电对日常生活并无太大影响但对如电子业般尖端科技或是药厂等地所需的BiocleanRoomBCR来说却是个大问题会因破坏半导体芯片起火爆炸吸附灰尘等现象而造成生产力低落等问题要解决这些问题就靠导电地坪消除了静电这类肉眼看不见的问题实现更安全清洁的环境对提高生产力有重大贡献何谓ESD静电StaticElectricity可以说是无所不在的任何两个不同材质的物体摩擦都有可能产生静电而当带有静电的物体接触到IC的金属接脚时所产生的瞬间高压放电会经由金属接脚影响内部电路所以说经由静电放电ElectroStaticDischargeESD所引起的损害是造成电子系统失效最大的潜在原因研究指出如果没有静电的保护措施那么有高达50的electricalfailure是由ESD所造成的MOS组件由于它先天上就具有高输入阻抗因此特别容易受到ESD的损害就现代的制程而言MOS的gateoxide厚度约在150200炙k甚至更小那么只要有1520V左右的电压这些氧化层就会受到伤害然而ESD脉冲的峰值常高达数千伏特因此妥善控制ESD以及在芯片中加上ESD保护电路是必要的一般而言产生ESD的来源可以分成两类直接型和间接型所谓直接型就是经由摩擦产生电荷的带电物体因为直接接触到IC的接脚而对IC产生影响间接型的就是因为IC四周的电感电容中的电荷产生变化经由感应的方式来影响IC传统上有四种模型用来仿真ESD产生的情况1HumanBodyModelHBM2MachineModelMM3ChargedDeviceModelCDMhttpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p20JPG4FieldInducedModelFIM如图一所示所谓HumanBodyModel是仿真当一个带有静电的人体接触到IC的一个金属接脚而同时此IC的另一个金属接脚接到地时所产生的静电放电一般而言我们用一对电阻电容来代表人体其中电阻值为15kW电容值为100pFESD保护电路的主要功能是当有ESD发生时在ESD脉冲对被保护的电路造成伤害之前可以提供适当的路径来回避它同时此保护电路又必须强壮到可以消耗ESD脉冲的能量而不会损害到它自己还有就是ESD保护电路必须只有在ESD发生时才会动作其它的时间则是不动作的当然还有很重要的一点是在芯片中加上ESD保护电路不会增加太多成本因此必须尽量利用现有的制程一般来说被用来做为ESD保护电路的组件有下列六种1resistordiffusionorpolyresistor2diode3thinoxideMOS4thickoxidedevice5parasiticbipolarjunctiontransistor6parasiticlateralSCRdevice过去已有很多的研究工作是利用这些组件组合出各种不同的ESD保护电路而申请到专利在这一篇文章中我们就以dualSCRESDprotectioncircuit做为研究的对象来探讨如何利用TCAD软件验证这类电路的设计DualSCRESDProtectionCircuithttpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p211JPG图二是一个我们拿来研究的onchipdualSCRESDprotectioncircuit的切面图httpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p212JPG而图三是此切面对应的电路图httpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p212JPG当一个负的ESD脉冲加在IOpad时图三上半部电路中的Ccl及Cc2会因而产生电流此电流经过Rw之后会产生一个压降因而使得Q2导通同时此httpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p213JPG股电流也会经过Rsub而产生一个压降因而使得Q1也导通如图四所示我们可以看到当IOPAD加上之电压为5V时Veb1和Vbe2很快的增大到足以使Q1和Q2导通同时fieldoxideNMOS也提供一个触发电流给Q1这股电流可以让lateralSCR更快进入导通状态当导通之后在npnp结构中会形成一条低阻抗的路径经由此路径ESD脉冲可以很快的被回避掉而不会httpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p221JPG损害到内部电路图五是我们利用SPICE仿真此电路在HumanBodyModel中放电的情形电容原先是被充电至100V然后突然加上此电路之后电容上的电压变化的情形其中Vin是IOPAD上的电压httpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p212JPG当一个正的ESD脉冲加在IOpad时图三下半部的电路中的Q3会因Vbe大于Vt而很快的导通因而产生一股往下流的电流当此电流流经Rep时产生足够的压降Q4也就被导通因此lateralSCR就被触发了同样的httpwwwnchcgovtwNCHCJournalOtherV4N4p222JPGfieldoxidePMOS也可以加快触发的速度图六是仿真100V之HBM放电情形传统上都是利用SPICE来对此等结构的等效电路做仿真以验证它的有效性如图四所示是加上负的ESD脉冲时节点上的电压波形然而要使用SPICE就必须从制程参数中去撷取各个等效电路组件的值如Cc1Rw等通常那是费时的工作而且撷取出来的值也不是很准确并且利用SPICE来仿真等效电路我们只能观察到在组件端点电压电流的变化情形无法直接观察到组件内部发生的现象以验证理论的正确与否因此如果可以直接由制程方面着手利用现有的制程步骤长出类似图二的结构然后再计算出此结构在不同的偏压时内部各个部份的电压电场分布以及电流流动的情况不仅可以免去撷取等效电路所引发的误差使仿真结果更接近于真实情况以外还可以观察到电路内部发生动作时的机制从而找出可以改善的地方提供电路设计最佳化时的一些参考TCADTechnologyCAD所谓TCAD软件一般而言是指半导体制程仿真软件以及组件仿真软件制程仿真软件可以仿真半导体制程的相关步骤如oxidationionimplantationphotolithography等可以用来仿真在某一制程下所形成的组件结构而组件仿真软件主要利用数值方法来解描述电场及电子电洞的物理方程式以求得组件内部在不同的偏压时的电场分布及电流