一種應(yīng)用于深亞微米存儲(chǔ)器的電荷泵設(shè)計(jì)

因只讀存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)單元只進(jìn)行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時(shí)間保存，且在編程時(shí)需要流過mA級(jí)以上的電流，所以只讀存儲(chǔ)器編程時(shí)通常采用外加編程高壓，內(nèi)部的電荷泵。在設(shè)計(jì)此類電荷泵時(shí)，擊穿電壓和體效應(yīng)的影響成為嚴(yán)重的問題。我們設(shè)計(jì)了一款電荷泵用以在存儲(chǔ)器中傳遞外部編程高壓。這種電荷泵利用高壓NMOS器件提高了耐壓特性并保證了正常工作，且增加了襯底偏置以縮短電荷泵的穩(wěn)定時(shí)間。

電荷泵電路結(jié)構(gòu)和工作原理
1 常壓MOS管電荷泵
圖1所示是初步提出的電荷泵電路原理圖，其中所有的器件均為常壓器件。

圖1 常壓MOS管構(gòu)成的電荷泵原理圖

初始化過程中，clear信號(hào)為低電平。此時(shí)N5管打開，將節(jié)點(diǎn)4清零；由于N4柵極始終接高電平，N4管打開，將節(jié)點(diǎn)3清零。

初始化結(jié)束后電荷泵進(jìn)入工作狀態(tài)。Vp為外加編程高壓，clear信號(hào)保持高電平，clk信號(hào)為固定周期的方波信號(hào)。N4柵極恒為高電平，因此會(huì)將clear信號(hào)的高電平傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)3，節(jié)點(diǎn)3的初始電壓為V3.0=VDD-VTH4。節(jié)點(diǎn)5為與clk信號(hào)周期相同、相位反相的方波信號(hào)。以下依據(jù)節(jié)點(diǎn)5信號(hào)的變化具體分析電荷泵的工作原理。

第1周期，節(jié)點(diǎn)5首先維持半個(gè)周期的高電平。根據(jù)電荷分享原理，此時(shí)節(jié)點(diǎn)2的電壓由電容C1和Cs的分壓決定（其中Cs為節(jié)點(diǎn)2的寄生電容），電壓可表示為：
V2,1=C*VDD/(C1+CS)        (1)

因N2管為飽和接法，節(jié)點(diǎn)3的電壓被鉗位，表達(dá)式為：
V3,1=V2,1-VTH2=C1VDD/(C1+CS)-VTH2                           (2)

隨后節(jié)點(diǎn)5轉(zhuǎn)為低電平，節(jié)點(diǎn)2電壓逐漸下降。由于沒有泄放通路，電壓會(huì)在節(jié)點(diǎn)3一直保持下去，并且由于C1遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)2的寄生電容，使得半個(gè)高電平周期后節(jié)點(diǎn)3的電壓足以使N1管打開。N1管的開啟使得節(jié)點(diǎn)2的電位不會(huì)持續(xù)下降，而是會(huì)被鉗位到電壓值。

V’2,1=V2,1-VTH2-VTH1=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1             (3)
這個(gè)便是第一周期過后節(jié)點(diǎn)2上形成的電壓值。

第二個(gè)周期，同樣的節(jié)點(diǎn)5會(huì)經(jīng)歷高電平和低電平各半個(gè)周期。這一過程仍然會(huì)在節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)2上積累電荷。與第一周期類似的推導(dǎo)可得到以下一組表達(dá)式：
V2,2=V’2,1+C1VDD/(C1+CS)   (4)
V3,2=V2,2-VTH2                       (5)
V’2,2=V3,2-VTH2=V2,2-VTH2-VTH1=V’2,1+C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1  (6)
比較公式（3）和公式（6）可發(fā)現(xiàn)，每一周期節(jié)點(diǎn)2上增加的電壓為：
ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1  (7)
依次類推，第i個(gè)周期節(jié)點(diǎn)5維持高電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3的電壓為：
V2,i=C1VDD/(C1+CS)+(i+1)[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1]      (8)
V3,i=C1VDD/(C1+CS)-VTH2+(i-1)[(C1+CS)-VTH2-VTH1]            (9)
V’2,i=i[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1]                         (10)
V3不會(huì)持續(xù)升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定值時(shí)會(huì)通過N1、N3被Vp鉗位，此時(shí)電荷泵進(jìn)入穩(wěn)態(tài)且Vp能完整傳遞到編程節(jié)點(diǎn)4。但在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前，V2和V3會(huì)在高電平半周達(dá)到大于Vp的電壓峰值，隨后在低電平半周穩(wěn)定。

2 高壓MOS電荷泵
理論上分析電荷泵可以正常工作。然而一些潛在的問題可能會(huì)引發(fā)電路的不正常工作。

首先，隨著工藝尺寸的縮小，電路所用的電源電壓VDD，能承受的柵源擊穿電壓BVGS、源漏穿通電壓BVDS，漏PN結(jié)擊穿電壓BVDB都降低。若在電荷泵工作過程中，V2和V3升高到高于其中一種擊穿電壓，則會(huì)使得器件和電路面臨燒毀或無法正常工作的危險(xiǎn)。

其次，考慮體效應(yīng)的影響器件的閾值電壓在不斷變化。因V2和V3不斷升高，即N1、N2管源極電位不斷升高，考慮襯底偏置效應(yīng)后器件的閾值電壓由下式給出：
 (11)
 (12)
則隨著震蕩周期數(shù)的增加，VTH2,i和VTH1,i的值不斷增大，在V2和V3達(dá)到峰值時(shí)體效應(yīng)影響最為嚴(yán)重。這使得一個(gè)周期內(nèi)V2和V3提升的電壓值越來越小，導(dǎo)致電荷泵到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需經(jīng)歷的周期數(shù)增加。更嚴(yán)重的情況是，考慮在電荷泵上升且還未達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，因VTH2,i和VTH1,i變大，如果在某個(gè)周期時(shí)使得公式（13）成立：
C1VDD/(C1+CS)-VTH2,i-VTH1,i<0 (13)
則每個(gè)周期內(nèi)V2抬升的電壓無法維持兩個(gè)閾值損失，導(dǎo)致Vp無法傳到編程節(jié)點(diǎn)4。

基于以上討論，對(duì)初始提出的電路進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后如圖2所示。圖2中將4個(gè)需要承受峰值高壓的器件用高壓管代替普通管，以保證電路在V2、V3的尖峰電平下正常工作。高壓器件的選擇視各制造工藝而定，仿真所基于的工藝提供了性能優(yōu)良的高壓器件，使成功提升了電路的耐壓。對(duì)于不同工藝可相應(yīng)從其提供的器件類型中選擇器件，并配合編程電壓的設(shè)置來完成耐壓的增強(qiáng)。將N1、N2的襯底電位單獨(dú)接出并加上合適的電位以減弱體效應(yīng)的影響。這樣做的代價(jià)是需要額外加入產(chǎn)生這個(gè)襯底電位的電路。根據(jù)需求不同，可以產(chǎn)生固定襯底電位或隨源襯電壓變化的跟隨襯底電位。

圖2 高壓MOS器件構(gòu)成電荷泵電路結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果
高壓管實(shí)現(xiàn)的電荷泵電路基于TSMC 0.18μm工藝進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)置不同的襯底電位將得出不同的仿真結(jié)果。

如圖3所示為襯底接地的電路仿真波形圖。電源電壓3.3V，時(shí)鐘周期106ns，外加編程高壓7.5V，電荷泵在500ns后開始工作。從仿真結(jié)果可以看出，V2和V3的峰值電壓在10V左右，比穩(wěn)態(tài)高出2.5V。對(duì)于正常工作在3.3V電源電壓下的常壓普通管而言，峰值電壓必然會(huì)帶來不可忽視的危害。此外可得出，電荷泵工作11個(gè)時(shí)鐘周期后在1.7μs達(dá)到7.5V的穩(wěn)態(tài)值。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后，僅存在0.2V的紋波，滿足穩(wěn)定編程要求。

圖3 襯底接地電位的仿真波形圖

圖4 襯底接2V電壓的仿真波形圖

襯底接2V電壓的仿真結(jié)果如圖4所示，其余信號(hào)與圖3中相同。與圖3相比，峰值電壓相等，但電荷泵的工作時(shí)間明顯縮短。數(shù)據(jù)顯示，電荷泵工作9個(gè)周期后近似在1.5μs達(dá)到7.5V的穩(wěn)態(tài)值。由此證明，體效應(yīng)對(duì)電路影響較大，加合適的襯底電位可明顯較弱其不良影響。