闩锁效应（Latch-up）

闩锁效应（Latch-up）原理解析

什么是闩锁效应（Latch-up）？

在CMOS N阱设计中，实际上是由于CMOS电路中基极和集电极相互连接的两个PNP和NPN双极性BJT管子(下图中，侧面式NPN和垂直式PNP)的回路放大作用形成的，在两个管子的电流放大系数均大于1时，电流在这两个管子构成的回路中不停地被放大，从而导致管子承受的电流过大而烧毁芯片的一种现象。

产生原理

状态一：假设在N阱或者Psub中由于外界的原因产生了载流子注入，电流分别为In和Ip, 且In* R_nwell=0.6，Ip*R_psub=0.6(假设PN结的导通电压<0.6)。
状态二：在所设压降下（有大电流产生），PNP的基极电位为1.2V, 集电极电位为0.6V, NPN的基极电位为0.6V, 集电极电位为1.2V，此时PNP和NPN的发射结都反偏, 集电结都正偏。从而两个BJT管子可进行电流放大，PNP产生了基极电流Ib1, 则集电极电流IC1=β1Ib1, NPN产生了基极电流Ib2, 则集电极电流IC2=β2Ib2。在近似状态下，Ib1=β2Ib2，Ib2=β1Ib1，因此在后面的循环中，NPN的集电极电流作为PNP新的基极电流进行电流放大，PNP的集电极电流作为NPN新的基极电流进行放大。多次循环之后，电流会被持续放大。
等效电路相当于形成一个正反馈电路（两个BJT的放大系数乘积>1），一旦有压降将PNP管导通，则会最终产生由两个BJT联合放大的电流，NPN和PNP管的支路电流不断循环叠加，达到芯片无法承受，自行停止运行或烧毁。

产生原因

①外部电流进入，例如ESD；
②大尺寸的数字输出反向器；

抑制方案

①源头解决，添加guard ring设计，降低Rwell和Rsub的电阻值，减小压降；阻止载流子进入BJT管；
②尽量让nmos和pmos隔的远一些，使侧面式NPN BJT管子的基区变厚，两个BJT的放大系数乘积<1;
③Substrate contact和well contact应尽量靠近source: 缩短了Rwell和Rsub的电阻的长度，减小了其电阻值

参考链接: https://zhuanlan.zhihu.com/p/645874970