一種應用于深亞微米存儲器的電荷泵設計

因只讀存儲器的基本存儲單元只進(jìn)行一次編程，編程后的數據能長(cháng)時(shí)間保存，且在編程時(shí)需要流過(guò)mA級以上的電流，所以只讀存儲器編程時(shí)通常采用外加編程高壓，內部的電荷泵。在設計此類(lèi)電荷泵時(shí)，擊穿電壓和體效應的影響成為嚴重的問(wèn)題。我們設計了一款電荷泵用以在存儲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定時(shí)間。

電荷泵電路結構和工作原理
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管構成的電荷泵原理圖

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

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

第1周期，節點(diǎn)5首先維持半個(gè)周期的高電平。根據電荷分享原理，此時(shí)節點(diǎn)2的電壓由電容C1和Cs的分壓決定（其中Cs為節點(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，節點(diǎn)3的電壓被鉗位，表達式為：
V3,1=V2,1-VTH2=C1VDD/(C1+CS)-VTH2 (2)

隨后節點(diǎn)5轉為低電平，節點(diǎn)2電壓逐漸下降。由于沒(méi)有泄放通路，電壓會(huì )在節點(diǎn)3一直保持下去，并且由于C1遠大于節點(diǎn)2的寄生電容，使得半個(gè)高電平周期后節點(diǎn)3的電壓足以使N1管打開(kāi)。N1管的開(kāi)啟使得節點(diǎn)2的電位不會(huì )持續下降，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(guò)后節點(diǎn)2上形成的電壓值。

第二個(gè)周期，同樣的節點(diǎn)5會(huì )經(jīng)歷高電平和低電平各半個(gè)周期。這一過(guò)程仍然會(huì )在節點(diǎn)3和節點(diǎn)2上積累電荷。與第一周期類(lèi)似的推導可得到以下一組表達式：
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，每一周期節點(diǎn)2上增加的電壓為：
ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)
依次類(lèi)推，第i個(gè)周期節點(diǎn)5維持高電平時(shí)，節點(diǎn)2和節點(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 )持續升高，當到達一定值時(shí)會(huì )通過(guò)N1、N3被Vp鉗位，此時(shí)電荷泵進(jìn)入穩態(tài)且Vp能完整傳遞到編程節點(diǎn)4。但在進(jìn)入穩態(tài)之前，V2和V3會(huì )在高電平半周達到大于Vp的電壓峰值，隨后在低電平半周穩定。

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(wèn)題可能會(huì )引發(fā)電路的不正常工作。

首先，隨著(zhù)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結擊穿電壓BVDB都降低。若在電荷泵工作過(guò)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(wú)法正常工作的危險。

其次，考慮體效應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，考慮襯底偏置效應后器件的閾值電壓由下式給出：
(11)
(12)
則隨著(zhù)震蕩周期數的增加，VTH2,i和VTH1,i的值不斷增大，在V2和V3達到峰值時(shí)體效應影響最為嚴重。這使得一個(gè)周期內V2和V3提升的電壓值越來(lái)越小，導致電荷泵到達穩定狀態(tài)所需經(jīng)歷的周期數增加。更嚴重的情況是，考慮在電荷泵上升且還未達到穩態(tài)的過(guò)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,i0 (13)
則每個(gè)周期內V2抬升的電壓無(wú)法維持兩個(gè)閾值損失，導致Vp無(wú)法傳到編程節點(diǎn)4。