Microelectronics - ESD.

1. Diode 2개로 직렬 구성

가장 일반적으로 적용 되는 방식으로 diode 2개를 직렬로 구성하여 대책하는 회로

양(+)극성의 정전기와 음(-)극성의 정전기 방전에 대해 diode가 각각 역할을 분담하는 형태의 구조

이러한 방식은 IC의 내부 회로의 port에도 구성됨

 

2. TVS(Transient Vlotage Suppression)

등가적으로 Zener diode 두개를 마주보게 구성한 형태

순방향에서는 일반적인 diode trun-on 특성(VF = 0.6~0.7V)을 가지며, 역방향에서는 Breakdown을 일으켜 역방향으로 급격히 turn-on되는 특성을 이용한 반도체 소자

 

3. Varistor

소자 양단에 걸리는 전압 값에 따라 저항 값이 급격히 변화하는 특성을 가지며, 소자의 구성물은 ZnO(산화아연)이 주를 이루는 화합물 반도체 소자

정격 전압 이하에서는 절연체(500MΩ 이상)로써 동작

순간 과전압 발생 시 수 mΩ이하의 도체로 저항 값이 급격하게 감소

 

2 diode, TVS 등가모델

 

2-diode의 경우, clamping 전압이 비대칭이며 TVS와 Varistor는 대칭형이다. TVS는 등가적으로 두 개의 제너 다이오드를 마주보게 직렬 구성한 소자로, 회로의 ESD로부터 보호하기 위해 적용하는 소자로 대책이 필요한 지점과 접지 사이에 연결한다. Uni-direction과 Bi-direction 두 가지 형태가 있다. 

 

Varistor는 TVS와 비슷한 역할을 하는 ESD대책 부품이다. 그러나 구조적인 차이점으로 인해 varistor가 다이오드에 비해 우수한 특성을 나타낸다. 다이오드는 하나의 p-n junction layer로 구성되어 있는 반면 varistor는 수백만 개의 작은 p-n junction이 직-병렬로 연결되어 있는 구조이다. 

 

따라서, 다이오드는 최대 수천 회의 ESD에 견딜 수 있는 반면 varistor는 수만 회 이상의 ESD를 견딜 수 있다. 또한 ESD에 반응하는 turn-on-time 역시 varistor는 0.2 ~ 0.7ns인 반면 다이오드는 0.7ns 이상이다. turn-on-time(speed of response)이 중요한 이유는 ESD wave의 상승시간이 0.7 ~ 1.0ns정도에 최대 에너지 값에 이르게 되므로, 그 이전에 대책 부품이 작동하는지의 여부가 효율적인 대책이 되느냐를 결정하기 때문이다.  

 

특성	Varistor	TVS
ESD 반복 특성	수만 회 이상	수천 회
Clamping Voltage	높음	낮음(TVS 사용 이유)
Speed of response	0.2 ~ 0.7ns	0.7 ~ 5.0ns
Leakage Current	낮음	높음
Capacitance	높음(저속 회로, 전원 회로)	낮음(고속 회로)
가격	낮음(양산성↑)	높음