TVS二極管（ESD保護二極管）
TVS二極管（ESD保護二極管）基礎知識 | 東芝半導體&存儲產品中國官網
第Ⅰ章：什麼是TVS二極管（ESD保護二極管）？
1、什麼是TVS二極管（ESD保護二極管）？
ESD保護二極管是一種齊納二極管。
當二極管反向偏置時，有很少的電流從陰極流向陽極。然而，當反向偏壓超過某一點（稱為反向擊穿電壓）時，反向電流突然增加。隨著反向偏壓增加，無論二極管流過的電流大小，二極管都會形成恒定電壓區域。利用齊納二極管擊穿電壓（齊納電壓）特性可以構成恒壓穩壓器，抑制浪湧電壓。齊納穩壓二極管用於保持恒定電壓，而ESD保護二極管用於吸收ESD能量，保護電路。
圖1.1齊納二極管正向和反向偏置圖1.2二極管特性
1-1反向擊穿電壓
反向擊穿電壓由齊納擊穿或雪崩擊穿決定。 齊納擊穿 當pn結反向偏置時，耗盡層延伸穿過pn結。電場造成耗盡層內p型區價帶與n型區導帶之間的間隙減小。因此，由於量子隧穿效應，電子從p型區價帶隧穿到n型區導帶。齊納擊穿是電子隧穿耗盡區導致反向電流突然增加的現象。齊納擊穿如圖1.3所示。 雪崩擊穿 當pn反向偏置時，少量電子通過pn結。這些電子在耗盡層被電場加速，獲得較大動能。加速電子與晶格中的原子碰撞電離產生電子空穴。這些原子的電子被激發到導帶並脫離，成為自由電子。自由電子也加速並與其他原子碰撞，產生更多的電子-空穴對，導致電子進一步脫離的過程。這種現象稱為雪崩擊穿。 雪崩擊穿和齊納擊穿對比 高擊穿電壓二極管摻雜濃度低，因此形成寬耗盡層（禁帶）。相反，低擊穿電壓二極管摻雜濃度高，所以它們形成窄耗盡層（禁帶）。二極管耗盡層寬時，不太可能發生電子隧穿（齊納擊穿），主要為雪崩擊穿。高摻雜濃度二極管耗盡層窄，更容易發生齊納擊穿。隨著溫度上升，禁帶（Eg）寬度減小，從而產生齊納效應。此外，隨著溫度升高，半導體晶格振動增加，載流子遷移率相應下降。因此，不太可能發生雪崩擊穿。齊納擊穿電壓隨溫度升高減小，而雪崩擊穿電壓隨溫度升高增加。通常，大多數情況下，齊納擊穿電壓約為6V以下，雪崩擊穿電壓約為6V以上。請註意，即使同一產品系列的二極管，溫度特性也不一樣。
圖1.3齊納擊穿圖1.4雪崩擊穿
1-2使用不同類型保護二極管（ESD保護二極管和用於過壓保護的齊納二極管
ESD保護二極管是一種齊納二極管，專門用來保護電路免受過壓浪湧，特別是靜電放電（ESD）事件的影響。ESD保護二極管主要用於ESD短脈沖，以及脈沖寬度幾微秒以下的雷電感應和開關浪湧保護。專門用於脈沖寬度大於ESD浪湧保護的齊納二極管，稱為浪湧保護齊納二極管。這些齊納二極管適用於雷電感應和開關浪湧引起的、脈沖寬度大於幾微秒的過壓脈沖電路保護。
圖1.5過壓脈沖分類表1.1電壓浪湧類型
ESD保護二極管專門用於過壓浪湧，特別是ESD放電電路保護，而不會影響信號線波形。ESD保護二極管電容為0.12pF至100pF。浪湧保護齊納二極管具有寬結，以便吸收大量浪湧能量。這類二極管的總電容為100pF至600pF，適用於雷電感應和開關浪湧的保護。表1.2顯示ESD保護二極管和浪湧保護齊納二極管適用於不同類型過壓浪湧脈沖：
表1.2浪湧保護效果
1-3保護二極管（ESD保護二極管和浪湧保護齊納二極管）與穩壓二極管的區別
保護二極管是一種齊納二極管。齊納二極管不僅可以用作保護二極管，還可以用作穩壓器。保護二極管專門用於保護電路免受ESD和其他瞬變脈沖的影響。相比之下，用於穩壓的齊納二極管擊穿模式下保持導通。 保護二極管 保護二極管用作浪湧保護電壓鉗。這類二極管在電路施加電壓過大時導通。 穩壓二極管 當小電流（IZ）從陰極（K）流到陽極（A）時，二極管兩端的電壓可用作恒壓源（VZ）。可用功率受二極管允許功耗及安裝板允許功耗的限制。
圖1.6保護二極管的工作原理（齊納二極管應用示例）圖1.7穩壓二極管的工作原理
第Ⅱ章：TVS二極管（ESD保護二極管）的基本工作原理
2、TVS二極管（ESD保護二極管）的基本工作原理
ESD保護二極管插在信號線與GND之間，保護受保護器件（DUP）免受電壓浪湧的影響。正常工作模式下（即沒有ESD浪湧情況），除極少量電流（IR）流過二極管使其反向擊穿電壓（VBR）高於信號線電壓之外，幾乎沒有電流流過ESD保護二極管。當高於反向擊穿電壓 （VBR）的浪湧電壓進入信號線時，ESD保護二極管將大量電流分流到GND，從而抑制浪湧電壓低於反向擊穿電壓（VBR）。
圖2.1 ESD保護二極管的應用示例和基本工作原理
2-1等效電路及優點
正常工作期間ESD保護二極管通常放在信號線與GND之間。因此，這些二極管在穩態下充當電容器。由於它們的電容和信號線的電阻組成低通濾波器（LPF），因此ESD保護二極管會造成插入損耗（IL），降低信號質量，取決其速度（特別是USB 3.0和USB 3.1等高速信號質量）。 浪湧電壓情況下當浪湧或外部噪聲通過連接器進入系統時，對後面器件（如IC）的影響很大程度上取決於是否有ESD保護二極管。沒有ESD保護二極管，浪湧電流全部直接流入敏感器件，造成器件故障或損壞。如果電路有ESD保護二極管，大部分浪湧電流通過它們分流到GND。ESD保護二極管動態電阻（Rdyn）表示浪湧電流分流到GND的難易程度。低動態電流ESD保護二極管能將更多浪湧電流分流到GND。這種二極管也有助於降低動態電阻，即端子之間電阻的電壓（稱為鉗位電壓）。ESD保護二極管動態電阻低，可減小流入受保護器件（DUP）的浪湧電流，從而為DUP提供更可靠保護。
圖2.2 ESD保護二極管的等效電路
第Ⅲ章：TVS二極管（ESD保護二極管）的主要電氣特性
3-1正常工作狀態（無ESD事件）的主要特性（1）
3-1（1）ESD保護二極管反向擊穿電壓（VBR）是否充分高於被保護信號線的振幅（最大電壓）
ESD保護二極管兩端電壓接近反向擊穿電壓（VBR）時，漏電流增加。電壓接近VBR時，漏電流可能使保護信號線的波形失真。反向電流（IR）隨反向電壓（VR）成指數增長。選擇VRWM高於被保護信號線振幅的ESD保護二極管非常重要。
圖3.1反向擊穿電壓與信號線電壓圖3.2 ESD保護二極管漏電流
3-1正常工作狀態（無ESD事件）主要特性（2）
3-1（2）ESD保護二極管總電容（CT）相對於受保護信號線的頻率是否足夠低
F圖3.3顯示ESD保護二極管的等效電路。二極管在正常工作期間不導通。此時，pn結交界面形成耗盡層，如圖3.3所示。耗盡層在電氣上起電容的作用。因此，除非在考慮被保護信號線頻率的基礎上，正確選擇ESD保護二極管，否則信號質量會下降。圖3.4顯示瞭總電容（CT）分別為5pF、0.3pF和0.1pF的ESD保護二極管插入損耗特性。電容大的二極管插入損耗高（如圖所示，特性曲線負值變化較大），從而限制瞭可使用的頻率范圍。例如，在Thunderbolt（帶寬為10Gbps，相當於5GHz的頻率）的情況下，電容小（0.1pF至0.3pF）的ESD保護二極管插入損耗小，幾乎不會影響二極管傳輸的信號，而5pF電容的ESD保護二極管插入損耗大，通過二極管的信號明顯衰減。
圖3.3 ESD保護二極管總電容圖3.4 ESD保護二極管總電容與插入損耗
降低總電容（總電容由二極管結電容和封裝中的寄生電容組成。其中很大一部分是結電容。） 反向偏置時，二極管因pn結（p:p型半導體，n:n型半導體）形成耗盡層產生電容。與電容相反，耗盡層起阻擋層的作用，隻有少數載流子通過。降低半導體區摻雜濃度會增加耗盡層寬度。因此，為瞭減小二極管的電容，有必要減小pn結面積或提高反向擊穿電壓（VBR），但任何一種方式都會導致ESD抗擾度下降。當兩個二極管串聯時，它們的組合電容減小。此外，二極管反向ESD能量耐受性比正向差。東芝低電容（Ct）ESD保護二極管采用ESD二極管陣列工藝（EAP）制造，多個二極管組合在一起減小電容，不影響ESD抗擾度。圖3.5顯示EAP配置中低電容ESD保護二極管電路圖。它由三個二極管組成：低電容二極管1和二極管2（電容分別為C1和C2）和高電容二極管3（電容為C3）。二極管1和二極管2的pn結面積小，反向擊穿電壓（VBR）高，而二極管3的pn結面積大，並且有足夠大的反向擊穿電壓（VBR）。加到陽極的ESD電流沿正向流過二極管1，加到陰極的ESD電流沿正向流過二極管2，然後反向流過二極管3，因為二極管3的VBR 低於二極管1。通常，二極管反向ESD能量耐受性低於正向。由於二極管1和二極管2的pn結面積較小，因此它們的反向ESD能量耐受性更差。然而，ESD保護二極管配置如圖3.5（a）所示時，ESD電流不會反向流過二極管1和二極管2。因此，這個電路整體上提高瞭ESD抗擾度。圖3.5（b）顯示這個ESD保護二極管的等效電容電路。低電容二極管2和高電容二極管3串聯，可以減小組合電容。此外，由於該電路VBR由二極管3的VBR決定，因此可以根據被保護的信號線調整二極管3的VBR，從而提高ESD抗擾度。
圖3.5 EAP電路配置
粗略總電容與信號頻率 根據信號頻率選擇ESD保護二極管時，可參考圖3.6。
圖3.6粗略總電容與信號頻率
3-1正常工作狀態（無ESD事件）的主要特性（3）
3-1（3） 信號極性（即信號電壓是否像模擬信號一樣穿過接地（GND）電位） 考慮到要保護的信號線的極性，有必要選擇單向或雙向 ESD 保護二極管。不同類型的二極管用於僅正向擺動的未調制數字信號（例如，0V（邏輯低電平）與5V（邏輯高電平）之間），以及電壓可正可負的無偏壓模擬信號。雙向ESD保護二極管可用於高於和低於GND范圍的信號，如下圖所示。（單向和雙向二極管均可用於電壓僅為正或僅為負的信號。)
圖3.7單向與雙向極性
3-2 ESD事件保護的主要特性（1）
3-2（1）低動態電阻（RDYN） 在發生ESD沖擊時，ESD電流同時流入ESD保護二極管和受保護器件（DUP）。這種情況下，減少流入受保護器件的電流（即增加分流到ESD保護二極管的電流）是十分重要的。目前，ESD保護二極管數據表含有動態電阻（RDYN）。RDYN是反向導通模式下VF–IF曲線的斜率。如果發生ESD沖擊，給定電壓下，低動態電阻ESD保護二極管可以傳輸更大電流。從連接器端看，ESD保護二極管和受保護器件的阻抗可視為並聯阻抗。如果ESD保護二極管阻抗（即動態電阻）低，則大部分浪湧電流可通過ESD保護二極管分流，減少流入受保護器件的電流，從而降低損壞的可能性。
圖3.8 ESD保護二極管動態電阻與流入受保護器件的電流
圖3.9說明如何計算ESD保護二極管的動態電阻（RDYN），以及ESD電擊時浪湧電流的流向。如果ESD保護二極管阻抗（即動態電阻）低，則大部分浪湧電流可通過ESD保護二極管分流到地（GND），從而減少流入受保護器件的電流。因此，ESD保護二極管有助於防止手保護啊器件因ESD沖擊而損壞。傳輸線脈沖（TLP）測試用於納秒級寬度短脈沖，根據隨時間變化的電流-電壓關系可研究二極管的電流-電壓（I-V）特性。下圖中，TLP I和TLP V分別代表電流和電壓。
圖3.9 ESD保護二極管動態電阻的作用
3-2 ESD事件保護的主要特性 (2)
3-2（2）低鉗位電壓（VC）和第一峰值電壓 圖3.10顯示采用IEC 61000-4-2規定ESD波形時，高低鉗位電壓（VC）ESD保護二極管的波形效果。這些波形采集於受保護器件（DUP）輸入端。具有低VC 的ESD保護二極管在30ns和60ns處鉗位電壓低於具有高VC 的ESD保護二極管。ESD波形曲線下的面積越小，受保護器件（DUP）受到的損壞越小。因此，具有低VC的ESD保護二極管可提供更好的ESD脈沖保護。此外，一些ESD保護二極管在ESD進入後不會立即響應。因此，如果ESD脈沖第一峰值電壓高於ESD保護二極管的VC，則可能施加到受保護器件，造成故障或破壞。ESD保護二極管響應速度高於其他類型保護器件。此外，東芝正在優化芯片工藝和內部器件結構，進一步降低第一個峰值電壓，從而在初始階段對ESD峰值電壓提供更可靠的保護。
圖3.11 ESD保護二極管浪湧吸收工作原理
3-2 ESD事件保護的主要特性（3）
3-2（3）ESD保護二極管吸收不同極性ESD脈沖工作原理 單向和雙向ESD保護二極管可吸收正負ESD脈沖。
圖3.11 ESD保護二極管浪湧吸收工作原理
第Ⅳ章：TVS二極管（ESD保護二極管）的選型指南
4、TVS二極管（ESD保護二極管）的選型指南
選擇正確的ESD保護二極管，請註意第3節介紹的主要電氣特性。 1.保持被保護信號的質量a）信號線電壓根據被保護信號線的最大電壓，選擇具有相應反向擊穿電（VBR）或工作峰值反向電壓（VRWM）的ESD保護二極管。b）信號極性跨GND電平信號（如模擬信號），使用雙向ESD保護二極管。c）信號速度根據被保護信號線的最大頻率，選擇總電容（CT）合適的的ESD保護二極管。 2.增強ESD保護性能d）動態電阻選擇動態電阻（RDYN）盡可能低的ESD保護二極管。e）鉗位電壓根據所需VRWM選擇最小鉗位電壓（VC）的ESD保護二極管。務必選擇VC 低於受保護器件耐受電壓的二極管。 3.ESD保護二極管ESD耐受性f）IEC 61000-4-2選擇保證ESD性能高於系統ESD抗擾度要求的ESD保護二極管。但請註意，ESD保護二極管的ESD性能通常與其總電容成正比。g）IEC 61000-4-5選擇電氣額定值高於峰值脈沖功率和峰值脈沖電流要求的ESD保護二極管。
圖4.1 VRMW，VBR，和信號線電壓（VSignal）
第Ⅴ章：TVS二極管（ESD保護二極管）佈局註意事項
5、TVS二極管 (ESD保護二極管) 的佈局註意事項
註意，ESD保護二極管位置影響ESD保護性能。
1.ESD保護二極管靠近ESD進入點。
2.在來自連接器的電路板走線分支成ESD保護二極管和DUP的兩條線路後，使與ESD 保護二極管（包括GND）串聯的走線電感降至最低。
圖5.1鉗位電壓差取決於ESD保護二極管的位置
3.不要將任何電路板走線與可能引入ESD脈沖的信號走線並行。特別是，避免ESD抗擾度低的器件電路板走線與可能受ESD事件影響的電路板走線並行。
圖5.2 ESD保護二極管電路板走線
第Ⅵ章：TVS二極管（ESD保護二極管）的絕對最大額定值
6、TVS二極管（ESD保護二極管）的絕對最大額定值
絕對最大額定值 定義ESD保護二極管最大額定值指最大允許電流、電壓、功耗和其他電氣特性。電路設計中，為瞭獲得ESD保護二極管最佳性能並且保持器件目標工作壽命周期的可靠性，瞭解最大額定值至關重要。為保證ESD保護二極管使用壽命和可靠性，不得超過最大額定值。ESD保護二極管根據絕對最大額定值機制定義最大額定值。絕對最大額定值指任何條件下，即使瞬間也不得超過的最高值。如果施加的應力超過規定的額定值，器件可能會永久損壞。不得超過任何絕對最大額定值。因此，應註意電源電壓波動、電子器件電氣特性變化、電路調整過程中應力可能高於最大額定值、環境溫度變化、輸入信號波動等情況。應考慮的主要額定值包括ESD保護二極管的ESD容限、峰值脈沖功率、結溫和存儲溫度。這些參數相互關聯，不能單獨考慮。它們還取決於外部電路條件。盡管絕對最大額定值通常規定的環境溫度（Ta）為25°C，但有些規定參數溫度條件不同。 靜電放電電壓（IEC 61000-4-2）（接觸），VESD指接觸放電ESD容限，即通過與受保護器件直接接觸放電。ESD容限是根據國際電工委員會（IEC）IEC 61000-4-2標準規定的方法和ESD波形測量的。規定的VESD值是測試波形的峰值。 靜電放電電壓（IEC 61000-4-2）（空氣），VESD指空氣放電ESD容限，即被測器件（EUT）與放電槍之間通過空氣層放電。IEC 61000-4-2規定瞭試驗方法和ESD波形。 峰值脈沖功率（tp＝8／20μs），PPKPPK是ESD保護二極管本身損壞之前可以分流的最大浪湧功率。圖6.1顯示使用8/20μs脈沖波形測量的峰值脈沖功率。(8／20μs表示波形上升到100%需要8μs，從100%下降到50%需要20μs。) 峰值脈沖電流（tp = 8/20μs），IPPIPP是ESD保護二極管本身損壞之前可以分流的峰值脈沖電流。圖6.1顯示使用IEC 61000-4-5規定測試波形測量的峰值脈沖電流。 結溫，TjTj是ESD保護二極管可以不劣化或自損壞的情況下工作的最高結溫。 存儲溫度，TstgTstg是ESD保護二極管不加電壓的情況下可以存儲和運輸的環境溫度范圍。
圖6.1 ESD保護二極管脈沖波形
補充資料：IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-5
IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-5旨在確保電子系統在日常環境中靜電放電的情況下不降級或不損壞。 1. IEC 61000-4-2測試（ESD抗擾度測試：人體放電模型）與人體放電模型（HBM）的情況一樣，這個測試模擬帶電人體可能產生的放電。ESD測試采用兩種方法：
- 直接放電：測試人體直接接觸系統或設備暴露的金屬表面可能產生的放電。
- 空氣放電：測試當表面塗有樹脂或其他塗層材料的被測設備（EUT）與放電槍之間可能通過空氣層產生的放電。
這些ESD測試是國際電工委員會（IEC）IEC 61000-4-2標準規定測試。東芝ESD保護二極管采用直接放電和空氣放電兩種方法進行測試。
圖6.2 IEC 61000-4-2測試
2. IEC 61000-4-5測試（浪湧抗擾度測試：雷電浪湧測試）
浪湧抗擾度測試也稱雷電浪湧測試，模擬直接雷電產生的瞬態現象，以及附近雷電感應引起的電壓和電流浪湧。該測試還包括大型機器電源接通時可能出現的瞬態開關現象，如負載急劇變化和負載短路。在施加浪湧電流電平和周期方面，IEC 61000-4-5測試是最嚴格的系統級浪湧抗擾度測試。
浪湧抗擾度測試是IEC 61000-4-5標準規定測試。
圖6.3 IEC 61000-4-5測試
第Ⅶ章：TVS二極管（ESD保護二極管）的電氣特性
7、TVS二極管（ESD保護二極管）的電氣特性
電氣特性 工作峰值反向電壓，VRWM電壓低於工作峰值反向電壓時，ESD保護二極管阻抗非常高。（即使施加工作峰值反向電壓，也隻有小於規定漏電流的電流流過。）設計師可以用這個參數作為指導，確保其高於被保護信號線的最大工作電壓。 總電容，CtCT是在指定反向電壓和頻率下施加小信號時，二極管端子上的等效電容。總電容是二極管的結電容與其封裝的寄生電容之和。結電容隨反向電壓的增加而減少。 動態電阻，RDYN動態電阻是指ESD保護二極管隨著反向電壓的增加反向擊穿時，VBR與VC之間VF–IF 曲線的電流斜率。下面描述的動態電阻和鉗位電壓表示ESD保護二極管的ESD性能。 反向擊穿電壓，VBR反向擊穿電壓是ESD保護二極管在規定條件下（通常定義為1 mA，盡管因器件而異）開始傳導規定量電流時的電壓。VBR最初是為齊納二極管定義的參數。VBR定義為ESD保護二極管導通電壓。 反向電流，IR反向電流是ESD保護二極管在規定電壓下反向偏置時，反向流動的漏電流。對於ESD保護二極管，IR 按工作峰值反向電壓（VRWM）定義。 鉗位電壓，VC鉗位電壓是ESD保護二極管指定峰值脈沖電流條件下最大鉗制電壓。VC通常在多個峰值脈沖電流點測量。如第6節（圖6.1）所示，峰值脈沖電流使用8／20μs波形。動態電阻和鉗位電壓代表ESD保護二極管的ESD性能。
圖7.1ESD保護二極管電壓-電流曲線