How Does the PN Junction Structure of ESD Protection Diodes Affect Their Discharge Capability?

ESD保护二极管的PN 结结构（如平面型、沟槽型）如何影响其ESD泄放能力？

1.平面型 PN 结：

PN结位于芯片表面，结面积易做大，可承受更大的ESD脉冲电流（如:HBM 15kV），但寄生电容较大（因结面积大），且表面易受污染物影响导致击穿电压不稳定，适用于低频、大电流防护场景（如:电源VBUS）

1.1 平面型 PN 结是一种通过平面工艺（如光刻、扩散或离子注入）在半导体晶片表面形成的 PN 结结构

     其核心特点是整个PN 结平面化地分布在硅片表面，并通过二氧化硅（SiO₂）氧化层实现保护和隔离，这与早期的点接触型或台面型 PN 结形成鲜明对比

1.1.1 结构特点与制造工艺 : 平面工艺的核心步骤

• • 氧化层生长：在 N 型硅衬底表面热生长一层二氧化硅（SiO₂），作为后续工艺的掩蔽层
  • 光刻定义区域：通过光刻技术在氧化层上刻蚀出窗口，暴露出需要掺杂的区域。例如，若要形成 P 型区，需在窗口处注入或扩散硼（B）等受主杂质
  • 选择性掺杂：杂质通过扩散或离子注入进入暴露的硅表面，在硅片内部形成 P 型区，与原始 N 型衬底交界处即形成 PN 结
  • 金属电极制备：最后通过光刻和蒸镀工艺在 P 区和 N 区表面分别沉积金属（如铝）电极，实现外部电气连接

• • 杂质掩蔽：未被光刻窗口暴露的氧化层可阻挡杂质扩散，确保 PN 结仅在目标区域形成
  • 表面钝化：氧化层覆盖 PN 结表面，减少表面缺陷和漏电流，显著提升器件稳定性和可靠性
  • 绝缘隔离：氧化层作为天然绝缘体，可在集成电路中隔离相邻器件，避免短路

1.1.2  其他 PN 结结构的对比

• 台面型 PN 结
• • 结构：通过蚀刻形成 “台阶状” 结构，PN 结暴露于侧面，需额外钝化层保护
  • 优势：电场分布更均匀，耐压能力强（可达数千伏），适用于高压器件（如功率二极管）
  • 劣势：工艺复杂、成本高，且因侧面暴露导致漏电流较大
• 点接触型 PN 结

• • 结构：通过金属丝与半导体表面点接触形成，PN 结面积极小（如微米级）
  • 优势：结电容小（<1pF），适合高频检波或小信号处理
  • 劣势：无法承受大电流，稳定性较差

1.1.3 性能特点与应用场景

• 性能优势

• • 高电流承载能力：平面型 PN 结的接触面积大（可达平方毫米级），可通过数安培至数十安培的电流，例如快速二极管和功率整流器。
  • 低漏电流与高稳定性：氧化层的钝化作用显著降低表面漏电流，长期工作可靠性高。
  • 适合大规模集成：平面工艺与集成电路制造兼容，可在同一硅片上密集排列大量 PN 结（如芯片中的二极管阵列）。

• 典型应用

• • 整流电路：如 AC-DC 电源中的桥式整流器，利用平面型二极管的大电流能力。
  • 开关器件：在数字电路中作为高速开关，响应速度可达纳秒级。
  • 传感器与光电器件：如平面型光电二极管，通过大面积 PN 结提高光吸收效率

2.沟槽型 PN 结：

通过深沟槽隔离技术将PN结垂直分布于芯片内部，结边缘电场更均匀，击穿电压一致性更好，且结面积可精准控制，寄生电容比平面型低30%-50%（如:<0.5pF），但结面积受沟槽深度限制，电流泄放能力略弱于平面型，适用于高频信号通路（如HDMI 2.1、DisplayPort）

2.1  结构特点与制造工艺

• • 氧化层生长：在N型硅衬底表面热生长一层二氧化硅（SiO₂），作为后续工艺的掩蔽层
  • 光刻定义区域：通过光刻技术在氧化层上刻蚀出窗口，暴露出需要掺杂的区域。例如，若要形成P型区，需在窗口处注入或扩散硼（B）等受主杂质
  • 选择性掺杂：杂质通过扩散或离子注入进入暴露的硅表面，在硅片内部形成P型区，与原始N型衬底交界处即形成PN结
• 金属电极制备：最后通过光刻和蒸镀工艺在P区和N区表面分别沉积金属（如铝）电极，实现外部电气连接

• • • 杂质掩蔽：未被光刻窗口暴露的氧化层可阻挡杂质扩散，确保PN结仅在目标区域形成
    • 表面钝化：氧化层覆盖PN结表面，减少表面缺陷和漏电流，显著提升器件稳定性和可靠性
    • 绝缘隔离：氧化层作为天然绝缘体，可在集成电路中隔离相邻器件，避免短路

2.2 与其他PN结结构的对比

• • 结构：通过蚀刻形成 “台阶状” 结构，PN结暴露于侧面，需额外钝化层保护
  • 优势：电场分布更均匀，耐压能力强（可达数千伏），适用于高压器件（如功率二极管）
  • 劣势：工艺复杂、成本高，且因侧面暴露导致漏电流较大

• • 结构：通过金属丝与半导体表面点接触形成，PN 结面积极小（如微米级）
  • 优势：结电容小（<1pF），适合高频检波或小信号处理
  • 劣势：无法承受大电流，稳定性较差

3.1 性能特点与应用场景

• • 高电流承载能力：平面型 PN 结的接触面积大（可达平方毫米级），可通过数安培至数十安培的电流，例如快速二极管和功率整流器
  • 低漏电流与高稳定性：氧化层的钝化作用显著降低表面漏电流，长期工作可靠性高
  • 适合大规模集成：平面工艺与集成电路制造兼容，可在同一硅片上密集排列大量PN结（如芯片中的二极管阵列）

ESD 参数：https://www.yint.com.cn/products/emsproduct/esd/index.html

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