摘要：通过搭建ESD测试系统，测量TVS二极管的ESD防护性能，比较其标称参数与ESD防护性能之间的关系。结果表明，TVS二极管的反向击穿电压在一定程度上能够反映ESD防护能力，反向击穿电压与ESD峰值电流、ESD钳位电压呈线性关系，标称钳位电压略低于实际ESD钳位电压，而其他标称参数与ESD防护能力关联较小。标称参数难以全面反映器件的ESD防护能力。
关键词：瞬变电压抑制二极管；标称参数；静电放电测试方法；静电放电防护能力
引言
目前集成化、多功能化的电子产品应用广泛，而且产品的工艺尺寸不断缩小，这使得静电放电（ＥＳＤ）问题日益严峻［１－２］。静电危害会导致产品故 障或性能下降，降低使用寿命。如何提高产品的静 电放电防护能力受到学者们的广泛关注，使用ＥＳＤ防护器件是有效的解决方案之一［３］。但目前没有统一的标准来评估静电防护器件的防护性能，这给ＥＳＤ防护器件的选择和ＥＳＤ防护设计带来了诸多 的不利。本文以常用的防护器件瞬变电压抑制二极管为对象，研究其标称参数与ＥＳＤ防护性能的相关性。
１ＴＶＳ二极管简介
ＴＶＳ即瞬变电压抑制二极管（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｖｏｌｔ－ａｇｅｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒｄｉｏｄｅ），是一种常用的静电防护器 件［４－５］，将其并联到保护结构两端，能够及时泄放瞬态大电流，实现电路防护。
１．１ＴＶＳ二极管的工作原理
ＴＶＳ是一种半导体二极管，内部是由硅通过扩散工艺形成的ＰＮ结［６－７］。ＴＶＳ用作静电防护时，内部ＰＮ结处于反向偏置状态。在一定电压范围内，ＰＮ结截止，仅有很小的漏电流流过，ＴＶＳ表现为高阻抗状态。当反向电压高于ＰＮ结反向击穿电压时，由于ＰＮ结的内电场很强，少数载流子受到强电场作用，获得很大的能量，并与其他原子发生碰撞，形成新的电子、空穴对，增加了载流子数量，新的载流子又会在强电场作用下碰撞形成更多的电子、空穴对，造成连锁反应，使反向电流迅速增大，此时ＴＶＳ表现为低阻抗状态，并吸收大量脉冲功率，使两极间电压钳位在一个预定值。利用ＴＶＳ的雪崩击穿特性，可实现ＥＳＤ防护［８］。
１．２ＴＶＳ二极管的标称参数
ＴＶＳ的数据手册中给出了一系列标参 数。一个双向ＴＶＳ的典型参数如图１所示。其中，ＩＴ是测试电流，常为１ｍＡ；ＶＢＲ是测试电流条件下的击穿电压，即内部ＰＮ结雪崩击穿电压值；ＶＲＷＭ是反向工作峰值电压，略小于击穿电压；ＩＲ是器件端电压为ＶＲＷＭ时的最大反向漏电流；ＩＰＰ是规定脉冲条件下（１０／１０００μｓ标准指数波形）最大反向峰值电流；ＶＣ是反向电流达到峰值ＩＰＰ时的钳位电压。手册中还列出标称功率值，为在测试波形下的峰值消散功率ＰＰＫ＝ＩＰＰ·ＶＣ。
上述ＴＶＳ的典型参数在一定程度上能表征其工作特性，但并不能全面地反映ＴＶＳ器件对静电放电的响应。
２ 静电放电实验研究
２．１ＥＳＤ防护参数
衡量保护器件抗静电放电能力的参数主要有：器件鲁棒性、静态工作参数、动态保护工作参数。器件鲁棒性指器件自身对静电放电的耐受能力，健壮的鲁棒性能保证器件正常工作而不受损伤。静态工 作参数的意义在于受保护结构或系统正常工作时，保护器件不会降低系统工作性能，尤其是保证输入输出信号的完整性，主要参数有漏电流、电容值等。动态保护工作参数则能够表征系统受到静电放电脉 冲攻击时，器件泄放脉冲电流、保护后级组件不受ＥＳＤ脉冲损伤的能力，主要参数有导通时间、钳位时间、钳位电压、峰值电压、峰值电流等。
ＴＶＳ二极管的鲁棒性较高，通常都能满足电路设计要求，不是选件的首要考虑因素。由于工艺原因，ＴＶＳ二极管的静态工作参数相差不大（尤其是同一生产商的情况下），静态工作参数常作为参考参数衡量器件是否满足设计要求。根据ＥＳＤ设计窗的要求进行ＥＳＤ设计时，动态保护工作参数是设计 师们主要的考虑因素。静态工作参数和鲁棒性都可以直接测量。本文搭建系统测量ＴＶＳ的动态保护工作参数，并结合标称参数，分析ＴＶＳ的ＥＳＤ防护能力。
２．２实验方案
为了能够有效评估器件的ＥＳＤ防护能力，并模拟真实工作情况，本文设计的测试方法原理如图２所示。其中，５０Ω电阻模拟了后级受保护结构，它 由特征阻抗一定的测试系统构成，能够直观地测量得到保护器件的电压钳位能力；电流采样电阻用于观测器件的泄流能力，用电流靶实现。使用ＥＳＤ防护器件的目的是提升系统 ＥＳＤ抗扰度，系统级测试标准为ＩＥＣ６１０００－４－２标准［９］，因此放电源选取为该标准中规定的人体金属模型接触式放电波形。
３测试结果与数据分析
３．１ＴＶＳ器件对静电放电的响应
根据原理图搭建测试系统，并选取多个不同型号的ＴＶＳ器件，依次设置放电电压为２、４、６、８ｋＶ，进行放电实验。根据电压和电流响应波形，得到器件对静电脉冲的响应规律。不同型号的响应规律相似，以型号为 Ｐ６ＫＥ６８ＣＡ的ＴＶＳ二极管为例说明，图３和图４为测试结果。
从图３和４图中可以看出，在静电放电脉冲开始后，电压迅速上升，ＴＶＳ触发导通，电流瞬间增大，同时电压在几纳秒内降低到某一恒定值并维持稳定，而电流则升至峰值。之后随着脉冲的减弱，电流也随之降低，直至静电放电脉冲结束。
比较不同放电电压的波形，除峰值有所不同外，其余部分几乎重合，这表明ＴＶＳ对不同放电电压响应的时间以及钳位效果相同。峰值电压主要受引线电感以及器件响应速度的影响，随放电电压的升高而升高。在脉冲刚开始的几纳秒内，ＴＶＳ器件并没有完全触发，其电压幅值主要取决于注入静电放电 脉冲的大小；待 ＴＶＳ完全导通后，ＥＳＤ钳位电压变化不大，在８５～１１０Ｖ之间，主要因为ＴＶＳ的导通 电阻较小，大电流仅引起电压的微小变化。同时，由 于钳位电压相对稳定，当放电电压增加时，电流也随之增大，将ＥＳＤ脉冲的能量释放到大地。
３．２ＴＶＳ二极管的标称参数与ＥＳＤ防护能力的关联
ＴＶＳ二极管的标称参数中，反向工作峰值电压和最大反向漏电流主要反映ＴＶＳ在截止状态下的工作状况，而ＴＶＳ的静电放电防护能力则与其在反向击穿状态下的参数有关，主要有反向击穿电压、最大反向峰值电流、钳位电压以及标称功率等。
（１）反向击穿电压
选取标称功率为６００Ｗ、反向击穿电压分别为１８、３３、６８、９１、１２０Ｖ的ＴＶＳ二极管进行测试，整理各器件在放电电压为２、４、８ｋＶ 情况下的峰值电压、钳位电压和峰值电流，并进行线性拟合分析，如图５－７所示。图中实心点为实测数据点，直线为数据点的线性拟合曲线。
在图５中，峰值电压的变化非常小，主要因为静 电放电波形具有很陡峭的上升沿，其上升时间小于ＴＶＳ响应时间，因此ＴＶＳ没能削弱该波形的第一个峰值，该峰值主要取决于放电电压。在图６和图７中，ＴＶＳ的ＥＳＤ钳位电压随着器件反向击穿电压的增加而增加，且略高于器件反向击穿电压，但峰值电流随着反向击穿电压的升高而略有下降，这说明器 件的反向击穿电压虽不能直接表明器件的ＥＳＤ防护水平，但能定性的反映器件的ＥＳＤ动态保护特性。
（２）标称功率
ＴＶＳ标称功率是在１０／１０００μｓ的指数波形下 测量得到的峰值功率，但该测试波形与静电放电波形不同，因此需要讨论该标称功率与器件ＥＳＤ防护效果的关系。分别选取标称功率为６００Ｗ和１５００Ｗ的几组ＴＶＳ进行测试，其中一组的测试结果如图８和图９所示。
从图８和图９中可以看出，标称功率不同的ＴＶＳ器件对同一放电电压的响应曲线几乎重合，标称功率与ＥＳＤ动态保护特性无关。而且ＥＳＤ峰值 功率要远大于器件标称功率，但器件仍能正常工作，说明标称功率不能直观反映器件对ＥＳＤ的耐受能力。若要评定ＴＶＳ的鲁棒性，还需要进行ＥＳＤ抗扰度测试。
（３）钳位电压
由于ＴＶＳ二极管并非理想器件，存在较小的导通阻抗，剧烈变化的电流仍能引起电压的微弱变化，因此只能给出ＴＶＳ器件对ＥＳＤ响应的钳位电压的 范围，难以定义具体的ＥＳＤ钳位电压值。但结合图３可以看出，ＥＳＤ钳位电压范围约为８５～１１０Ｖ，略 高于标称参数的钳位电压６８Ｖ。而且其他ＴＶＳ器件也具有相同的规律，即ＥＳＤ钳位电压范围略高于 标称参数钳位电压值。
其他标称参数，由于测试波形选取不同或应用范围不一致，与ＥＳＤ防护能力不相关，不进行研究。
４ 总结
ＴＶＳ的技术手册中给出了反向击穿电压、钳位 电压、峰值电流等参数，但其测量波形与静电放电波形有很大不同，因此手册中的参数不能有效反映ＴＶＳ的静电放电防护能力。本文用人体金属模型作为放电源，对ＴＶＳ二极管进行了ＥＳＤ测试，并重点分析其标称参数与ＥＳＤ动态保护特性的关系。
研究结果表明，器件标称功率既与ＥＳＤ动态防护特性无关，也不能直观反映器件的鲁棒性水平，但标称功率与静态工作特性和器件鲁棒性是否关联有 待深入研究；标称钳位电压值与 ＥＳＤ钳位电压值具有相同的数量级，但标称值略低于ＥＳＤ的钳位值，不能直接将标称值应用于ＥＳＤ设计中；反向击穿电压与ＥＳＤ防护能力关联性最大，却难以直接反映ＥＳＤ防护的具体参数值，但ＥＳＤ峰值电流、ＥＳＤ钳位电压与反向击穿电压呈线性关系，基于本文所绘曲线，可以对ＴＶＳ器件的ＥＳＤ防护参数进行估计， 同时也可根据实际需求（如电路所需钳位电压、泄放电流大小等）选择 ＴＶＳ二极管的型号。总之，ＴＶＳ二极管的标称参数并不能全面地反映器件的ＥＳＤ防护能力，选用ＴＶＳ二极管进行ＥＳＤ设计时，还需进行详细测试以确定选件标准。本文的研究给工程师在选择ＴＶＳ进行静电放电防护设计时提供了理论基础和指导性意见。
