latch up闩锁效应及解决方法
latch-up闩锁效应
• Latch up 的定义 • Latch up 的原理分析 • 产生 Latch up 的具体原因 • 防止 Latch up 的方法
Latch up 的定义
Latch up 最易产生在易受外部干扰的I/O电路处, 也偶尔 发生在内部电路
Latch up 是指cmos晶片中, 在电源power VDD和地线 GND(VSS)之间由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互 影响而产生的一低阻抗通路, 它的存在会使VDD和 GND之间产生大电流
BJT到低阻基体上的通路 • 使用Guard ring: P+ ring环绕nmos并接GND；N+ ring环绕pmos 并
接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另一方面可阻止 栽子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。 • Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell和 Rsub的阻值。 • 使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,保持足够的距离在 pmos 和nmos之间以降低引发SCR的可能 • 除在I/O处需采取防Latch up的措施外，凡接I/O的内部mos 也应圈 guard ring。 • I/O处尽量不使用pmos(nwell)
• Emitter-Base齐纳管有100~300欧姆的 内阻， NSD/P-epi和PSD/N-well齐纳 管的内阻则更大，这些内阻大大提高 了齐纳管的耐压性，同时也会使PAD 上出现高于理论值几十伏的电压，这 种特点大大限制了齐纳箝位保护电路 的应用。
PAD
D1
NMoat
Metal connecting to pad
Poly resistor
闩锁效应
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
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电流试验
电流试验时，通过试 验端向器件注入一定 量的 电流，检查在该 注入电流下，电路是 否会进 入闩锁状态。
注入电流包括正电流和负电流两个极性。 试验端的状态包括逻楫高和逻辑低两个状态。 正注 入电流的一般是100mA +Inom或
1.5Inom 中的 数量大的一个。 负注入电流的一般是—100mA 或—0.5Inom
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闩锁效应分类
如激发源去除后，电路仍保持低阻状 态， 这种闩锁称为 自持的闩锁效应。如 激 发源去除后，电 路返回原来的高阻 状 态，则称为非自 持的闩锁效应。
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闩锁效应的危害
进入低阻状态后，若外电路不能限制器件中 电流的大小，可能有过量的电流流过电路， 引起器件局部过热，发生金属化熔化或烧断， 致使P－N 结漏电流增加 或短路， 造成电路 失效。
试验电压波形
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CMOS闩锁电路模型
CMOS闩锁电路模型
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发生闩锁效应的条件
发生闩锁效应的条件是 1+ 2 1， 若用三极管的共发射极电流放大系数 来表
示， 则为
1 2 1 这表明当两个寄生三极管的电流放大系数 达
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CMOS电路中的寄生三极管
闩锁效应是一种寄生三极管效应。 CMOS电路中的各个P、N型区可组成若干个寄生 双极型三极管，组成四层的PNPN结构。 也可看作PNP三极管和 NPN三极管相互连接。
latch up 原理 -回复
latch up 原理-回复latch up 原理，是指在集成电路中由于不恰当的设计或操作而导致的一个临时的、不可逆转的电气现象。
当发生latch up时，集成电路往往会损坏甚至失效。
因此，了解latch up原理对于集成电路的设计和安全非常重要。
本文将逐步解析latch up原理，帮助读者深入了解这一现象。
首先，我们需要了解latch up的定义。
latch up是指在CMOS集成电路中，当正负输入端的电压超过一个特定的阈值时，导致PNPN结构内部失去控制，集成电路形成一个自维持的失控状态。
这个状态将持续下去，直到外部干扰因素消除或集成电路损坏。
那么，为什么会发生latch up呢？这是因为CMOS集成电路中的PNP 和NPN结构之间的正反馈效应。
当PNP结构的发射极上的电流增加时，会导致NPN结构的基极电流增加，反之亦然。
这种相互关联的正反馈效应可以引起latch up。
接下来，我们来看latch up发生的条件。
latch up需要满足以下两个条件：1. 存在一个PNPN结构，即CMOS集成电路中的PNP和NPN结构。
2. 正反馈效应，即PNP结构上的电流增加会导致NPN结构上的电流增加，反之亦然。
那么，如何避免latch up呢？以下是几个避免latch up的方法：1. 使用良好的电源设计。
电源抗扰度越高，latch up的可能性越小。
例如，可以添加阻抗较高的滤波电容和电感来降低电源的功率噪声。
2. 正确选择工艺和材料。
合理选择工艺和材料，可以减少PNP和NPN 结构之间的正反馈效应。
例如，使用低掺杂的基底可以减小PNPN结构的电流增益。
3. 使用良好的布局设计。
合理规划电路布局，减少PNP和NPN结构之间的相互影响。
例如，将PNP和NPN结构放置在尽可能远的位置，或者采用屏蔽层隔离电路。
4. 使用保护设计。
添加保护电路，当电路出现latch up时能够及时切断电源，以防止电路损坏。
例如，可以添加过电流保护电路或过压保护电路。
闩锁效应定义
什么是闩锁效应？单片机开发2009-11-29 00:03:09 阅读220 评论0 字号：大中小闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。
闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。
避免闩锁的方法就是要减小衬底和N 阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。
静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。
ESD 和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up）是半导体器件失效的主要原因之一。
如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。
很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。
这就是所谓的“闩锁效应”。
在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS（电过载）和器件损坏。
MOS工艺含有许多内在的双极型晶体管。
在CMOS工艺下，阱与衬底结合会导致寄生的n-p-n-p结构。
这些结构会导致VDD和VSS线的短路，从而通常会破坏芯片，或者引起系统错误。
例如，在n阱结构中，n-p-n-p结构是由NMOS的源，p衬底，n阱和PMOS的源构成的。
当两个双极型晶体管之一前向偏置时（例如由于流经阱或衬底的电流引起），会引起另一个晶体管的基极电流增加。
这个正反馈将不断地引起电流增加，直到电路出故障，或者烧掉。
可以通过提供大量的阱和衬底接触来避免闩锁效应。
闩锁效应在早期的CMOS工艺中很重要。
不过，现在已经不再是个问题了。
在近些年，工艺的改进和设计的优化已经消除了闩锁的危险。
Latch up 的定义? Latch up 最易产生在易受外部干扰的I/O电路处, 也偶尔发生在内部电路? Latch up 是指cmos晶片中, 在电源power VDD和地线GND(VSS)之间由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互影响而产生的一低阻抗通路, 它的存在会使VDD和GND之间产生大电流? 随着IC制造工艺的发展, 封装密度和集成度越来越高,产生Latch up的可能性会越来越大? Latch up 产生的过度电流量可能会使芯片产生永久性的破坏, Latch up 的防范是IC Layout 的最重要措施之一Latch up 的原理分析Q1为一垂直式PNP BJT, 基极(base)是nwell, 基极到集电极(collector)的增益可达数百倍；Q2是一侧面式的NPN BJT，基极为P substrate，到集电极的增益可达数十倍；Rwell 是nwell的寄生电阻；Rsub是substrate电阻。
抑制闩锁效应的方法
抑制闩锁效应的方法引言闩锁效应是指人们在解决问题时，陷入先入为主的思维模式，无法看到其他可能的解决方案。
这种思维定势常常导致创造性思维和创新能力的受限。
本文将探讨抑制闩锁效应的方法，帮助人们开拓思维，发现更多潜在的解决方案。
1. 意识到闩锁效应的存在首先，我们需要意识到闩锁效应的存在以及其可能对我们的思维带来的限制。
只有当我们认识到自己陷入了某种思维定势时，才能开始采取相应的措施来克服它。
2. 多元化信息来源为了避免陷入单一思维模式，我们应该积极寻找多样化的信息来源。
这包括但不限于阅读不同类型的书籍、关注不同领域的新闻、与不同背景的人交流等。
通过接触多元化的信息，我们能够拓宽视野，从而更好地应对闩锁效应。
3. 反向思考反向思考是一种有助于突破闩锁效应的方法。
当我们面临问题时，通常会有一种默认的思考方式。
而通过反向思考，我们可以从相反的角度出发，思考问题的解决方案。
这种方法可以帮助我们发现之前未曾考虑过的可能性，从而打破思维定势。
4. 创造性思维训练创造性思维是克服闩锁效应的关键。
为了培养创造性思维，我们可以进行一些相关的训练。
例如，可以尝试解决一些刺激性的问题，进行头脑风暴，或者参与一些创意活动等。
这些训练可以激发我们的创造力，帮助我们摆脱思维定势。
5. 团队合作团队合作是另一种有效的方法来抑制闩锁效应。
当我们独自思考问题时，很容易受到自己的思维定势的限制。
而与他人合作，可以汇集不同的思维和观点，从而打破思维定势，找到更好的解决方案。
6. 创造宽松的环境创造宽松的环境有助于抑制闩锁效应。
当我们处于压力和紧张的状态下，往往难以开放思维，容易陷入思维定势。
因此，我们应该创造一个宽松、轻松的环境，让自己能够更好地发挥创造力。
7. 克服固执态度固执的态度是闩锁效应的一大障碍。
当我们固执于某种观点或解决方案时，就很难看到其他可能的选择。
因此，我们需要学会放下固执，保持开放的心态，接纳不同的观点和建议。
8. 反思和反馈定期反思和反馈是持续抑制闩锁效应的重要步骤。
CMOS集成电路闩锁效应形成机理和对抗措施
CMOS集成电路闩锁效应形成机理和对抗措施CMOS集成电路闩锁效应（Latch-up）是在一些特定条件下，CMOS集成电路中出现的一种运行异常现象。
它会导致电路无法正常工作，甚至损坏芯片。
对于CMOS集成电路设计和制造而言，了解闩锁效应的形成机理以及对抗措施是非常重要的。
闩锁效应的形成机理主要涉及PNPN结构的象限配置，以及局部正反馈的产生。
CMOS集成电路中的PNPN结构由n型管和p型管组成，分别对应一个npn三极管和一个pnp三极管。
当其中一种条件下，比如供电电压的波动或外部干扰信号，使得pn结上的电流增大，就会激发起正反馈作用，导致三极管一直打开或闭合，形成闩锁效应。
为了对抗闩锁效应，有以下几种常见的对策：1. 提高结深度和扩散方案：通过增加pn结的深度，增加p区和n区之间的区域，减小PNPN结构的面积和容易触发的几率。
此外，改善扩散工艺，使得掺杂浓度更加均匀，有助于减小闩锁效应的发生。
2.加强电源线对地的维护：电源线是造成闩锁效应的一个重要因素。
在设计中，可以合理布局电源线，并采用多个电源接线点，增加供电的稳定性。
此外，还可以增加电容和电感器等器件，来稳定电源线上的电压。
3.降低闩锁敏感结的肖特基二极管串联电阻：闩锁效应主要定位于肖特基二极管的连接区域。
通过加大二极管连接区域的面积，可以使得串接电阻增大，从而降低闩锁效应的发生。
4.引入集成电阻：在PNPN结周围引入集成电阻，可以通过分散电流和电压，避免PNPN结同时触发。
5.添加防护电路：在CMOS集成电路中，可以添加专门的防护电路来对抗闩锁效应。
例如，引入大功率电阻，用于消除过电压激发；引入自动重置电路，用于自动恢复正常工作。
总结来说，闩锁效应是CMOS集成电路中一种可能出现的异常现象，会导致电路无法正常工作。
为了抵御闩锁效应，可以通过加强结深度和扩散方案、提高电源线对地的维护、降低闩锁敏感结的肖特基二极管串联电阻、引入集成电阻和添加防护电路等措施来降低其发生的概率。
闩锁效应的概念
闩锁效应的概念
闩锁效应（Latch-up）是CMOS集成电路中的一种寄生效应，它可能导致电路失效甚至烧毁芯片。
闩锁效应的基本原理是在CMOS电路中，由于NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈，形成闩锁。
这种反馈会导致电流在两个管子构成的回路中不停地被放大，从而引起芯片的闩锁效应。
为了有效抑制闩锁效应，可以采取以下几种方法：
1. 降低电源电压：减少电源电压可以降低触发闩锁效应的可能性。
2. 增加衬底和源极的接触面积：这有助于降低电阻，从而减少闩锁效应的风险。
3. 使用外延层：在硅片上生长一层低掺杂的外延层，可以有效隔离衬底和N阱，防止闩锁效应的发生。
4. 优化版图设计：合理布局NMOS和PMOS晶体管，以减少它们之间的相互作用。
5. 使用保护环：在晶体管周围设置保护环，可以吸收多余的电荷，防止闩锁效应的发生。
了解闩锁效应的原理和抑制方法对于集成电路的设计和制造至关重要，以确保电路的稳定性和可靠性。
latch up闩锁效应
闩锁效应（latch up）闩锁效应（latch up）是CMOS必须注意的现象，latch我认为解释为回路更合适，大家以后看到latch up就联想到在NMOS与PMOS里面的回路，其实你就懂了一半了.为什么它这么重要？因为它会导致整个芯片的失效，所以latch up是QUAL测试的一种，并且与ESD（静电防护）紧密相关。
第一部分 latch up的原理我用一句最简单的话来概括，大家只要记住这句话就行了：latch－up是PNPN的连接，本质是两个寄生双载子transisitor的连接，每一个transistor的基极（base）与集极（collector）相连，也可以反过来说，每一个transistor的集极（collector）与另一个transistor的基极（base）相连，形成positive feedback loop（正回馈回路）,下面我分别解释。
我们先复习什么是npn，如图1，在n端加正偏压，np之间的势垒就会降低，n端电子为主要载流子，于是电子就很开心地跑到p,其中有一部分电子跑得太开心了，中间的p又不够厚，于是就到pn的交界处，这时右边的n端是逆偏压，于是就很容易就过去了。
所以，左边的n为射极（emmiter，发射电子），中间P为基极（base），右边n为集极(collector,收集电子嘛）理解了npn，那么pnp就好办，如图2。
图2清楚的表示了latch up的回路。
左边是npn，右边是pnp，图3是电路示意图。
大家可以看出，P－sub既是npn的基极，又是pnp的集极；n－well既是既是pnp的基极，又是npn的集极，所以说，每一个transistor的集极（collector）与另一个transistor的基极（base）相连。
那么电流怎么走呢？比如在P＋加5V-->电洞被从P＋推到N well-->越过n well再到p sub-->这个时候，大家注意，电洞有两条路可走，一是跑到NMOS的N＋，二是跑到旁边的Nwell，nwell比n＋深，当然更好去，所以电洞又回去了。
ch7_latch-up_和_GuardRing
Rwell Nwell P- epi
Q2
Rsub P+sub
LOGO
latch-up原理分析
In Out N+ P+ P+ Q1 N+ N+ P+ OUT Q1 Q2 OUT Rsub P+sub Rsub Q2 Rwell
Rwell Nwell P- epi
LOGO
latch-up原理分析
OUT Q1 Rwell CB结反 向电流
Q2的基区注入电流
IB2
Q2
I CE 2
2
则Q1的CE电流等于Q2的基区电流，则Q1的基区电流
Rsub
I B1
2 1
I CE 2
I漏
2 1
R well
则Q1的BE结电压
VBE1
I漏
1 2
所以漏电流大过大，会导致寄生PNP管导通，产生闩锁效应。
LOGO
本章主要内容
Latch-up原理分析
LOGO
OUT Q1
Rwell
4. Latch up产生原因4 当许多驱动器同时动作， 负载过大使VDD或GND突然变化， 也有可能打开SCR的一个BJT。
Rsub
Q2
LOGO
latch-up原理分析
In Out N+ P+ P+ Q1 N+ N+ P+ Rwell Nwell P- epi Rsub P+sub
Rsub
Q2
LOGO
latch-up保护方法
In Out N+ P+ P+ Q1 N+ N+ P+ Rwell Nwell P- epi Rsub P+sub
latch up闩锁效应原理及形成的原因
latch up闩锁效应原理及形成的原因
Latch-up闩锁效应是指在CMOS电路中，由于寄生的PNP和NPN双极性晶体管相互影响而形成的一种现象。
具体如下：
1. 低阻抗通路：当两个BJT（双极性晶体管）导通时，会在电源VDD和地线GND之间产生一个低阻抗通路。
2. 大电流流过：这个低阻抗通路会导致VDD和GND之间流过很大的电流，这可能会损坏电路或导致电路功能异常。
3. 触发条件：Latch-up的发生通常需要满足一定条件，比如电流、电压超过一定的阈值，或者是由于外部因素如静电放电（ESD）引起的电压瞬变。
4. 介质击穿：如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，可能会导致介质击穿，从而触发闩锁效应。
5. 金属化迹线损坏：在大电流的影响下，很细的金属化迹线可能会损坏，进一步加剧闩锁效应的后果。
Latch-up闩锁效应是CMOS电路中一个重要的可靠性问题，它的发生可能会导致电路的永久性损坏。
因此，在设计和制造CMOS 电路时，工程师会采取多种措施来防止闩锁效应的发生，例如通过改进芯片布局设计、增加保护结构、使用更高质量的材料等方式来降低其发生的风险。
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Latch Up（闩锁）效应及解决方法
1. 什么是Latch Up效应？
Latch Up效应是一种电子器件中的不可逆转的故障现象，当器件中的电流和电压
超过其设计范围时，会导致器件处于一种持续的高电流状态，无法恢复正常工作。
这种效应通常发生在集成电路（IC）中，特别是CMOS（互补金属氧化物半导体）
技术的IC中。
Latch Up效应是由于CMOS结构中的PNPN四层结构产生的。
当PNPN结构中的正向
电流和反向电流同时大于一定的阈值时，就会导致PNPN结构中的PNP晶体管和
NPN晶体管同时进入饱和状态，形成一个正反馈回路。
这个回路会导致电流无限增大，从而造成器件的失效。
2. Latch Up效应的原因
Latch Up效应的主要原因有两个：
2.1 器件内部结构
CMOS器件中的PNPN结构是Latch Up效应的主要原因之一。
当器件内部的PNP晶
体管和NPN晶体管同时进入饱和状态时，就会形成一个正反馈回路，导致电流无限增大。
2.2 外部环境因素
外部环境因素也可以引起Latch Up效应。
例如，电压过大、电流过大、辐射、温
度过高等都可能导致器件发生Latch Up效应。
3. Latch Up效应的影响
Latch Up效应会导致器件失效，严重影响器件的性能和可靠性。
具体影响如下：
3.1 功耗增加
Latch Up效应会使器件处于高电流状态，导致功耗大大增加。
这不仅会浪费能源，还会导致器件发热严重，影响器件的工作温度范围。
3.2 逻辑错误
Latch Up效应会改变器件的逻辑状态，导致器件输出错误的逻辑信号。
这会严重
影响系统的正常工作。
3.3 器件损坏
持续的高电流会导致器件损坏，甚至烧毁。
这不仅会造成经济损失，还会影响系统的可靠性和稳定性。
4. Latch Up效应的解决方法
为了避免Latch Up效应对器件造成的影响，可以采取以下解决方法：
4.1 增加阻抗
通过增加器件内部的阻抗，可以限制电流的流动，从而减轻Latch Up效应的影响。
例如，在CMOS器件中，可以通过增加衬底（substrate）的电阻来增加器件的阻抗。
4.2 使用防护结构
在器件设计中，可以采用防护结构来防止Latch Up效应的发生。
例如，在CMOS器件中，可以采用加密的N+区域和P+区域来隔离PNP晶体管和NPN晶体管，从而避
免正反馈回路的形成。
4.3 控制电压和电流
合理控制器件的工作电压和电流，可以有效地避免Latch Up效应的发生。
在设计
和使用器件时，应严格按照规格书中的电压和电流范围进行操作。
4.4 提高工艺质量
通过提高工艺质量，可以减少器件中PNPN结构的形成概率，从而降低Latch Up效应的风险。
例如，采用更高质量的材料、优化工艺流程等。
4.5 温度控制
合理控制器件的工作温度，可以减少Latch Up效应的发生。
过高的温度会增加器
件内部电流的概率，从而增加Latch Up效应的风险。
5. 总结
Latch Up效应是一种电子器件中常见的故障现象，会导致器件失效，严重影响器
件的性能和可靠性。
了解Latch Up效应的原因和影响，以及采取相应的解决方法，对于确保器件的正常工作至关重要。
通过增加阻抗、使用防护结构、控制电压和电流、提高工艺质量和温度控制等方法，可以有效地预防和解决Latch Up效应的问题。