一種相變存儲器的驅動(dòng)電路設計

　　1.2.3　電流鏡

　　驅動(dòng)電流的產(chǎn)生主要是根據電流鏡的映射實(shí)現的，基本原理如圖9所示。具體實(shí)施時(shí)，采用了兩級電流鏡結構，第一級為由NMOS管形成的電流鏡，第二級為由PMOS管形成的電流鏡。由基準電流源電路產(chǎn)生的基準電流，通過(guò)兩級映射后產(chǎn)生的電流最終耦合至位線(xiàn)，加到相變單元上。該兩級電流鏡電路，最終產(chǎn)生用于Set、Reset和Read的大小不同的驅動(dòng)電流，且在第一級電流鏡電路與第二級電流鏡電路間加入控制開(kāi)關(guān)SWITCH1、SWITCH2和SWITCH3,這些控制開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與關(guān)閉由驅動(dòng)控制電路部分發(fā)出的脈沖信號進(jìn)行控制，使加到相變單元上的脈沖信號具有一定脈寬與脈高，實(shí)現Set、Reset和Read操作。

　　進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，以Reset為例，需要施加一個(gè)短而強的電壓或電流脈沖，電能轉變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻，可以使多晶的長(cháng)程有序遭到破壞，從而實(shí)現由多晶向非晶的轉化，低阻變?yōu)楦咦?。首先通過(guò)解碼電路輸出的高電平將選通管NT打開(kāi)，隨后通過(guò)驅動(dòng)控制電路將SWITCH1打開(kāi)，而SWITCH2和SWITCH3此時(shí)則處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣，由PMOS管P0和P1形成的電流鏡，產(chǎn)生一定大小的并且一定倍數于基準電流IOUT1的電流I1。同樣的，由NMOS管N1和N4形成的電流鏡將I1再次鏡像得到所需的Reset電流I1’，I1’通過(guò)打開(kāi)的傳輸門(mén)TG及打開(kāi)的選通管NT施加到相變單元中的相變材料上，從而使相變材料發(fā)生相變，SWTICH1的時(shí)序決定了所施加的Reset電流脈沖的寬度，要求是一個(gè)較短的脈沖，比較典型的數值一般小于50nm。

　　Set時(shí)，需要施加一個(gè)長(cháng)且強度中等的電壓或電流脈沖，相變材料的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時(shí)間（一般大于50ns），使相變材料由非晶轉化為多晶，高阻變?yōu)榈妥?。具體實(shí)施時(shí)，SWITCH1和SWITCH3關(guān)閉，SWITCH2打開(kāi)，通過(guò)由PMOS管P0、P2和NMOS管N2、N5形成的兩級電流鏡產(chǎn)生所需的Set電流I2’，施加到相變單元中的相變材料上，使相變材料發(fā)生由非晶態(tài)到晶態(tài)的轉換，SWITCH2的時(shí)序決定了所施加的Set電流脈沖寬度。要求是一個(gè)稍長(cháng)的脈沖，比較典型的數值一般大于100nm。

　　Read操作時(shí)，開(kāi)關(guān)SWITCH4打開(kāi)，傳輸門(mén)TG打開(kāi)，電流鏡中SWITCH1、SWITCH2關(guān)閉，SWITCH3打開(kāi)，通過(guò)PMOS管P0、P3和NMOS管N3、N6形成的兩級電流鏡產(chǎn)生讀電流I3’，施加到相變單元GST上，該讀電流是足夠小的，產(chǎn)生的熱能保證相變材料的溫度始終低于結晶溫度，材料不發(fā)生相變。讀出的實(shí)質(zhì)是讀出相變單元上的電壓情況，由其電壓看電阻情況。該電壓由端口SOUT輸出，與某一參考電壓經(jīng)過(guò)靈敏放大器被比較放大讀出，晶態(tài)與非晶態(tài)時(shí)的讀出電壓是可以嚴格區分開(kāi)的。圖10為讀出放大電路示意圖。圖11為最終加到相變單元上的電流脈沖信號，具體脈寬可通過(guò)脈沖信號發(fā)生器進(jìn)行調節。

　　考慮如圖12所示的電流鏡，該結構采用共源共柵的改進(jìn)結構，可得到更精確的驅動(dòng)電流，并且將選通管源端接地（不同于圖10中的情況：選通管的襯偏效應限制了能流過(guò)相變單元的最大電流，故其尺寸需要設計的較大些），圖12中選通管的襯偏效應得以消除，可僅用較小的選通管尺寸得到相同的效果，這種結構將在1Mb容量的PC2RAM芯片中得以運用。

　　2　結論

　　本文介紹了相變存儲器芯片驅動(dòng)電路的設計與實(shí)現方法。仿真表明，基準電壓、偏置電流具有良好的精度，整個(gè)16KbPCRAM芯片采用SMIC0118μmCMOS工藝實(shí)現，測試進(jìn)一步驗證了仿真結果，表明該驅動(dòng)電路具有良好的驅動(dòng)能力。