Кіріспе
MOSFET тізбектерінде пайда болатын қысқа тұйықталу. Электроникада, тұйықталу – интегралдық схемада (IC) болатын қысқа тұйықталу түрі. Нақтырақ айтқанда, бұл MOSFET тізбегінің қуат көздері арасында төмен кедергілі жолдың кездейсоқ пайда болуы, бұл бөліктің қалыпты жұмысын бұзатын паразиттік құрылымды тудырады, тіпті артық токтан оның бүлінуіне де әкелуі мүмкін. Бұл жағдайды түзету үшін қуатты қайта қосу қажет. Паразиттік құрылым әдетте тиристорға (немесе SCR) баламалы, ол PNP және NPN транзисторларынан тұратын PNPN құрылымы, олар бірімен бірі тікелей орналасқан. Тұйықталу кезінде транзисторлардың біреуі тоқ өткізгенде, екіншісі де тоқ өткізе бастайды. Олар құрылым тікелей токқа бағытталған және одан ток өткенше, әдетте қуатты өшіргенге дейін, бір-бірін толыққанды күйде ұстап тұрады. SCR паразиттік құрылымы, қақпалардың шығыс драйверлеріндегі тотемдік полюсті PMOS және NMOS транзистор жұбының бір бөлігі ретінде қалыптасады. Тұйықталу қуат көздері арасында ғана емес, қажетті паразиттік құрылым бар кез келген жерде пайда болуы мүмкін. Тұйықталудың жалпы себебі – цифрлық чиптің кіріс немесе шығыс тірегіндегі оң немесе теріс кернеудің күрт өсуі, ол рельс кернеуінен диодтық құлаудан артық болса. Тағы бір себеп – қуат көздерінің кернеуінің абсолютті максималды шегінен асып кетуі, көбінесе қуат көзіндегі уақытша қысқа мерзімді өсімнен. Бұл ішкі түйіннің бұзылуына әкеледі. Бұл көбінесе қуат қосылғанда қажетті реттілікте қосылмаған бірнеше қуат көзін пайдаланатын тізбектерде болады, нәтижесінде деректер желілеріндегі кернеулер әлі номиналды қуат көзіне жетпеген бөліктердің кіріс кернеуінің шегінен асып кетеді. Тұйықталу электростатикалық разрядтан да туындауы мүмкін. Тұйықталудың тағы бір жалпы себебі – иондаушы сәулелену, бұл ғарышқа (немесе өте биік биіктікке) арналған электрондық өнімдер үшін маңызды мәселе. Жеке оқиға тұйықталуы – бір оқиғадан туындаған тұйықталу, әдетте космостық сәулелерден немесе күн жарқылынан шыққан ауыр иондар немесе протондар. Жеке оқиға тұйықталуы (SEL) радиациялық қорғаудың бір бөлігі ретінде бірнеше өндіріс әдістерімен толық жойылуы мүмкін. Жоғары қуатты микротолқынды кедергілер де тұйықталуды тудыруы мүмкін. CMOS интегралдық тізбектер де, TTL интегралдық тізбектер де жоғары температурада тұйықталуға көбірек бейім.
In electronics, a latch up is a type of short circuit which can occur in an integrated circuit (IC). More specifically, it is the inadvertent creation of a low impedance path between the power supply rails of a MOSFET circuit, triggering a parasitic structure which disrupts proper functioning of the part, possibly even leading to its destruction due to overcurrent. A power cycle is required to correct this situation. The parasitic structure is usually equivalent to a thyristor (or SCR), a PNPN structure which acts as a PNP and an NPN transistor stacked next to each other. During a latch up when one of the transistors is conducting, the other one begins conducting too. They both keep each other in saturation for as long as the structure is forward biased and some current flows through it which usually means until a power down. The SCR parasitic structure is formed as a part of the totem pole PMOS and NMOS transistor pair on the output drivers of the gates. The latch up does not have to happen between the power rails it can happen at any place where the required parasitic structure exists. A common cause of latch up is a positive or negative voltage spike on an input or output pin of a digital chip that exceeds the rail voltage by more than a diode drop. Another cause is the supply voltage exceeding the absolute maximum rating, often from a transient spike in the power supply. It leads to a breakdown of an internal junction. This frequently happens in circuits which use multiple supply voltages that do not come up in the required sequence on power up, leading to voltages on data lines exceeding the input rating of parts that have not yet reached a nominal supply voltage. Latch ups can also be caused by an electrostatic discharge event. Another common cause of latch ups is ionizing radiation which makes this a significant issue in electronic products designed for space (or very high altitude) applications. A single event latch up is a latch up caused by a single event upset, typically heavy ions or protons from cosmic rays or solar flares. Single event latchup (SEL) can be completely eliminated by several manufacturing techniques, as part of radiation hardening. High power microwave interference can also trigger latch ups. Both CMOS integrated circuits and TTL integrated circuits are more susceptible to latch up at higher temperatures.
CMOS-ті бекіту
Барлық CMOS интегралды схемаларында тұйықталу жолдары болады, бірақ тұйықталуға бейімділікті азайтуға бағытталған бірнеше жобалау техникалары бар. CMOS технологиясында бірқатар ішкі биполярлы қосылыс транзисторлары бар. CMOS процестерінде, бұл транзисторлар n ұңғымасы/p ұңғымасы және негіздің үйлесімі паразиттік n p n p құрылымдарын қалыптастыруға себеп болғанда мәселе тудыруы мүмкін. Осы тиристор сияқты құрылғыларды іске қосу Vdd және GND желілерінің қысқа тұйықталуына, әдетте микросхеманың бұзылуына немесе электр қуатын өшіру арқылы ғана шешілетін жүйелік қателікке әкеледі. Бірінші суреттегі n ұңғымасы құрылымын қарастырайық. n p n p құрылымы NMOS транзисторының көзі, p негізі, n ұңғымасы және PMOS транзисторының көзі арқылы қалыптасады. Схемалық эквиваленті де көрсетілген. Екі биполярлы транзистордың біреуі тікелей бағытта (құдық немесе негіз арқылы ток ағуы нәтижесінде) қоректенген кезде, ол екінші транзистордың базасын қоректендіреді. Бұл оң кері байланыс токтың күшеюіне, тізбек бұзылғанша немесе күйіп кеткенше жалғасады. CMOS тұйықталуын болдырмау үшін қазіргі кездегі стандартты техниканы 1977 жылы Hughes Aircraft компаниясы ойлап тапты.
Қалқалаудың алдын алу
NMOS және PMOS транзисторларын қоршап тұратын оқшаулағыш оксид қабатын (қазан деп аталады) қосу арқылы чиптерді тұйықталуға төзімді етуге болады. Бұл осы транзисторлар арасындағы паразиттік кремний басқарылатын түзеткіш (SCR) құрылымын жояды. Мұндай компоненттер қуат пен сигналдардың дұрыс тізбегін кепілдеуге болмайтын жағдайларда, мысалы, ыстық ауыстыру құрылғыларында маңызды. Жоғары дозаланған негіздерде өсірілген жеңіл дозаланған эпитаксиалдық қабаттарда жасалған құрылғылар да тұйықталуға аз сезімтал. Жоғары дозаланған қабат артық азшылық тасымалдаушылары тез қайта біріктірілетін ток кетіруші ретінде әрекет етеді. Көптеген кремний изоляторы құрылғылары өздерінен-өздері тұйықталуға төзімді болады. Тұйықталу – бұл ванна мен қуат көзі арасындағы төмен кедергілі қосылыс. Сондай-ақ, тұйықталудан сақтану үшін әр транзисторға жеке қосылым (тап) орнатылады. Бірақ бұл құрылғының өлшемін арттырады, сондықтан өндіріс орындары (фабтар) тапты орналастыру үшін ең аз кеңістік береді, мысалы, 130 нм технологиясында 10 мкм.
Қалқалауды сынау
EIA/JEDEC СТАНДАРТЫ IC құлыптану тесті EIA/JESD78 қараңыз. Бұл стандарт IC сапасын растау талаптарында жиі сілтеме ретінде қолданылады.