在芯片級ESD防護中最普遍的器件就是增強型NMOS（下文中的NMOS都是增強型），接下來的幾期會淺談一下NMOS在ESD防護中的作用與設計思路。

目前主流的ESD-NMOS有兩大設計思路：GGNMOS（Gate Ground NMOS），GCNMOS（Gate Couple NMOS）。其中GGNMOS最為常見，設計最為簡單。但是其巨大的寄生電容使其在serdes與AD-DA等領域應用受限。而GCNMOS與GGNMOS完全是兩種工作原理，GCNMOS的應用場景更為廣闊，使用更為靈活，且相較于GGNMOS晦澀復雜且玄學的器件級仿真，GCNMOS可以在cadence中進行電路級仿真，使得其在電路設計人員眼中的可靠性大幅提高（GGNMOS也一樣靠譜，但是仿不出來結果。。。沒法交差。。。。）

GGNMOS與GCNMOS其本質的差異是工作原理的不同，這期就先從GGNMOS講起。

圖一.GGNMOS工作原理與TLP曲線

GGNMOS工作原理：

GGNMOS結構如圖所示：柵極接地，整個管子處在常關態，導電溝道關閉。通過調整Drain與P-sub的摻雜濃度與拓撲結構使其Breakdown Voltage位于ESD Design Window內，要高于正常工作電壓。在正常工作的情況下整個GGNMOS處于高阻態，并聯在PAD與GND軌間，不會影響電路的正常工作狀態。當ESD電流從PAD進入IC后，整個回路電壓提升，當電壓達到Drain（N）/Sub（P）的反偏擊穿電壓后，器件體內Drain/P-sub會發生雪崩擊穿，大量雪崩擊穿產生的載流子通過襯底電阻，產生壓降。當Vsub-source壓降》0.7V后，在器件體內由Drain—Psub—Source構成的NPN寄生三極管完全導通，此時Drain的電位對應TLP曲線中的（Vt1，It1）點，該點電壓稱為trigger voltage。

當發生trigger后，整個GGNMOS表現出負阻行為，稱為snap-back，發生snap-back是由于Drain—Psub—Source構成的NPN寄生三極管導通后，來自source端的漂移載流子數目開始增多，導電機制的變化使得維持相同電流的偏壓大幅度降低，器件出現負阻特性。當電壓降低到Vh，電流提升到Ih。（Vh，Ih）被稱為holding voltage，這一點說明器件中電流基本是由漂移載流子提供，雪崩擊穿產生的載流子可忽略不計。此時負阻特性結束，整個器件發生電導調制效應，可以理解為整個器件完全導通，IV特性與電阻相似。隨著電壓與電流的增加，當達到（Vt2，It2）點，整個器件會發生二次擊穿，表明器件燒毀。

圖二.GGNMOS不同狀態下的電場分布。

圖二給出了電場分布的大致示意圖，并給出大注入情況下的二維橫向泊松方程。考慮到三維空間下，在縱向也會產生電場。外加Krik效應與Early效應，真實狀態的電場分布會極其復雜。

總結：ESD電流會造成Drain與襯底P-sub的反偏結擊穿，此時器件中以雪崩擊穿載流子為主，襯底電阻在雪崩載流子作用下產生偏壓，Drain—Psub—Source構成的NPN寄生三極管完全導通，此時電壓稱為Trigger Voltage表明器件開始發生snap-back特性，導電機制發生轉變，當偏移載流子提供所有的電流后，電壓會降低，該點的電壓稱為Holding Voltage，之后器件的電路特性類似于電阻，直至二次擊穿，器件損壞。

GGNMOS設計思路：

用于ESD防護的NMOS與常規NMOS現階段已經產生了結構差異。目前最主要的工藝差異有LDD注入和Silicide層，ESD防護器件目前會去除這兩項工藝，同時GGNMOS會將Drain拉寬。

圖三。普通NMOS與ESD-NMOS的區別。

LDD在普通NMOS中便于表面溝道的形成，但是在GGNMOS中會造成這部分耐壓過低，電場過于集中，不利于器件魯棒性。同樣Silicide是降低源漏區的表面電阻，便于載流子在表面流動，而GGNMOS反而需要載流子往體里流動，通過體內的寄生三極管流出，所以專門的Silicide block mask 遮擋Silicide注入。

目前大部分snap-back型ESD器件的設計思路無外乎三點：trigger Voltage ，holdding Voltage，Second breakdown Voltage 。GGNMOS也是如此。針對trigger Voltage主要是調整反偏PN結的雪崩擊穿電壓。一種設計思路是改變兩邊的摻雜濃度：線性緩變結的反向擊穿電壓會高于突變結，濃度越低反向擊穿電壓越高。

圖四。GGNMOS漏端濃度調節方法。

如圖所示，調節方法要么改變P-sub濃度，在某些外延層工藝中襯底替換為P-eqi，要么將N+放入Nwell中。通過這兩種思路來改變結擊穿電壓。