為什麼會產生靜電? 與為什麼需要ESD防護? 使用東芝的ESD保護二極體

什麼是ESD？

靜電是在介電材料表面產生的電荷。當帶正電和帶負電的物體相互接觸或靠近時，便會釋放出靜電。這種現象稱為靜電放電(ESD：Electro Static Discharge)。當帶電的人體接觸電子設備時，產生的ESD可以達到數千伏特的量級。

為什麼會產生靜電？

當兩個不同的物體互相摩擦或物體緊密接觸後又分離時（例如，當剝離食品保鮮膜時），電子可能會從一個物體移動到另一個物體。因為由於不同物質的原子核對核外電子的束縛能力不同，有些物質傾向於失去電子帶正電，而有些物質傾向於接收電子帶負電。根據物質對電子的束縛能力強弱的排列清單稱為靜電序列。在靜電序列中相隔較遠的兩種物體相接觸所產生的接觸電位差較大。任何物體都是由原子組成的，而原子則由帶正電的原子核和帶負電的電子所組成。原子在通常情況下,由於原子核的正電荷跟核外電子總共帶的負電荷數量相等,故整個原子呈中性,對外不顯電性，所以整個物體是中性的。然而，摩擦會使電子從一個物體移動到另一個物體，造成正負電荷的不平衡。

圖1. 靜電序列

圖2. 靜電的產生

為什麼需要ESD保護？

為實現電子產品的高性能化和小型化，半導體製造商不斷開發具有越來越小的幾何形狀的新製程。關於實現小型化的縮放比例定律(scaling rule)，該法律規定若晶體管的尺寸縮放為1 / k，則其面積減小為1 / k2，消費電流減小為1 / k，且電路延遲減小到1 / k。根據此縮放比例定律，則可實現電子產品的小型化，低耗電化和高速化。

但是，當寬度和長度縮放到1 / k時，厚度通常也會按比例縮放。這意味著用於半導體裝置製造的絕緣膜的厚度也減小到1 / k。二氧化矽（SiO2）通常用作矽半導體裝置的絕緣體。 SiO2的介電強度為8～10 MV / cm，每公分恆定。因此，當絕緣膜的厚度減小到1 / k時，其介電強度也會減少到1 / k。

上述半導體的縮小製程是導致半導體裝置更容易受到ESD影響的因素之一。不僅是半導體，隨著應用於電子產品中電子裝置的小型化和高性能化進步，也將導致其更容易受到ESD事件的影響。

此外，人們使用電子產品的方式已經發生了很大變化。由於二十年前使用的電子產品由於大多都是在家中使用的固定設備，因此很少重新連接電纜。但是，隨著筆記型電腦和手機的普及，產品被頻繁連接到USB和LAN電纜用來充電和數據通訊。

如前所述，當兩個不同物體彼此接觸或靠近時均需要採用ESD保護對策。因此ESD保護對策被更廣泛的使用。

隨著ESD抗擾性的降低和ESD衝擊次數的增加，導致電子產品性能下降和產品性能受損的風險增加。因此，使用ESD保護元件現在變得越來越重要。