静电放电(ESD)是电子设备制造和使用过程中常见的问题，它不仅可能导致电子元件的立即失效，更常见的是造成潜在性的损伤，这种损伤在初期可能不易察觉，但会大大降低器件的可靠性，使得器件在后续使用中更容易出现早期失效。针对ESD引起的损伤，已经发展出了多种损伤模型，主要包括人体带电模型(Human Body Model, HBM)、器件带电模型(Charge Device Model, CDM)以及电场感应模型(Field Induced Model, FIM)。
### 人体带电模型(HBM)
人体带电模型是基于带有静电的操作员在工作过程中与电子器件接触，导致人体存储的静电荷通过器件对地放电，从而损害器件的原理建立的。在这个模型中，人体被视为一个由电容(Cb，约为100pF)和电阻(Rb，约为1500Ω)组成的系统。当人体携带的静电电压为2kV时，储存的电能大约为0.2mJ，这些能量在放电过程中会在极短的时间内(约几十分之一微秒)释放出来，瞬间功率可高达数千瓦。
HBM又可以细分为两种损伤机制：
1. **过电流的热效应模型**：主要适用于双极型器件。当人体静电通过器件对地放电时，电流产生的焦耳热会导致结温升高，当温度超过材料的本征温度时，可能引发热斑或热击穿，导致器件损伤。
2. **过电压的场击穿模型**：当静电荷传递到器件而器件对地无有效放电路径时，器件上会出现高压，这可能导致MOS器件的栅氧化层击穿或极间空气隙击穿。
### 器件带电模型(CDM)
器件带电模型是指已带电的器件通过引脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效的情况。根据器件类型的不同，CDM又可以分为双极器件的热模型和MOS器件的场模型。
1. **双极器件的损伤模型**：热模型。假设器件管壳带有一定量的电荷Q，管壳电容为C(通常在1~20pF之间)，则静电压V=Q/C，存储的能量W=1/2CV。该模型将器件管壳视为一个电容器的极板，另一个极板为地，介质为空气。
2. **MOS器件的损伤模型**：场模型。这是一种多通路放电模型，当任意引脚接地时，各通路内的电荷会进行放电。如果放电过程中不同通路的放电特性差异导致横向或纵向产生电位差，且电位差超过了栅氧化层的介质击穿电压，栅氧化层就会发生击穿。
值得注意的是，相对于HBM，CDM下的损伤阈值较低，因为CDM的放电电阻较小，放电电流更大，瞬时功率更高。
### 电场感应模型(FIM)
电场感应模型考虑的是器件处于静电场环境中时，内部感应出的电位差可能引起器件击穿的情况。对于MOS器件，主要是由于SiO2层两端的电位差在静电场中被放大，导致介质击穿。而对于双极型器件，虽然SiO2层上不会出现显著的电位差，但在静电场中，导电条内的电荷重新分布，若引出端接触地或其他物体，电流的流动可能会损伤流经的导体或元件。
ESD损伤模型为我们理解静电放电如何损害电子元件提供了理论基础，同时也指导了ESD防护设计的方向，帮助工程师们采取有效措施，减少或消除ESD带来的负面影响。
