第六章 静电放电建模与模拟
5.放电和静电放电模型
机器模型电路原理图
(IEC61340-3-2)
Typical current waveform through a shorting wire IEC61340-3-2
Typical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-2
沿面放电
当绝缘板一侧紧贴有接地金属板时，就可能出现 这种高的表面电荷密度。另外，当电介质板被高 度极化时也可能出现这种情形。若金属导体靠近 带电绝缘体表面时，外部电场得到增强，也可引 发刷形放电。刷形放电导致绝缘板上某一小部分 的电荷被中和，与此同时它周围部分高密度的表 面电荷便在此处形成很强的径向电场，这一电场 会导致进一步的击穿，这样放电沿着整个绝缘板 的表面传播开来，直到所有的电荷全部被中和。 沿面放电释放的能量很大，有时可以达到数焦耳， 因此其引燃引爆能力极强。
Typical current waveform through a shorting wire ( tr )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a shorting wire ( td )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500 resistor
静电放电类型
电晕放电 火花放电 刷形放电
沿面放电
静电放电的类型
电晕放电（corona discharge)
电晕放电以电晕为特点的一种放电，当 某气体中的两个电极中有一个的形状导致其 表面的电场明显大于两个电极之间电场的时 候所发生放电现象。
电晕放电危害
射频干扰
飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机 壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当飞机、航天器或导弹的制导系统产生干扰， 造成通讯中断或制导失灵，引发事故。 浪费电能 高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。
模拟法描绘静电场
03
模拟法描绘静电场的方法
电极板法
总结词
通过将电荷施加到平行板电极上 ，观察电极间电场分布的方法。
详细描述
首先将电荷均匀分布在平行板电 极上，然后通过测量电场力或电 势差来计算电场强度。这种方法 适用于计算均匀电场的分布。
电容器法
总结词
通过改变电容器的电容值，观察电场分布变化的方法。
详细描述
在电容器中插入不同介电常数的介质，改变电容器的电容值，从而改变电场分 布。通过测量电容值和电场力或电势差，可以计算出电场强度。这种方法适用 于计算非均匀电场的分布。
电场线描绘法
总结词
通过描绘电场线来直观表示电场分布 的方法。
详细描述
在静电场中放置导电物质，观察导电 物质上的电荷分布，从而描绘出电场 线的走向。这种方法可以直观地表示 出电场的强弱和方向，适用于定性分 析电场分布。
04
模拟法描绘静电场的实验操
作
实验准备
01
02
03
准备实验器材
包括电场模拟仪、电源、 导线、电极等。
模拟法的优缺点
优点
模拟法可以模拟复杂系统的行为，提供直观的图形化结果，有助于深入理解系统 的内在机制。此外，通过调整模型参数，可以方便地研究不同条件下的系统行为 ，有助于优化设计方案。
缺点
模拟法需要建立数学模型，这需要一定的理论知识和经验。同时，由于计算机数 值计算的局限性，模拟结果可能存在误差或近似性。此外，对于大规模复杂系统 的模拟，计算量可能非常大，需要高性能计算机和长时间计算。
静电场的电场强度与电势之间存 在一定的关系，可以通过测量电
势差来间接测量电场强度。
静电场的产生与影响
静电场的产生是由于电荷的分离和重新组合，例 如摩擦起电、感应起电等。
静电放电的基本模型
静电放电的基本模型静电放电是指发生在两个物体之间的电流放电现象，是一种非常普遍的现象。
在许多日常生活中，比如在干燥的天气中摇动电毯，会发出明亮的闪光;在穿着塑料鞋的人走动一段距离后，再触摸金属物品时，会出现明显的火花现象。
这些现象正是产生了静电放电现象。
静电放电是由于两个物体之间电荷不对称引起的，本文将介绍静电放电的基本模型。
静电放电的基本模型被称为带电物体对相邻物体的影响，这种模型可以协助我们了解为什么一些物体易于积累电荷，并在另一些物体上产生静电现象。
在这种现象中，带电物体和另一个物体（有时称为地面）之间会形成电荷的累积。
当电荷积累到一定程度时，就会产生电弧放电并生成火花。
静电放电是一种由相对比较高电压的放电引起的，两个物体之间的距离和电荷大小对产生静电放电是有影响的。
小的静电放电可以看作是一个电子从一个物体上离开，并在另一个物体上产生一个电子(openai)。
而大量的静电放电则是由于大量的电子跃入和跃出。
这些静电电子通常形成一个电流环，并在带电物体和地面之间形成电弧放电。
静电放电的基本模型是带电物体和相邻物体之间相互作用的结果。
当一个物体携带电荷时，它会带有电场。
离带电物体很近的物体会感受到电场并充分受到其影响。
如果物体的大小和形状是合适的，那么电场会从物体的一个部分向另一个部分移动，并在两个部分之间产生电压梯度。
当电压梯度增加到某个阈值时，就会发生弧形放电，这时由于大量的电子被激发，并形成一个电流环，从而在两个物体之间形成电弧放电。
这种电弧放电产生了大量的热量和光能，并在物体上产生了明亮的火花。
总之，静电放电的基本模型是由带电物体与相邻物体之间的相互作用产生的，它可以用于解释不同形状，大小和材料的物体产生不同的电荷，并在相邻物体上产生静电现象的原因。
当电荷足够大时，静电放电就会发生并产生大量的热量和光能。
了解静电放电的基本原理，将有助于我们更好地预防和管理这种现象。
第六章静电场4汇总
R1
V1 E0 dl
R2 R1
E1
dl
R3 R2
E1
dl
求: 此系统的电荷、电场分布 和电势分布以及 球与 球壳间
的电势差; 如果用导线将球壳 和球连接, 又如何？
q2 R1 R2 q3
q1 R3
解: 电荷分布:
设球壳内、外表面电量为 q2 、q3 。
球体外表面: q1 球壳内表面: q2 q1
齐鲁工业大学 理学院
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第六章 静电场
球壳外表面: q3 q q2 q q1
S
在导体内任取一包围内表面的高斯面S,
静电平衡时, 高斯面上的电场强度处处为零,
由高斯定理
E dS
1
S
0
qi 0
i
净电荷为零。
问题: 在空腔内表面的不同部位是否还会有等
量异号的电荷分布?
齐鲁工业大学 理学院
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第六章 静电场
(2) 腔内有带电体
在静电平衡下, 电荷分布在导体内、外两 个表面, 其中内表面的电荷是空腔内带电体的 感应电荷, 与腔内带电体的电荷等量异号。
电场分布: 作高斯面 S1 、S2 、 S3 和 S4
由高斯定理
s
E
ds
q
0
得 E1 0
r R1
E2
q1
4πor 2
R1 r R2
S4
q2 S3 RS11 R2 q3
S2 q1 R3
E3 0
R2 r R3
E4
q1 q
4πor 2
r R3
齐鲁工业大学 理学院
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第六章 静电场
电势分布: r R1
或导体上任意两点间的电势差为零： b
静电放电和静电放电模型
静电放电和静电放电模型♦静电放电的特点♦静电放电的类型♦静电放电模型♦静电放电模拟器♦静电放电产生的辐射场静电放电的特点♦静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。
♦静电放电是高电位，强电场，瞬时大电流的过程。
♦静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲（EMP）。
静电放电类型♦电晕放电♦火花放电♦刷形放电♦沿面放电静电放电的类型♦电晕放电（corona discharge)电晕放电以电晕为特点的一种放电，当某气体中的两个电极中有一个的形状导致其表面的电场明显大于两个电极之间电场的时候所发生放电现象。
电晕放电危害♦射频干扰飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当静电电位足够高时可引发电晕放电，形成的电磁干扰会对飞机、航天器或导弹的制导系统产生干扰，造成通讯中断或制导失灵，引发事故。
♦浪费电能高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。
电晕放电的利用♦静电除尘♦脱硫脱硝♦静电喷涂静电火花放电（spark discharge ）♦当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其它导体、人体或接地导体时，便会引发静电火花放电。
♦静电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴随着噼啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急骤上升形成的气压冲击波造成的。
♦在发生静电火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。
另外静电火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力，它可对一些敏感的电子器件和设备造成危害。
刷形放电（brush discharge）♦刷形放电电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。
♦产生刷形放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。
根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。
静电放电最常用的三种模型及其防护设计
静电放电（ESD）最常用的三种模型及其防护设计ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握?ESD?的相关知识。
为了定量表征 ESD 特性，一般将 ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。
：Human Body?，人体模型：该模型表征人体带电件放电，Rb 为等效人体，Cb 为等效人体。
等效电路如下图。
图中同时给出了器件 HBM 模型的 ESD 等级。
?ESD人体模型等效电路图及其ESD等级：Machine Model，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是?，等效电阻为 0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取 200pF。
由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。
?ESD机器模型等效电路图及其ESD等级：Charged??Model，件模型：半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。
它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。
器件本身作为的一个极板而存贮电荷。
CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：?ESD充电器件模型等效电路图及其ESD等级器件的 ESD 等级一般按以上三种模型测试，大部分 ESD 敏感器件手册上都有器件的ESD数据，一般给出的是 HBM 和 MM。
通过器件的 ESD 数据可以了解器件的 ESD 特性，但要注意，器件的每个管脚的 ESD 特性差异较大，某些管脚的 ESD 电压会特别低，一般来说，高速端口，高阻输入端口，模拟端口 ESD电压会比较低。
ESD 防护是一项系统工程，需要各个环节实施全面的控制。
静电放电类型和静电放电模型 ppt课件
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电晕放电
从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕 是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈 现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电 压要比负电晕的起晕电压高。
第2讲 静电放电和静电放电模型
静电放电及其特点 静电放电的类型 静电放电模型 静电放电模拟器 静电放电电流波形的校验
PPT课件
1
一、静电放电的定义
静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超 过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离 而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现 象。
通常把偶然产生的静电放电称为ESD事件。 在实际情况中，产生ESD事件往往是物体上 积累了一定的静电电荷，对地静电电位较高。 带有静电电荷的物体通常被称为静电源，它 在ESD过程中的作用是至关重要的 。
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+ --
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A
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电晕放电机制
当极间电压升 高到某一特定值Vc 时，尖端附近的场 强开始超过空气的 击穿场强，在尖端 附近形成了电子雪 崩，极间电流迅速 增大。但是这一过 程仅在尖端附近才 能维持，而极间其 它地方由于场强较 小不能维持这一过 程。
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电晕放电机制
4
二、静电放电的特点
会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲
在ESD过程中会产生上升时间极快、持 续时间极短的初始大电流脉冲，并产生强烈 的 电 磁 辐 射 形 成 静 电 放 电 电 磁 脉 冲 （ ESD EMP），它的电磁能量往往会引起电子系统 中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的 电火工品误爆，造成事故。目前ESD EMP已 受到人们的普遍重视，作为近场危害源，许
实验六模拟法测绘静电场
实验六模拟法测绘静电场实验六模拟法测绘静电场一、实验目的1.了解用模拟法测绘静电场分布的原理；2.用模拟法测绘静电场的分布，做出等势线和电场线。
二、实验仪器静电场描绘仪、电极、静电场描绘仪电源、水槽（导电纸）、数字电压表、连接导线等。
仪器介绍静电场描绘仪由电极架、电极（DZ-型3种导电纸电极）、同步探针等组成，还有配套的静电场描绘仪电源。
1.静电场描绘仪静电场描绘仪示意图见图34-1，仪器下层用于放置水槽导电纸电极，上层用于安放坐标纸，是测量探针，用于在水中或导电纸上测量等势点，是记录探针，可将在水中或导电纸上测得的各电势点同步地记录在坐标纸上（打出印迹）。
由于、是固定在同一探针架上的，所以两者绘出的图形完全相同。
2.电极电极的外形如图34-2所示：其中为同轴圆柱面电极，为平行导线电极，为聚焦电极，为平行板电极，为点与平板电极。
3.同步探针同步探针由装在探针座上的两根同样长短的弹性簧片末端的两根细而圆滑的钢针组成，如图34-3所示。
下探针深入水槽的水中或导电纸上，用来探测水中电流场或导电纸上电场各处的电势数值，上探针略向上翘起，两探针通过金属探针臂固定在同一手柄上，两探针始终保持在同一铅垂线上，移动手柄座时，可保证上下两个探针的运动轨迹是一样的。
当探针座在电极架下层右边的平板上自由移动时，下探针探出等势点后，用手指轻轻按下上探针上的按钮，上探针针尖就在坐标纸上打出相应的等势点。
4.静电场描绘电源（1）技术指标①适用电源:；②输出稳压电压：（-12型）；（-10型）；③最大输出电流：0.5；④交流数字电压表最大量程：；数字电压表最大量程：；内阻：⑤适用环境：温度，相对湿度。
（2）使用操作①开机前，先将“测量、输出”转换开关拨向“输出”。
②按实验要求连接好电路，检查无误后打开电源开关。
③调节输出电压到预设制后，转换开关拨向“测量”进行测量，实验结束时，再将转换开关拨回“输出”后关闭电源。
三、实验原理带电体在其周围空间会产生静电场，可以用电场强度或电位的空间分布来描述。
手机ESD静电放电模型和分析
首先说结论：
1.之所以我们在设计手机电路的时候，总是尽量利用参考地来作为静电释放的通路，根本原 因是参考地与外界的“放电阻抗”很小，最容易与外界发生电荷转移（因为参考地平面很 大，覆盖很广，尖端多，和外界的等效接触很多，对比电路中的其他通路和许多元器件，在 无强带电体靠近时容易对外界释放电荷，而有强带电体靠近时则容易吸附电荷） （这里的 外界定义为电中性，即不带电的所有物体的总和，一般可直接等效为大地）。
放电路径 3：即信号线与参考地之间的通路，假设是由电路之间的各种电子元件、部分 PCB 构成的。所以如果大量的电荷通过这条路径的话，会对电路造成不可预计的干扰，使我们设 计时需要规避的。
按目前的设计规范，手机中的 3 条放电路径，放电路径 1 的放电阻抗远远大于放电路径 2 的放电阻抗（因为信号面的“折合等效”面积远远小于地平面），放电路径 3 的放电阻抗数 量级不好说，我想一般会远小于放电路径 2，所以： 放电阻抗： 放电路径 1 ＞＞＞ 放电路径 2 ＞ 放电路径 3
图2
综上所述：
1.电子设备中防 ESD 的本质就是：防止积聚的静电电荷在有电子元器件的路径中通过导致打 坏器件，以及防止静电电荷通过路径时导致的系统误操作（瞬间大电流会造成电位变化和磁 场干扰）。 一般，可用 TVS 管钳住高位，防止电压过高，打坏器件。但是对于防止电位的变化，没有太 可靠的办法，只能加电容来缓解。这也是为什么许多 reset 信号常常要保持低电平几 ms 才 开始操作的原因，因为这个时间越长，抗 ESD 导致的电位误操作的能力就越强。
耦合板其实就是为电荷的“扩散”提供一个良好的通路，估计搞 ESD 的人都知道，将手机孤立 在空气中打静电，手机时不容易出问题的，因为电荷没有“扩散”的通路，大部分电荷只是积 聚在手机上，并没有移动。
(综合)静电场的模拟测绘(大学物理实验讲课比赛课件)
静电场的模拟测绘
二、模拟法描绘静电场分布
用稳恒电流场模拟静电场
不直接研究自然现象或过程本身，而用与这些自然现象或 过程相似的模型来进行研究的一种方法。作为科学研究中 的一种最基础的方法，得到广泛的应用。
物理模拟法
数学模拟法
静电电流场与静电场之间的关系。 2、学习用模拟法测绘静电场的原理和方法。 3、加深对电场强度和电势概念的理解。
静电场的模拟测绘
一、静电场的性质
2、电场线不构成闭合曲线 。
LE dl 0
环路定理的物理意义在于指出了静电场是有势场，即存在电势这一 重要的标量概念。因而静电场又可以用等势面或等势线来描述。
静电场的模拟测绘
二、用稳恒电流场模拟静电场的依据
稳恒电流场(无源区)
电流密度
SJ dS 0
L
J
dl
0
J E
静电场(无源区)
SE dS 0
E
L
dl
0
D E
电位移
电导率
介电常数
两场服从的规律的数学形式相同,如又满足相同的
边界条件,则电场、电位分布完全相类似，所以可用电
流场模拟静电场。这种模拟属于数学模拟。
静电场的模拟测绘
三、用稳恒电流场模拟静电场的条件
1. 静电场中的带电体与电流场中电极的形状、位置相同 2. 稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀 3. 电极的电导率远大于导电介质的电导率，保证电流场中 的电极（良导体）的表面近似是一个等势面 4. 模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同， 保证电流场中电流线与静电场中电力线形状相同。
静电场的模拟测绘
一、模拟长同轴电缆中的静电场
静电放电(esd)保护器件的模拟与仿真 学位论文
编号本科生毕业设计（论文）题目：静电放电（ESD）保护器件的模拟与仿真物联网工程学院微电子学专业二〇一四年六月摘要摘要静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)是构成集成电路可靠性的主要因素之一，存在于生产到使用的每一个环节，并成为开发新一代工艺技术的难点之一，近年来，对ESD 的研究也因而越来越受到重视，仿真工具在ESD领域的应用使得ESD防护的研究变得更为便利，可大幅缩短研发周期.然而，由于ESD现象复杂的物理机制，极端的电场及温度条件，以及ESD仿真中频繁的不收敛现象，都使得ESD的仿真变得极为困难.本文详细阐述了ESD的来源、造成的危害以及如何测试集成电路的防静电冲击能力，并基于Sentaurus软件，对ESD防护器件展开了的分析、研究，内容包括：1)掌握ESD保护的基本理论、测试方法和防护机理.2)研究了工艺仿真流程的步骤以及网格定义在工艺仿真中的重要性，并对网格定义的方法进行了探讨.3)研究了器件仿真流程以及器件仿真中的物理模型和模型函数，并对描述同一物理机制的的各种不同模型展开对比分析.主要包括传输方程模型、能带模型、各种迁移率退化模型、雪崩离化模型和复合模型.4)研究了双极型晶体管和可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）防护器件的仿真，并通过对仿真结果的分析，研究了ESD保护器件在ESD应力作用下的工作机理.关键词：静电放电；网格；器件仿真；双极型晶体管；可控硅IAbstractABSTRACTESD is one of the most important reliability problems of IC products which lies in every flow of IC production, and it is also one of the most difficult problems of developing new generation technology, therefore, the research on ESD protection design has attracted more and more attention. The applications of simulation tools on ESD area make the design of ESD protection devices more convenient, and greatly shorten the development cycle.However, due to the complicated physical mechanism of ESD, the extremely high field and high temperature when ESD happened, and the frequently convergence problem in ESD simulation, it becomes difficult to carry out the ESD simulation. So this paper particularly explain show ESD comes from, what harm will bring, how to test the integrated circuit's ability to prevent from the static, also concentrates on the simulation of ESD protection devices, based on the Sentaurus TCAD platform. And the main content of this paper include:First, this paper points out the basic theory, test methods and protective mechanism of ESD protection.Second, study the importance of the grid to define the steps and process simulation processes in the process simulation, and the method of the grid defined discussed.Third,in device simulation process and device simulation is studied in physical model and the model function, and to describe the same physical mechanism of the various models of comparative analysis. Mainly includes the transmission equation model, the energy band model, all kinds of mobility degradation model, avalanche ionization model and composite model.Forth, Study BJT and SCR protection device simulation, and the simulation results through analysis, research the working mechanism of the ESD protection device under ESD stress effects.Keyword: ESD; Grid; Device simulation; BJT; SCRII目录目录第1章绪论 (1)1.1课题的研究背景及意义 (1)1.2国内外概况 (1)1.3本课题的研究内容 (2)第2章 ESD的常用保护器件及测试方法 (3)2.1ESD简介 (3)2.2ESD防护器件 (5)2.2.1 二极管的ESD防护器件 (5)2.2.2 NMOS管的ESD防护器件 (5)2.2.3 SCR的ESD防护器件 (7)2.3ESD的测试方法 (8)2.3.1 ZAPMASTER的ESD测试方法 (10)2.3.2 TLP技术的ESD测试方法 (11)2.3.3 ZAPMASTER测试与TLP测试的关联性 (12)第3章 SENTAURUS软件仿真流程 (13)3.1仿真工具简介 (13)3.2工艺仿真 (13)3.2.1 工艺仿真流程 (14)3.2.2 结构操作及保存输出 (15)3.2.3 网格定义 (15)3.3器件仿真及其物理模型的选择 (16)3.3.1器件仿真流程 (16)3.3.2物理模型选择 (17)第4章常用ESD防护器件的仿真与分析 (25)4.1BJT的仿真与分析 (25)4.2LSCR的仿真与分析 (27)4.3N+_MLSCR的仿真与分析 (29)第5章结论与展望 (33)5.1结论及不足之处 (33)5.2展望 (33)参考文献 (35)i目录致谢 (36)ii静电放电（ESD）保护器件的模拟与仿真第1章绪论1.1 课题的研究背景及意义随着集成电路朝着高性能大规模等方面迅速发展的同时，在所有集成电路的失效产品中，由于ESD造成的失效占据相当大的比例.因此，ESD保护器件的研究越来越受到人们的重视.ESD保护器件的工作原理为：在器件正常工作过程当中，ESD仅是表现为容值极低的（正常<5 pf）容抗特性，并不会对正常的器件特性产生影响，并且不会影响电子产品的信号及数据传输；当器件两端的过电压到达预定的崩溃电压时，ESD防护器件快速（纳秒级）做出反馈，并放大极间漏电流通过，从而达到吸收、削弱静电对电路特性的干扰和影响.同时，因为ESD保护器件的构成材质十分特殊，ESD往往是通过对静电进行吸收和耗散，即表现为一个充放电的过程，达到对设备进行静电防护的作用，因此设备中的ESD保护器件都不容易老化损坏.但是，因为ESD现象所涉及的物理机制特别复杂，人工计算很难得到防护器件性能参数的精确值，仅能通过流片验证获得ESD防护器件的性能参数，但流片验证耗费的大量时间将会使公司在激烈的竞争中处于不利的地位.因此在ESD领域中，工艺和器件模拟TCAD 仿真工具的应用逐步被重视.目前，Sentaurus TCAD是世界上最先进的TCAD工具，它是Synopsys公司收购瑞士ISE（Integrated Systems Engineering）公司之后发布的产品.Sentaurus TCAD全方面继承了Tsuprem4、ISE TCAD和Medici的所有特性和优势，可以用来模拟仿真集成器件的工艺制造过程，器件物理特性和互连线特性等，它包括众多组件，主要由Sentaurus Process 模块、Sentaurus Strucure Editor模块、Sentaurus device模块、和Sentaurus Workbench 等模块构成.本论文中，通过使用Sentaurus TCAD仿真工具对ESD保护器件进行仿真，能够找出ESD现象的各个阶段器件内部的电场分布、电流密度及流向、温度分布以及其他相关物里参量的变化，分析ESD器件在防护过程中的工作机理和失效原因，不但可以缩短研发时间，而且对研究工作具有极其重要的指导意义.1.2 国内外概况从20世纪80年代开始，国外的很多学者就开始注意到ESD现象并提出了一些缓解ESD 对IC芯片危害的办法，TCAD仿真工具也已经作为商业化的软件开始推广.随着集成电路快速发展的同时，集成电路中的ESD防护问题越来越严重，ESD的防护设计也越来越困难，只依靠工程师的经验，很难得到合适的防护器件，而不停地流片验证又费时费力，因而在20世纪末21世纪初期，ESD研究和TCAD仿真软件开始真正结合起来.1991年，瑞士集成系统实验室的Andreas D.Stricker等人开始了有关ESD仿真的研究，美国伊利诺斯大学的Alert Z.H.WANG教授也开始使用混合仿真的方法研究ESD防护器件的性能，2001年，徳国汉堡大学的KAIESMARK等人利用直流仿真以及单脉冲TLP波形的仿真系统研究GGNMOS（Gate-Grounded NMOS，栅接地NMOS）的性能，之后法国图卢兹的C.Salamero等人也有过相关方面的论文报道，美国中佛罗里达大学的J.JLIOU教授也有相关方面的研究.以上的报道基本上是基于GGNMOS器件的仿真，或者是在比较复杂的SCR1江南大学学士学位论文器件基础上，利用单脉冲TLP（Transimmison Line Pusle，传输线脉冲技术）波形仿真或混合仿真等方式，并不能对较复杂的SCR器件的性能做出准确的预测.国内对ESD的研究起步比较晚，很少有专门的ESD研究单位（除了浙江大学和美国UCF 大学的ESD联合实验室外），但不少高校都在进行对于ESD防护相关问题的研究，对ESD 仿真研究的报道也偶尔可见[1-2]，可是由于收敛性等方面的原因，目前国内对ESD仿真研究基本上是基于单脉冲TLP波形仿真，这种方法因为电压过冲等原因，并不能准确仿真触发电压等相关参数.1.3 本课题的研究内容本课题主要研究ESD防护器件的仿真，使用Sentaurus仿真工具，主要针对BJT和SCR 结构的防护器件进行仿真分析.本文的第二章介绍了ESD的基本概念，主要讲述ESD事件的模型、不同类型的ESD防护器件以及测试方法；第三章介绍网格定义在工艺仿真中的作用、网格定义方法、各个工艺步骤模拟所用的模型，并且重点介绍了器件仿真的物理模型，讲述各种物理模型的适用条件，深入分析模型函数以及不同模型之间的差异性；第四章主要讲述双极型晶体管和可控硅防护器件的仿真与分析，研究了ESD保护器件在ESD应力作用下的内部电场分布、电流密度及流向等相关物理参量的变化.2静电放电（ESD ）保护器件的模拟与仿真3第2章 ESD 的常用保护器件及测试方法2.1 ESD 简介静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象.静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称，如摩擦起电就是一种静电现象.静电产生原因有接触分离起电、摩擦起电、感应起电和传导起电等.当带了静电荷的物体(也就是静电源)跟其它物体接触时，这两个具有不同静电电的物体依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压.这个高电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击这就是静电放电.国家标准是这样定义的：“静电放电：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移(GB/T4365---1995)”，一般用ESD 表示.ESD 是代表英文Electrostatic Discharge ，即“静龟放电”的意思.它是EOS(electrical over-stress)的一种，EOS 家族还包括闪电和电磁脉冲(electromagnetic pulses ，EMP) .EOS 是指那些时间在微秒和毫秒范围的事件，相较而言ESD 是l00 ns 的范围.ESD 是当今MOS 集成电路中最重要的可靠性问题之一.高密度集成电路器件具有线问距短、线细、集成度高、运算速度快、低功率和输入阻抗高的特点，因而导致这类器件对静电较敏感，称之为静电敏感(ESD Sensitive ，ESDS)器件.静电放电的能量，对传统的电子元件的影响甚微，人们不易觉察，但是这些高密度集成电路元件则可能因静电电场和静电放电电流引起失效，或者造成难以被人们发现的“软击穿”现象，导致设备锁死、复位、数据丢失和不可靠而影响设备正常工作，使设备可靠性降低，甚至造成设备的损坏.集成电路工业由ESD 导致的损失是一个非常严重的问题.基于ESD 产生的原因及其对集成电路放电的不同方式，通常将静电放电事件分为以下三类模型：1) 人体模型(Human Body Model, HBM)2) 机器模型(Machine Model, MM)3) 带电器件模型(Charged Device Model, CDM)HBM 是目前最常用的模型，同时也是在产品的可靠性检验中必需通过的检测项目.HBM 是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体上已累积了静电后接触芯片，人体上的静电就会瞬间从芯片上的某个端口进入芯片内，再经由芯片的另一端口泄放至地，该放电的过程会在短到几百纳秒的时间内产生数安培的瞬间电流，该电流会把芯片内的器件烧毁.有关于HBM 的ESD 已有工业测试的标准，它是当今各国用来判断集成电路ESD 可靠性的重要依据.图2-1为工业标准(MIL-STD-883C method 3015.7)的等效电路图，其中人体的等效电容(C C )规定为100 pF ，人体的等效放电电阻(R S )为1500 Ω.根据人体模型的测试标准MIL-STD-883C method 3015.7，其ESD 的耐压敏感度可分成三个等级，见表2-1.江南大学学士学位论文4Cc图2-1 被测器件在HBM ，MM 和CDM 模型下的ESD 应力波形产生的集总电路表2-1 人体模型的工业测试标准耐压级别耐压等级耐压灵敏度 等级一0~1999 伏特 等级二2000~3999 伏特 等级三 4000~15999 伏特MM 及其标准由日本制定，在芯片的制造过程中，累积在机器手臂上的电荷接触芯片时通过芯片的管脚瞬间泄放静电电流.由于大多数机器都是用金属制的，其机器放电模式的等效电阻(Rs)约为0 Ω，但其等效电容(C C )规定为200 pF ，因为机器放电模式的等效电阻小，所以其放电的过程更短，在几纳秒到几十纳秒之内产生数安培的瞬间电流.CDM 是在芯片的制造和运输过程中因为摩擦生电累积静电荷，但在电累积的过程中集成电路并没有被损伤.带有静电的芯片在处理过程中，当其管脚与地触的瞬间，芯片内部的静电就会由经管脚向外泄放电流.此模式放电的时间更短，只有几纳秒之内，并且很难真实模拟其放电现象.由于芯片内部的静电会因为芯片器件本身地的等效电容而变，芯片所用的封装形式以及芯片摆放的角度都会造成不同的等效电容.因为多项变化因素难以确定，因而有关此模式放电的工业测试标准仍在协议中，但已有此测试机器在销售中.各模型的集总测试网络和其参数范围分别如图2-1和表2-2所示.CMOS 集成电路对静电放电防护能力的规格见表2-3.表2-2 各类ESD 测试模型的电感、电容、电阻参数值ESD ModelCc Ls Rs Cs Cs HBM100pF 5~12nH 1500Ω 1pF 1pF MM200pF 0.5nH 8.5Ω NA NA CDM 10pF ＜10nH ＜10Ω NA NA表2-3 集成电路产品的ESD 规格ESD ModelHBM MM CDM OK2000 V 200 V 1000 V Safe4000 V 400 V 1500 V Super 10000 V 1000 V 2000 V2.2 ESD 防护器件2.2.1 二极管的ESD 防护器件二极管是最简单的有源电压箝位电路,它有正向和反向两个工作区域.在二极管两端加上正向电压时，二极管在0.5 V 时开始导通，导通电阻约为1~5 Ω.在反向工作时，开始只有漏电流，电阻增大.当P-N 结雪崩击穿时产生倍增电流，雪崩电压与N 或P 的掺杂浓度有关，在深亚微米工艺中，一般为10~20 V.二极管在小注入时，I-V 特性与掺杂浓度有关；当大注入时，阱区往往进入电导调制区，I-V 特性与掺杂浓度无关.图2-2所示的两种常用P-N 结二极管的横截面结构图.图2-2(a) 结面积小的二极管结构图 图2-2(b) 结面积大的二极管结构图图2-2 常用P-N 结二级管的横截面结构图以上两种结构的结面积不同，由于图2-2(b)结构的P-N 结面积更大，使ESD 能量释放时，能量密度较小，具有更强的ESD 保护能力,在实际应用时常常采用这种结构的二极管.2.2.2 NMOS 管的ESD 防护器件栅极接地NMOS 晶体管是最常用的ESD 防护器件之一.GGNMOS 晶体管的栅极、源极和衬底都是接地的，其ESD 保护机制基于负阻效应(Snapback Effect).图2-3所示的是一个GGNMOS 晶体管器件的横截面图.从图中可以看到，NMOS 晶体管存在一个寄生横向NPN 晶体管，其集电极为NMOS 晶体管的漏极，发射极为NMOS 晶体管器件的源极，基极为NMOS 晶体管的P 型衬底.当一个正向的ESD 脉冲作用于器件的漏极，这会使得漏衬结(DB 结)一直处于反向偏置直到发生雪崩击穿，此时由于发生雪崩倍增效应而会产生大量的电子空穴对.当雪崩效应产生的空穴电流I sub 通过衬底流向地的时候，会在横向寄生衬底电阻R sub 的两端产生一个电压降，该压降会使得衬底局部电势V R 上升.随着V R 上升，源衬结(BS 结)导通，最终触发寄生的横向NPN 晶体管导通，当寄生横向NPN 晶体管导通后，已不再需要一个很强的漏极电场将离子注入到漏极来产生较大的电流，这就会使得漏极电压下降，从而发生负阻现象(Snapback Effect).负阻区处于不稳定状态，只是高阻区和低阻区两个稳定区之间的过渡.一旦寄生横向NPN 晶体管导通后，由于衬底的电导调制作用，电阻又变为正值.当电流进一步增大，产生自加热，使器件内部温度升高.当达到硅的熔点1685℃时，器件会发生不可逆转的变化，器件会受到损伤，该现象称为二次击穿或者热击穿.图2-3 栅极接地NMOS晶体管器件的横截面示意图BVox图2-4 典型GGNMOS晶体管器件的I-V特性曲线GGNMOS晶体管的I-V特性曲线如图2-4所示，该曲线可以分成4个工作区域：1区和2区分别为线性区和饱和区，这两个区的I-V曲线可以用标准NMOS的I-V公式来进行描述；3区为负阻区，4区为高电流区，这两个区的I-V曲线已不能用标准NMOS的I-V公式来进行描述.在发生ESD时，GGNMOS晶体管工作于3区和4区.图2-4同时也表示了利用传输线脉冲(TLP)技术进行测量而获得的典型GGNMOS晶体管的负阻特性曲线.该曲线所反映出的负阻特性参数，如Vt1、Vh、It2和Ron等,这些参数对于器件ESD失效阈值电压(ESDV)大小的测量是非常关键的:1)(It1,Vt1)是首次击穿触发点，该点决定了ESD保护器件在何时将开启.Vt1可以如式（2-1）表达.()nI I R q T K BV V 11111⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++*-*=dc c sub B BD ti α （2-1） 必须使开启电压V t1低于栅氧化层击穿电压BV ox ，同时必须使开启电压V t1高于最差情况下的电源电压VDD ，并留有一定的设计裕度(VDD+10%)，防止由于电源过冲噪声而引起意外的击穿触发.在实际ESD 保护电路设计，一般通过提高衬底电压或者栅极电压，来降低V t 的值；2) (I h ，V h )是维持点，是低阻ESD 电流开始泄放的起始点.采用较低的V h 值确保适当的电压钳位，防止内部器件的栅氧化层被击穿，同时可以减少ESD 电流泄放时的电源功率消耗(Power=V h *I ESD ).维持电压V h 应该高于电源电压以防止发生闩锁效应；3) R on 是导通电阻，其表达如式（2-2）： dsds on I V R ∂∂= （2-2） 尽可能小的导通电阻R on 可确保该ESD 器件具有较大的电流泄放能力，同时可以防止器件过早热击穿；4) (I t2，V t2)为器件的二次击穿点，器件ESDV 电压值的大小可由二次击穿电流I t2来表示.对于HBM 测试下的GGNMOS ESD 器件，其ESDV 电压值的近似表达如式（2-3）：()t2on LevelESD HBW I R V ⨯+=1500 （2-3） 由GGNMOS 晶体管的负阻(Snapback)特性曲线，设计者可以在硅验证之前预测出对应于HBM 模型的ESDV 电压值.2.2.3 SCR 的ESD 防护器件由于可控硅（Semiconductor controlled Rectifiers ，SCR ）触发前后，电阻变化很大，所以在功率器件中，用来承载大电流.同样SCR 可以用于设计ESD 保护结构，其结构和等效线路图如图2-5所示.AnodeT1T1T2RnwellRpwellCathode图2-5(a) SCR 的截面图 图2-5(b) SCR 结构的等效线路图图2-5 SCR 结构的截面图和等效线路图SCR在ESD冲击发生时也作为一个二端网络，其中阳极（Anode）和N阱短接，阴极（Cathode）和P阱短接.Anode与静电源相接，当ESD冲击发生时，加在N阱和P阱的P-N 结上的反向电压降足以使P-N结雪崩击穿.雪崩击穿后，SCR触发将有两种可能：1)雪崩击穿产生的空穴电流流过P阱体电阻RP-WELL，使P衬底电压升高，寄生的NPN 管开启.2)雪崩击穿产生的电子电流流过N阱体电阻RN-WELL，使寄生的PNP的EB结正偏，PNP 导通.通常NPN管的β高于PNP管的β，所以NPN管比PNP管更容易开启.VTRIG为N阱和P 阱的P-N结雪崩击穿电压.通常N阱/P阱的击穿电压在40V，一旦触发，不再需要Anode上提供偏置，二端点的电压V开始降低，V的最小值定义为VH .VH需要提供足够的电流流过P阱体电阻以保证NPN管导通，VH与NPN管和PNP管的基区宽度L有关，对应的I-V曲线如图2-6所示.图2-6 SCR的回扫特性曲线SCR有两个重要参数，ITRIG 和VH.ITRIG由P阱体电阻，即外延层厚度和P阱的掺杂浓度决定,VH 与L和N阱体电阻有关.现在的CMOS工艺中，VH的典型值为2~5V，由于SCR一旦触发，Anode和Cathode之间完全处于电导调制区，导通电阻仅为1Ω，作为ESD保护电路时，能很好地耗散能量.以上介绍了各种器件在ESD情况下表现的特性.在设计ESD保护电路结构时，就是利用器件的这些特性，根据不同的要求或工艺条件，选用不同的器件来实现符合要求的ESD 保护结构.例如，NMOS和SCR在ESD条件在都可能触发回归击穿，在CMOS工艺时可用NMOS 的回归特性来作ESD保护，但若要求有更快的保护速度，可考虑用SCR来实现ESD保护结构.2.3 ESD的测试方法ESD的测试可以分为检验型测试和研究型测试两类.检验型测试体现在产品的后端可靠性测试中，为了保证芯片产品的优良率，在产品的可靠性检验中，ESD检验是一个重要环节，以集成电路中的人体模型工业测试标准(见表2-3)，芯片通过一定值(一般为2 kV)的ESD检验才算合格.当前芯片的ESD检验大多采用ZAPMASTER测试仪.系统级的ESD检验大多采用电子枪.研究型测试侧重于芯片研发的前期，为了预测产品的ESD承受能力，从根本上保证芯片产品的优良率，以降低封装及测试成本并提高产品的研发效率，就必须在芯片的研发前期为芯片设计良好的ESD防护器件,而不是在产品的可靠性试验中发现问题之后再补救.为了得到ESD防护器件的关键性能指标，TLP是研究型测试中不可缺少的一种手段.不管是检验型测试还是研究型测试，都基于下面三种测试连接模式[3]：1)I/O口到VDD或者VSS的测试：通常包括PS、PD、NS和ND模式.其中P代表Positive，表示引脚接的是正电压，N代表Negative，表示引脚接的是负电压.D和S分别代表VDD和VSS，表示的是参考点的选择，实际测试时，参考点接地.PS是对VSS是正脉冲，PD是对VDD的正脉冲，NS是对VSS的负脉冲，ND是对VDD的负脉冲.这四种测试连接方式示意图如图2-7所示.图2-7(a) PS测试模式图图2-7(b) PD测试模式图图2-7(c) NS测试模式图图2-7(d) ND测试模式图图2-7 I/O口的四种测试连接模式2)I/O到I/O的测试，包括正向和负向的电压，被测引脚接测试电压，其他接地，VDD和VSS悬空，如图2-8所示.图2-8(a) 正电压模式图2-8(b) 负电压模式图2-8 I/O到I/O的测试连接模式3)VDD到VSS的测试，包括正向和负向的电压，如图2-9所示.图2-9(a) 正电压模式图2-9(b) 负电压模式图2-9 VDD到VSS的测试连接模式2.3.1 ZAPMASTER的ESD测试方法不同的测试标准对应不同的测试模型，同一测试模型可以对应多种测试标准.工业界商用的ESD测试仪器有很多种.本文中采用Thermo KeyTek公司生产的ZAPMASTER测试系统对HBM模型进行ESD测试，ZAPMASTER测试设备由中国电子科技集团第五十八研究所提供.对应的测试标准为GJB548A方法3015.短路测试波形要求上升时间小于10 ns，下降时间大约为150±20 ns．每次测试在管脚正负打击三次，打击时间间隔为一秒.2000 V的HBM 电压相当于1.2 A的尖峰电流.ESD打击测试是检测IC的ESD耐压，而不是洞察其失效机理，因为它仅仅是报告芯片是否能通过给定ESD电压打击值.根据具体要求，通过在电脑终端软件设定ZAPMASTER可以对IC产品进行步进电压或者恒定电压的ESD检验.从检验报告单中可得知各个失效的管脚组合以及可能失效的三种模式.这三种失效模式分别为：开路失效(OC)、包络线失效(ENV)和短路失效(SG).当被打击管脚之间加上的电压为工作电压的1.1倍时，直流通路电流达到1μA时定义为失效，包络线的有效范围是指在定义的失效电流正负15%的偏移范围之间.失效电流的检测可以通过电脑终端设置在每三个正负脉冲打击完毕后检测，或者只在单个正或者负脉冲打击完毕后检测.2.3.2 TLP技术的ESD测试方法芯片的ZAPMASTER ESD质量检测得到的只是其ESD耐压.要优化器件的ESD防护性能需要全面掌握防护器件的电学参数，而且一种典型的描述模型或单个工作优良系数并不能保证其能通过所有的EOS/ESD故障.例如一个芯片通过了CDM模型检测却在做HBM模型检测时失效.甚至器件在HBM模型测试下有1 kV和2~6 kV的ESD耐压，却在1~2 kV的范围内失效[4].如何准确测量ESD的有关参数尤其重要.因为直流大电流会引起器件的自加热，不能代表ESD事件的瞬态特性，因此在ESD防护器件的研究中，脉冲特性是必要的.器件在ESD事件下，其电流电压和时间的特性称为动态或准静态特性，在研发ESD防护器件中，TLP技术是一个必备手段.图2-10描述了待测器(Device Under Test，DUT)的脉冲特性，递增的脉冲信号加载在DUT上，此处为一个回滞(Snapback)特性的NMOS管防护器件.从其TLP I-V曲线中可知此NMOS管的触发点，维持点和热击穿点，以及NMOS管的导通电阻和漏电流[4].图2-10 连续脉冲方波的脉冲特性原理4002型TLP测试仪是美国Barth电子公司制造的，其主要组成部分有：Barth 40031传输线脉冲产生器控制盒、Tekronix 500 MHz数字示波器、Keithley 487皮安/电压源和斯坦福PS350高压电源供应器.其系统构架通过通用仪器总线(GPIB)由控制器控制，系统框图如图2-11所示.4002型TLP测试系统产生的脉冲波的上升时间可调整为0.2 ns，2 ns 和10 ns，脉宽可调为75 ns或100 ns.脉冲信号通过传输线传出，可对圆片或者封装好的测试器件或芯片进行测试.。
模拟静电场
模拟静电场简介静电场是一种存在于带电粒子周围的力场，它是由于带电粒子的电荷引起的。
在物理学中，静电场是研究范围广泛且重要的一部分，可以应用于各种领域，如电力工程、电子学和生物学等。
为了更好地理解静电场的性质和行为，科学家们通过模拟和实验方法进行研究。
本文将介绍如何使用模拟方法来模拟静电场，并给出一些常见的模拟实例。
模拟方法在模拟静电场时，我们可以使用计算机模拟的方法。
通过在计算机上建立数学模型，并运行相关的模拟算法，我们可以模拟出静电场的各种性质和运动规律。
常见的模拟方法包括：1.粒子方法：采用粒子模型来描述电荷的位置和运动状态，通过模拟粒子的相互作用来模拟静电力场。
常用的粒子模拟算法包括质点法和粒子法等。
2.网格方法：将空间划分为网格，通过计算网格点上电荷的叠加效应来模拟静电场。
常见的网格模拟算法包括有限差分法和有限元法等。
3.边界元法：将带电物体的表面分割为小元素，通过计算边界上的电荷叠加效应来模拟静电场。
边界元法可以非常准确地计算复杂形状物体的静电场。
4.装配法：将静电场模拟问题抽象为一个线性方程组，并使用矩阵装配和求解方法来求解方程组，从而得到静电场的解。
模拟实例1. 粒子模拟粒子模拟方法常用于模拟小尺寸的物体，例如分子和原子。
在粒子模拟中，每个粒子的位置和电荷状态都被建模，并通过求解牛顿方程和库仑定律来计算粒子间的作用力。
通过迭代计算，我们可以模拟出粒子的运动轨迹和静电场分布。
下面是一个用粒子模拟方法模拟带电粒子在二维空间中的运动轨迹的示例代码：import numpy as npclass Particle:def__init__(self, x, y, q):self.x = xself.y = yself.q = qdef get_force(self, particle):dx = particle.x -self.xdy = particle.y -self.yr = np.sqrt(dx**2+ dy**2)f =self.q * particle.q / r**2fx = f * dx / rfy = f * dy / rreturn fx, fydef update(self, particles, dt):ax =0ay =0for particle in particles:if particle !=self:fx, fy =self.get_force(particle) ax += fxay += fyself.x +=self.vx * dt +0.5* ax * dt**2self.y +=self.vy * dt +0.5* ay * dt**2self.vx += ax * dtself.vy += ay * dtparticles = [Particle(0, 0, 1),Particle(1, 0, -1),Particle(0, 1, -1),Particle(1, 1, 1)]dt =0.01for _ in range(1000):for particle in particles:particle.update(particles, dt)2. 网格模拟网格模拟方法常用于模拟较大尺寸的物体，例如金属导体和电力设备。
静电放电(ESD)保护器件的模拟与仿真.
First, this paper points outthe basic theory, test methods and protective mechanism of ESD protection.
Second, study the importance of the grid to define the steps and process simulation processes in the process simulation, and the method of the grid defined discussed.
Keyword:ESD;Grid; Device simulation;BJT;SCR
第
1.1课题的研究背景及意义
随着集成电路朝着高性能大规模等方面迅速发展的同时，在所有集成电路的失效产品中，由于ESD造成的失效占据相当大的比例.因此，ESD保护器件的研究越来越受到人们的重视.ESD保护器件的工作原理为：在器件正常工作过程当中，ESD仅是表现为容值极低的（正常<5 pf）容抗特性，并不会对正常的器件特性产生影响，并且不会影响电子产品的信号及数据传输；当器件两端的过电压到达预定的崩溃电压时，ESD防护器件快速（纳秒级）做出反馈，并放大极间漏电流通过，从而达到吸收、削弱静电对电路特性的干扰和影响.同时，因为ESD保护器件的构成材质十分特殊，ESD往往是通过对静电进行吸收和耗散，即表现为一个充放电的过程，达到对设备进行静电防护的作用，因此设备中的ESD保护器件都不容易老化损坏.
空气式静电放电规律研究和理论建模
空气式静电放电规律研究和理论建模
空气式静电放电规律研究和理论建模
空气静电放电(ESD)是一种复杂的气体放电过程并受到很多因素的影响,其中放电电压的大小、极性、电极接近速度和环境湿度都是影响放电的主要因素.利用本课题研制的新型静电放电实验装置,在不同的放电电压、不同极性、不同电极接近速度和不同环境湿度条件下研究了空气ESD的放电特性,重点分析了放电电流峰值与这些因素的关系.建立了能够估算放电参数和被试设备接收的耦合电压之间定量关系的数学模型,可为ESD抗扰度实验的定量分析提供参考.
作者：贺其元刘尚合王庆国武占成 HE Qi-yuan LIU Shang-he WANG Qing-guo WU Zhan-cheng 作者单位：军械工程学院,静电与电磁防护研究所,河北,石家庄,050003 刊名：河北大学学报（自然科学版）ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2007 27(6) 分类号：O441.1 关键词：静电放电(ESD) 耦合电压接近速度极性效应数学模型。
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静电理论与防护 5
电感
电容
2018年11月1日星期四
1.1.2 人体电容的计算
人体电容 CB =Cg +Cs
人体的脚通过鞋底与地面构成 的平行板电容器的电容 Cg
把人体看成孤立导体，对 自由空间的电容 C
S
Cg
容易计算得 Cg = r 0 A/t = 0.0885 r A/t (pF) 其中 为鞋底的相对电 r 容率A为鞋底的相对电 C =56 pF 容率t为鞋底的相对电 容率
2018年11月1日星期四
静电理论与防护
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1.2 机械模型
最大峰值 电流 主脉冲 周期
二次峰值 电流
Im 是最大峰值电 Ip2是二次峰 流， I 值电流，其值应 为对应 Ip1 绝对值 的67%～90% t pm是主脉冲周 ， 期，应为 63ns~91ns,测 量取值为第一个 零点与第三个零 点的时间差。
8
Ir为最大的振 图6-1人体静电放电模型荡电流峰-峰 值
tr为脉冲 上升时间
td为脉冲 衰减时间
图6－3 人体静电放电模型的短路电流波形
2018年11月1日星期四 静电理论与防护
1.2 机械模型
机械模型（Machine Model）也称日本模型，简称MM。 主要用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。 在研制开发过程中，由于电路很难做到足够低的电感，因 此各种机器模型静电放电模拟器的差别很大，元器件对 MM模型静电放电比HBM模型静电放电更敏感。
1.3 带电器件模型
带电器件模型（Changed Device Model），简称CDM。 是假定对一个器件在其引线框架上或其它导电路上充电， 然后通过一管脚迅速对地放电的情况。通常用来描述带电 器件发生的静电放电现象。由于带电器件模型描述的放电 过程是器件本身带电而引起的，所以带电器件模型失效是 造成电子器件损坏，失效的主要原因之一。
容器通过一个 1K 200V，经过 5欧的电阻对地放 秒的稳定后，用继 电，并用电流探头和示波器采集 电器把带电人体对电容器放电， 1980年5月，美国海军司令部在广泛地研究，考查了电子行业中各种人体 ESD 放电电流波形，通过比较人体和 经过计算可得当人体离地面的高 模型之后，发布了DOD1686 标准，规定了标准的人体ESD模型，用100pF的 电容器的放电电流的峰值来确定 度超过一定值时，人体电容趋于 电容器串联1.5千欧的电阻作为人体 ESD模型。 美国ESD协会标准ESD 人体放电参数 STM5.1-1999以及国际电工委员会标准 最小值50pF IEC61340-3-1不仅规定了标准人体模型 的电路参数，而且还规定了放电电流波形及电流参数。人体ESD模型主要用 于对电子器件的静电敏感度测试。而在一些特殊行业中，根据行业的特点采 用的人体ESD模型应有所不同。
引言
静电放电是一个复杂多变 的随机过程 不利于得到具有重 复性的放电结果， 难以有效地对 ESD的效应和危 害进行正确的评估。 但是根据不同场合 静电放电的主要特 点可以建立相应的 静电放电模型，来 模拟静电放电的主 要特征。
产生静电放电的静 电源多种多样 同一种静电源对不同的物体放电 时产生的 结果不一样
主要内容
静电放电的几种模型
静电放电模拟器
静电放电辐射场的理论建模
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静电理论与防护
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（一）静电放电的几种模型
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静电放电的几种模型
人体模型 机械模型 带电器件模型 静电放电的模型 传输脉冲模型 场感应模型
人体金属模型
ESD家具模型 其他模型
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s
Cs = 4 0 r = 0.55H (pF)
其中H为人体的高度 一般在计算C 时不管人 体的高度如何通常取等 C 效球的半径r=50cm, 这样得到 Cs =56pF
s
g
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1.1.3 标准人体模型
1976年科克等人分别用高圧电 科克等人确定人体放电参数为
受气候，环境等条件的影响
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1.1.1人体模型
人体模型（Human Body Model），简称HBM。主要用 来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用。人体是产生 静电危害的最主要的静电源之一。
电阻
人体电阻依赖于人体肌肉的 弹性和，水份，接触电阻等因素 电感的量值仅为零点几个 微亨，通常不考虑 与人体的身高，体重，衣着，鞋袜及 地面和附近墙壁材料等因素有关， 也与测试方法有关
电容趋于最小值50pF
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1.1.3 标准人体模型
脉冲从峰值的10%上升 到峰值的90%所需要的 时间tr为脉冲上升时间， 一般为2~10ns；脉冲从 峰值下降到峰值的 36.8%所需要的时间td 为脉冲衰减时间，一般为 150±20ns；电流脉冲 波形中第一个波峰与第一 个波谷之间的差值Ir为最 大的振荡电流峰－峰值， 应该小于短路放电峰值电 流Ips的15％，且脉冲开 始100ns后应该观察不到 。
m
图6-7 MM ESD典型短路电流波形
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1.2 机械模型
最大峰值 电流 100ns 时的电流 值
IIPR是最大峰值电 流， I100 是100ns 时的电流值。
PR
图6-8通过500欧电阻放电的MM ESD典型短路电流波形
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电器件模型
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1.4 传输脉冲模型
上述所有ESD测试模型都具有相同的缺点，就是采用这 些模型的测试方法对器件都具有破坏性。这些测试模型提 供的是静电放电敏感元器件的失效阈值，不提供元器件可 能的失效机理方面的信息，而这些信息对ESD防护电路设 计很重要，传输线脉冲（TLP）技术能获得这方面的信息。 TLP测试系统容易控制 。