低壓單閾值開關電荷泵實現方案 - 全文

設計了一款應用于亞微米工藝的傳輸只讀存儲器的編程高壓的單閾值開關電荷泵。隨著亞微米和深亞微米工藝的應用，N+/PWLL結反向擊穿電壓和柵氧擊穿電壓都明顯降低，用于只讀存儲器傳送編程電壓的兩閾值開關電荷泵應用存在著極大的風險。

　　引言

　　根據不同的應用，電荷泵的種類不同，內部直接產生高壓的電荷泵有：雙極DICKSON電荷泵，MOSDIC-KSON電荷泵，四模式電荷泵設計，電壓倍增電荷泵，電壓三倍電荷泵。因只讀存儲器芯片的數據只能進行一次編程，編程后的數據能長時間保存，PROM的基本單元在編程時需要過毫安級別以上的電流，所以只讀存儲器編程時一般都采用外加編程高壓，內部的電荷泵只是起著開關的作用，在編程的時候傳遞編程高壓，并提供大電流通路。現在應用于只讀存儲器的電荷泵是兩閾值電荷泵。

　　隨著半導體工藝的發展，工藝尺寸的不斷減小，基本器件的柵氧厚度，最小溝道長度不斷減小，對應的柵氧擊穿電壓，源漏穿通電壓也不斷減小。只讀存儲器的編程高壓的傳遞變得很困難，傳統的應用于只讀存儲器中的電荷泵因為內部高壓結點峰值要高于編程電壓兩個閾值電壓，導致我們在設計此類電荷泵時，工藝擊穿電壓的限制成為嚴重的問題，甚至兩閾值損失的電荷泵無法實現。為降低應用于只讀存儲器電荷泵的內部高壓節點電壓，同時保證電荷泵傳送的編程電壓紋波很小，本文設計了一款單閾值電荷泵。

　　1 兩閾值電荷泵工作原理和問題

　　1.1 兩閾值電荷泵的工作原理

　　電荷泵工作的兩個理論基礎：電容的兩端電壓不能突變，電荷共享原理。圖1是傳統兩閾值電荷泵的工作原理分析圖。

　　外加編程電壓為VP，初始時CLEAR端為VDD，因N4管柵極為恒定電源電壓VDD，所以初始時結點3的電壓V3o=VDD-VTH4，N5管導通，編程結點4接地。電荷泵開始工作，CLK為固定周期的方波信號。

　　第1個周期，當結點5從0到VDD，因為電容C1兩端電壓不能突變，另結點2的寄生電容為C5，則結點2從0變化到：

　　V21=C1×VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2為飽和管接法，結點3的電壓鉗位到

　　V31=C1×VDD/(C1+CS)-VTH21 (2)

　　當結點5從VDD到0時，結點2先被瞬間拉到0，然后又被N1管拉到

　　C1×VDD/(C1+CS)-VTH21-VTH11 (3)

　　第i個周期，結點2和結點3的電壓V2i，V3i分別為：

　　V2i和V3i不斷升高，當V3i高于VP一個閾值電壓時，編程電壓VP被完全傳送到編程結點。

　　但隨著震蕩周期數的增加，VTH2i，VTH1i的值增大。當電荷泵進入穩態且VP能完整傳遞到編程結點，結點2，3的電壓峰值達到最大，用V2PEKAmax，V3PEKAmax分別表示。此時N1，N2，N3管的體效應最大，其閾值電壓達到最大值，用VTH1max，VTH2max，VTH3max分別表示。為了使編程高壓VP完全傳到編程結點，則

　　V2PEKAmax≥VTH2max+VTH3max+VP (6)

　　隨著工藝尺寸的縮小，工作電壓VDD，柵源擊穿電壓BVGS，源漏擊穿電壓BVDS，源襯底PN結擊穿電壓BVSB都降低。設計兩閾值損失電荷泵時將會遇到以下兩個嚴重甚至無法解決的問題：

　　問題一：因VTH2i，VTH1i變大，如果在第i個周期時

　　C1×VDD/(C1+CS)-VTH2i-VTH1i<0 (7)

　　則結點2抬升的電壓無法維持兩個閾值損失，此時傳到編程結點的編程電壓VBL

　　問題二：若在電荷泵工作過程中，V2i>BVGS，柵氧擊穿;V2i>BVSB，N+/PWELL的PN結擊穿。

　　1.2 傳統的兩閾值電荷泵的仿真結果和問題分析

　　將傳統的兩閾值電荷泵在TSMC 0.35μm的CMOS工藝上，我們假設VP為7V，工作電壓為3.3V仿真結果如圖2所示。

　　此時在40μs的時間，VBL上升到5.423V，編程電壓VP出現1.577V的電壓損失，此時內部高壓結點電壓已經達到9.681V。根據實際的仿真，兩閾值開關電荷泵至少工作在VDD=5V下才能將VP完全傳遞到編程結點。如果外加VDD小于4V時，在某個周期里結點2抬升的電壓已經無法維持兩個閾值損失，傳送的編程電壓不再繼續抬升而出現損失。并且在4V的VDD下，結點2的電壓峰值達到10.5V，超過柵氧擊穿電壓10V的限制。

　　2 單閾值電荷泵的設計和仿真分析

　　兩閾值開關電荷泵存在兩個問題，根本原因是管子的體效應不斷增加，導致傳送的編程電壓出現閾值損失，同時造成內部高壓結點電壓過高。本文設計的單閾值電荷泵的結點電壓峰值只需要高于編程電壓一個閾值，編程電壓就能完全傳遞到編程結點，使以上的兩個問題都得到解決。圖3是單閾值電荷泵的原理分析圖。

　　外加編程電壓VP，結點2直接被拉到V2o=VP-VTH1，初始時ctrl端為0，N4管關斷，結點4抬高，P2管關斷，此時結點6為VDO，N5管開啟，因此結點3被拉低，N2管關斷，同時N3打開編程結點7被拉到地。當Ctrl為高，clock為固定周期的方波信號時，電荷泵開始工作，此時結點4被拉低，P2管導通，同時結點6為低，N5管關斷，因此結點3的電壓等于結點2的電壓，同時N3管關斷，編程結點被釋放出來。第一個周期結點5從0變化到VDD時，令結點2的寄生電容為CS，結點2的電壓被拉到

　　V21=VDD×C1/(C1+CS)+VP-VTH1 (8)

　　當結點5從VDD到0時，結點2的電壓又被拉到V2o=VP-VTH1。在編程過程中結點2的電壓一直在兩個電壓內來回跳變，即結點3的電壓也在兩個電壓之間來回跳變。要使編程電壓VP完全傳遞到編程結點，結點3的最大電壓至少大于編程電壓VP一個閾值電壓，即

　　V2PEAKmax=V3PEAK≥VP+VTH2 (9)

　　從上面公式可知，該電荷泵結點2電壓峰值只需要比編程電壓提高一個閾值電壓，這基本解決了兩閾值電荷泵的第二個問題，同時峰值電壓降低一個閾值電壓N1，N2的體效應相對兩閾值電荷泵更低，第一個問題也得到了一定程度上的優化。

　　在編程電壓為7V，工作電壓為3.3V時單閾值開關電荷泵的仿真結果如圖4所示。