SCR（Silicon Controlled Rectifier，硅控整流器）是ESD保护中效率最高的器件。它利用PNPN四层结构的双BJT正反馈机制，实现极低的维持电压和极高的电流承受能力。
阳极 (Anode) ──── PAD
│
┌─────┤─────┐
│ │ │
│ P+ 阳极 │ ← Qpnp 发射极
│ │ │
│ N-Well │ ← Qpnp 基极 / Qnpn 集电极
│ │ │
│ P-Sub │ ← Qpnp 集电极 / Qnpn 基极
│ │ │
│ N+ 阴极 │ ← Qnpn 发射极
│ │ │
└─────┤─────┘
│
阴极 (Cathode) ── VSS
等效电路：两个交叉耦合的BJT
- Qpnp: E=P+阳极, B=N-Well, C=P-Sub
- Qnpn: E=N+阴极, B=P-Sub, C=N-Well
正反馈环路：
Ib_pnp → Ic_pnp = βpnp × Ib_pnp → Ib_npn = Ic_pnp
→ Ic_npn = βnpn × Ib_npn → Ib_pnp = Ic_npn
→ 当 βpnp × βnpn ≥ 1 时，正反馈自持 → SCR导通！I↑
│ ╱ 二次击穿
│ ╱
│ ┌──╱
│ │ ╱ 负阻区
│ │╱
│ ┌──╱← 维持点(Vh, Ih)
│ │ ╱ 维持区（极低电压！）
│ │╱ Vh ≈ 1-2V
│ ╱╱
│ ╱ ← 触发点(Vt1)
│╱ 关断区
└──────────────────────────→ V| 参数 | SCR | GGNMOS |
|---|---|---|
| 维持电压Vh | 1-2V（极低） | 3-5V |
| It2（单位宽度） | 30-80 mA/μm | 8-15 mA/μm |
| 面积效率 | 极高 | 中等 |
| 触发电压Vt1 | 10-20V（高） | 6-10V |
| 闩锁风险 | 高 | 低 |
| 响应速度 | 较慢（需建立正反馈） | 较快 |
标准SCR的触发电压很高（10-20V），远超先进节点的栅氧安全裕量。需要通过设计触发机制来降低Vt1。
标准SCR通过N-Well/P-Sub结的雪崩击穿触发。当阳极电压升高，N-Well/P-Sub结反偏击穿，产生的空穴电流流过Rsub触发Qnpn，正反馈建立。
在阳极N-Well中增加一个N+区，利用N+/P-Sub结的较低击穿电压触发：
阳极P+ ─── N-Well ─── N+触发区
│
P-Sub结击穿
BV(N+/P-Sub) ≈ 8-12V
比BV(N-Well/P-Sub)低在SCR中嵌入一个GGNMOS，利用GGNMOS的较低Snapback触发电压来触发SCR：
阳极 (PAD)
│
┌─────┤─────┐
│ P+ │ ← Qpnp 发射极
│ │ │
│ N-Well │ ← Qpnp 基极
│ │ │
│ ┌──┴──┐ │
│ │GGNMOS│ │ ← 嵌入的触发NMOS
│ │N+/P- │ │ Vt1 ≈ 6-8V
│ └──┬──┘ │ (比标准SCR低很多)
│ │ │
│ P-Sub │ ← Qnpn 基极
│ │ │
│ N+ │ ← Qnpn 发射极
└─────┤─────┘
│
阴极 (VSS)
工作过程：
1. PAD电压↑ → 嵌入GGNMOS漏极击穿
2. GGNMOS Snapback → 电流注入P-Sub
3. P-Sub电位↑ → Qnpn导通
4. Qnpn集电极电流→ Qpnp基极
5. 双BJT正反馈建立 → SCR完全导通
6. 维持电压降到1-2VSCR的维持电压Vh决定了ESD钳位效果，但过低的Vh可能导致正常工作时闩锁。需要精确控制。
如果Vh < VDD，SCR在正常工作时可能被噪声触发并自持导通（闩锁），导致芯片烧毁。安全条件：
Vh > VDD_max + ΔV_noise
典型要求：3.3V IO需要Vh > 4.5V，1.8V IO需要Vh > 2.5V
提高Vh的方法：
* 08-lvtscr-esd.sp
* LVTSCR ESD保护特性仿真
* ESD脉冲
Iesd pad 0 pwl 0 0 0.5n 0.5 2n 1.33 5n 2.0 20n 5.0 50n 1.0 150n 0.1
* LVTSCR简化模型
* 嵌入GGNMOS触发
Dtrig pad 0 d_bv7
Rtrig pad nwell 100
* 寄生PNP
Qpnp pad nwell sub pnp_par
* 寄生NPN
Qnpn nwell sub 0 npn_par
* Well和Sub电阻
Rwell nwell vddio 500
Rsub sub 0 300
* 钳位效果
Cpad pad 0 3p
* 模型参数
* .model npn_par npn Is=1e-16 Bf=20 Br=0.5
* .model pnp_par pnp Is=1e-16 Bf=10 Br=0.3
* .model d_bv7 d Is=1e-15 bv=7
.tran 0.01n 200n
.measure tran vt1 FIND V(pad) WHEN I(Qnpn)=1m CROSS=1
.measure tran vh MIN V(pad) FROM=10n TO=50n
.measure tran vclamp MAX V(pad)
.measure tran i_max MAX I(Iesd)
.print tran V(pad) V(nwell) V(sub) I(Iesd) I(Qnpn) I(Qpnp)
.end* 08-scr-latchup-risk.sp
* SCR闩锁风险评估仿真
* 正常工作条件
Vddio vddio 0 3.6 ; 最高工作电压+裕量
Vss 0 ss 0
* SCR结构
Qpnp pad nwell sub pnp_par
Qnpn nwell sub ss npn_par
Rwell nwell vddio 500
Rsub sub ss 300
* 噪声脉冲（模拟VDDIO过冲）
Vnoise vddio 0 3.6 sin(3.6 1.0 100Meg)
* 负载
Rload pad ss 10k
.tran 0.01n 200n
.measure tran vpad_max MAX V(pad)
.measure tran iscr MAX I(Qpnp)
.measure tran latchup WHEN I(Qpnp)=10m CROSS=1
.print tran V(vddio) V(pad) I(Qpnp) I(Qnpn)
.endSCR仿真关键发现：
| 变体 | 触发机制 | Vt1 | Vh | It2 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 标准SCR | NW/PSub雪崩 | 15-20V | 1-2V | 高 | 触发电压太高 |
| MLSCR | N+/PSub击穿 | 8-12V | 1-2V | 高 | Vt1仍偏高 |
| LVTSCR | 嵌入GGNMOS | 6-8V | 1-2V | 高 | 最常用，闩锁风险 |
| DTSCR | 二极管触发 | 可调 | 1-2V | 高 | 灵活但面积大 |
| SCR with RC | RC定时触发 | 可调 | 1-2V | 高 | 响应快，适合CDM |
DTSCR使用串联二极管链作为触发元件，触发电压由二极管数量精确控制：
PAD ──→ [D1] → [D2] → [D3] → ... → [Dn] ──→ SCR Gate
│ │
Vt1 = n × Vd_on ≈ n × 0.7V │
(n个二极管正向导通电压之和) │
│
SCR触发后：Vh降到1-2V │设计一个LVTSCR，要求Vt1≤8V，Vh≥4.5V（3.3V IO，安全系数1.36）。嵌入GGNMOS的BVdss=7V。计算：1)Vt1是否满足；2)Vh需要多大；3)如何提高Vh到4.5V。
1) Vt1 ≈ BVdss = 7V ≤ 8V ✅ 满足
2) Vh需 ≥ VDD_max × 1.36 = 3.6V × 1.36 ≈ 4.9V（更保守）
3) 提高Vh的方法：减小Rwell（增加N-Well接触）、减小Rsub（增加Sub接触）、增大阳极-阴极间距、使用分段阴极结构
比较SCR和GGNMOS在HBM 4000V下的面积需求。假设It2_SCR=60mA/μm，It2_GGNMOS=10mA/μm，安全系数1.5。哪个更省面积？
HBM 4000V峰值电流 = 2.67A
所需It2 = 2.67A × 1.5 = 4.0A
SCR: W = 4.0A/60mA/μm = 67μm
GGNMOS: W = 4.0A/10mA/μm = 400μm
SCR面积仅为GGNMOS的约1/6！
完成本课学习，你已经掌握了最高效的ESD保护器件！
✅ 已掌握 PNPN机理 ✅ 已掌握 LVTSCR设计 ✅ 已掌握 闩锁防护 ✅ 已掌握 触发工程