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基于CMOS工艺的射频集成电路ESD保护研究
摘要：
在现代集成电路的发展中，射频集成电路（RFIC）得到广泛的应用。然而，在RFIC系统中，静电放电（ESD）是一项常见的问题，可以导致器件损坏和性能降低。为此，本文研究了基于CMOS工艺的射频集成电路ESD保护方案。首先介绍了ESD现象和对器件的影响，接着讨论了常见的ESD保护方法，并详细介绍了一种基于源/漏结构的ESD保护方案，最后通过仿真验证了该方案的有效性。
关键词：射频集成电路；CMOS工艺；静电放电；ESD保护
引言：
射频集成电路是一类使用高频信号进行通信和数据传输的半导体器件。随着现代通信技术的不断发展，RFIC系统在通信产业中得到了广泛的应用，尤其是在无线通信领域。但是，RFIC器件容易受到静电放电（ESD）的影响，从而严重影响了器件的性能和可靠性。因此，在RFIC设计中，ESD保护方案必须被优先考虑。
本文旨在通过研究基于CMOS工艺的射频集成电路ESD保护方案，提高射频集成电路的性能和可靠性。
1.静电放电（ESD）
静电放电是指两个物体之间旋转电容，当两者体系分离时，静电能存储在被分离的物体上。如果静电能达到一定的值，当两者相遇时，能够导致巨电流放电现象。这种放电现象对于集成电路来说十分危险。
当静电能大于器件承受能力时，静电放电产生的电压可能足以穿破集成电路的金属导线和二极管等设备。这些放电现象虽然可能是短暂的，但却足以轻易地损坏器件。因此，ESD保护方案是射频集成电路设计中不可缺少的一部分。
2.常见的ESD保护方案
在RFIC系统中，常见的ESD保护方案包括基于二极管的保护、基于瞬变电压抑制器件的保护，以及基于RC网络和基于源/漏结构的保护。
*基于二极管的保护
在这种保护方案中，二极管通常通过与基片中的P型基底联系起来，扮演保护器件的角色。当静电放电导致射频器件中的二极管氧化或击穿时，剩余的放电电流会通过连结的二极管从基底引向集体端，以此避免电荷累积和器件损坏。
这种保护方案有一个缺点，就是在信号传输过程中，反向二极管的电容会对射频信号产生大量产生影响。而这些影响会对射频信号和ESD保护电路的高频性能产生负面影响。
*基于瞬变电压抑制器件的保护
瞬变电压抑制器件（TVS）是一种通常被应用于ESD保护电路中的器件。在ESD事件中，这些器件引出的额定电压可以削减并反转放电电流。TVS还具有快速反应时间的优势，能够保护高速RFIC器件。
在使用TVS处理ESD事件时，电路中的安全级别主要取决于TVS电压抑制速度和TVS的故障模式。此外，TVS还受限于其体积、损耗和网络集成的限制。
*基于RC网络的保护
RC网络在射频器件中广泛存在，因为它们可以在射频电路中保持宽带传输线电路的高速性能。基于RC网络的保护方案消耗的能量更少，因此，能够避免因ESD保护而产生的电路复杂性和额外的电源消耗。
但是，基于RC网络的保护方案也有一个弱点，就是阻抗失配。无法使线端的匹配阻抗完美匹配，因此会引起过渡电压的反射，进而降低网络的保护水平。此外，它对ESD事件大小的响应还不够标准。
*基于源/漏结构的保护
源/漏结构是一种CMOS操作模式，该操作模式允许电荷在源/漏结构之间通过。当电流在结构中流动时，漏电容和栅电容之间会产生充电电路。在这种情况下，ESD放电电压会被漏电容电压吸收并分散掉。
3.基于源/漏结构的ESD保护方案
在本文中，将讨论一种基于源/漏结构的ESD保护方案。该方案利用了源/漏结构的优势，将漏电容和栅电容之间的充电电路与源/漏结构合并到同一结构中。由于建立了这样的电流通路，ESD放电电压得以被吸收并消散掉。
具体来说，该ESD保护方案由一个NMOSFET器件和一个PMOSFET器件组成。这些器件被放置在位于上层金属层的单元单元，可以在以下架构模式中使用。
图1：基于源/漏结构的ESD保护方案
如图1所示，当ESD事件发送时，以下两种模式可能会发生：
模式1：当ESD能量足够小时，阀门元件不反向导通，电荷在漏重复容量（Cdrn）和源漏引脚之间流动，并在结构之间扩散，从而保证所保护的器件不受到损坏。
模式2：当ESD能量足够大时，阀门元件反向导通，并导致该结构与基片之间充电电流的通道开启，从而分散电子局部密度和抑制ESD能量的有害影响。
通过电路仿真，在保护器件的I-V响应中与方案的可靠性和高效性相一致。此外，该方案与瞬变电压抑制器件（TVS）的ESD保护性能较为相当，与基于源/漏结构的保护方案相比，它的系统复杂度更低且能够适合低功耗电路。
结论：
本文介绍了射频集成电路ESD现象的影响以及常见的ESD保护方案。在基于CMOS工艺的射频集成电路中，基于源/漏结构的ESD保护方案能够实现有无线网络技术的高速传输，系统性能更为稳定。该方案与其他ESD保护方案相比有