静电是每个人都体验过的噪声。但「为什么它会击穿半导体」「放电时流过的是怎样的电流波形」，知道的人恐怕不多。
本文先讲清静电放电（ESD）与浪涌的基础，再用机器模型（MM）的等效电路说明放电电流波形，并延伸到保护器件的选型。MM 是放电路径电感起主导作用、产生衰减振荡的模型，很适合用来从电路上理解「波形为什么会振荡」。
静电是怎么产生的
静电由绝缘体之间的摩擦产生（摩擦起电）。塑料地板、地毯、化纤衣物等日常绝缘材料都很容易带电。不只是人体，金属体同样会带电，包括生产设备、治具和工具。
决定带电量的是湿度。干燥空气是优良的绝缘体；湿度高时空气本身的绝缘性下降，积累的电荷会自然泄放。冬季干燥时节静电特别多，原因就在这里。
带电物体接触设备端子时，蓄积的电荷会瞬间放电。这份能量足以破坏半导体器件。
放电模型不止一种 —— HBM 与 MM
静电放电（ESD）的等效电路取决于从什么放电。有两种代表性模型。
- 人体放电模型（HBM：Human Body Model）：从带电人体的指尖放电的模型。标准（ANSI/ESDA/JEDEC JS-001）规定 C=100 pF、R=1.5 kΩ。由于电阻较大，波形是不振荡的指数衰减。
- 机器模型（MM：Machine Model）：带电金属体（设备、治具）放电的模型。C=200 pF、R≈0 Ω。金属之间放电几乎没有电阻，于是与放电路径的电感发生谐振，波形呈衰减振荡。
本文将用等效电路来看电感效应（衰减振荡）表现得最明显的 MM。
机器模型（MM）—— 用等效电路看金属放电
机器模型把带电金属体表示为 C、R、L 电路。金属体上蓄积的电荷（C）经由放电路径的电阻（R）与电感（L）一次性放出。
各常数的含义（机器模型 MM）：
- C（等效电容）：表示带电金属体蓄积的电荷。MM 的规定值为 200 pF。
- R（放电电阻）：金属之间放电，路径电阻几乎为零。MM 的规定值为 0 Ω（实机上也仅数欧姆）。电阻小则电流大，响应呈振荡性。
- L（等效电感）：放电路径的布线电感（约 0.5 µH）。由于 R 近乎为零，该 L 与 C 谐振，产生衰减振荡波形 —— 这正是 MM 的本质。
- 开关：表示金属体接触端子那一刻放电的开始。
放电电流波形，就是这个 C、R、L 串联回路的响应。
补充一点，MM 最初是日本的半导体厂商作为「人体模型的最恶劣情形」提出的。它电阻近乎为零、电流很大，在相同带电电压下破坏力比 HBM 更强，因此 MM 的试验电压设定为数百伏，低于 HBM 的数千伏。目前 MM 已不属于 IC 品质保证的必做试验（JESD22-A115 于 2016 年转为非现行，现行必做的是 HBM 与 CDM），本文把它作为「理解放电波形物理的经典模型」来处理。
放电波形 —— 衰减振荡与阻尼
MM 的放电波形由 C、R、L 构成的 RLC 串联电路响应决定。波形形态取决于电阻 R 与「临界电阻」2√(L/C) 的大小关系，分为两种。
当 C=200 pF、L=0.5 µH 时，临界电阻为 2√(L/C) = 2√(0.5µH / 200pF) = 100 Ω。
- R 小于临界电阻（MM 本来的 R≈0）：因 L-C 谐振而呈衰减振荡波形。谐振频率为
1/(2π√(LC)) ≒ 16 MHz。 - R 大于临界电阻：振荡消失，变为不振荡的指数衰减。
MM 的可怕之处在于电阻几乎为零。放电路径的阻抗主要由浪涌阻抗 √(L/C) = √(0.5µH / 200pF) ≒ 50 Ω 决定，即便带电电压只有 200 V，峰值电流也可达 200V / 50Ω ≒ 4 A。相同电压下，流过的电流远大于 HBM（R=1.5 kΩ），而且是在纳秒量级内完成。
为什么会击穿半导体
CMOS 的输入栅极是高度绝缘的电极，其绝缘膜是数纳米到数十纳米的薄氧化膜。ESD 的大电流流过这层膜时，局部焦耳热会在某一点造成绝缘击穿。
MM 破坏力的来源是峰值电流的大小与上升的陡峭程度。电阻几乎为零，蓄积的电荷便一次性释放。从能量看 E = ½ × C × V²：C=200 pF、V=200 V 时 E = ½ × 200×10⁻¹² × (200)² = 4 µJ，看似很小，但它在数十纳秒内释放，并伴随数安培的峰值电流，对薄绝缘膜是致命的。
更麻烦的是输入端子接到连接器的机器设计。连接器未插合时 CMOS 输入仍保持高绝缘、容易带电，而在插合的瞬间就会发生放电。
ESD 与浪涌保护器件的选型
针对 ESD 与浪涌，基本对策是「用保护器件钳位」。下面介绍几种代表性的保护器件。
TVS 二极管（Transient Voltage Suppressor）
属于齐纳二极管的一种，平时不导通，一旦超过设定电压（钳位电压）就瞬间变为低阻抗，吸收过压。响应速度极快（皮秒量级），可应对 ESD 这类陡峭的浪涌。
- 单向型：与整流二极管类似，应对单方向的浪涌
- 双向型：也可应对交流和反向浪涌。常用于信号线保护
压敏电阻（ZNR / MOV）
电压升高时阻抗急剧下降的器件（Voltage Dependent Resistor）。特性对称，因此双向都有效。响应速度略慢于 TVS，但吸收能量大，适合保护电源线。
GDT（气体放电管）
利用封入气体的弧光放电来吸收浪涌。钳位电压偏高（数十伏以上），可应对大电流浪涌（如雷击浪涌）。多用于电话线、天线系统等。
保护器件的布置与思路
保护器件应布置在尽可能靠近输入端子的位置。目的是在浪涌进入电路板之前就将其钳住。
另外，要让保护器件发挥最大效果，必须把连接路径的电感降到最小。若保护器件到 GND 的走线很长，L×di/dt 造成的压降会抵消保护器件的作用。像 MM 这样上升很快（di/dt 很大）的放电，受这段走线电感的影响尤其大。
多级保护同样有效。在连接器入口放 GDT（应对大电流）、在板内放 TVS（高速、精密保护），这样的两级结构对大浪涌和小浪涌都能应对。
生产环节的 ESD 对策
除了产品上市后的 ESD 对策（保护器件），制造与组装工序中的 ESD 对策同样重要。正如机器模型所显示的，来自带电设备、治具的放电会产生非常大的峰值电流。CMOS 的输入端子在接线前仍处于高绝缘状态，即使少量带电也会被击穿。
工厂里的基本对策：
- 工作台铺设导电垫，经高电阻（约 1MΩ）接地
- 作业人员佩戴金属腕带（防静电手环），同样经高电阻接地
- 使用导电地板与防静电鞋（电阻过低有触电风险，取 0.1〜100MΩ 左右）
- 用离子风机（静电中和装置）使空气电离，让电荷自然消散
- 元器件用导电袋（防静电袋）保管与搬运
之所以要经高电阻接地，是因为已经带电的物体若突然直接接地，会有大电流流过而损坏器件。目的是让电荷缓慢泄放。
总结
- 静电由摩擦产生，人体和金属体（设备、治具）都会带电。冬季干燥时节尤其多
- ESD 的等效电路随放电源而变。人体是 HBM（100pF/1.5kΩ，指数衰减），金属体是 MM（200pF/0Ω，衰减振荡）
- MM 的 R≈0，放电路径的 L 与 C 谐振而呈衰减振荡。超过临界电阻 2√(L/C) 后转为指数衰减
- 电阻近乎为零的 MM，即使数百伏峰值电流也可达数安培，足以击穿薄薄的 CMOS 绝缘膜
- 保护器件（TVS、压敏电阻、GDT）应靠近连接器布置，并使到 GND 的走线最短
- 生产现场也必须用导电地板、防静电手环、离子风机来防止带电
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