低压单阈值开关电荷泵实现方案

设计了一款应用于亚微米工艺的传输只读存储器的编程高压的单阈值开关电荷泵。随着亚微米和深亚微米工艺的应用，N+/PWLL结反向击穿电压和栅氧击穿电压都明显降低，用于只读存储器传送编程电压的两阈值开关电荷泵应用存在着极大的风险。

　　引言

　　根据不同的应用，电荷泵的种类不同，内部直接产生高压的电荷泵有：双极DICKSON电荷泵，MOSDIC-KSON电荷泵，四模式电荷泵设计，电压倍增电荷泵，电压三倍电荷泵。因只读存储器芯片的数据只能进行一次编程，编程后的数据能长时间保存，PROM的基本单元在编程时需要过毫安级别以上的电流，所以只读存储器编程时一般都采用外加编程高压，内部的电荷泵只是起着开关的作用，在编程的时候传递编程高压，并提供大电流通路。现在应用于只读存储器的电荷泵是两阈值电荷泵。

　　随着半导体工艺的发展，工艺尺寸的不断减小，基本器件的栅氧厚度，最小沟道长度不断减小，对应的栅氧击穿电压，源漏穿通电压也不断减小。只读存储器的编程高压的传递变得很困难，传统的应用于只读存储器中的电荷泵因为内部高压结点峰值要高于编程电压两个阈值电压，导致我们在设计此类电荷泵时，工艺击穿电压的限制成为严重的问题，甚至两阈值损失的电荷泵无法实现。为降低应用于只读存储器电荷泵的内部高压节点电压，同时保证电荷泵传送的编程电压纹波很小，本文设计了一款单阈值电荷泵。

　　1 两阈值电荷泵工作原理和问题

　　1.1 两阈值电荷泵的工作原理

　　电荷泵工作的两个理论基础：电容的两端电压不能突变，电荷共享原理。图1是传统两阈值电荷泵的工作原理分析图。

　　外加编程电压为VP，初始时CLEAR端为VDD，因N4管栅极为恒定电源电压VDD，所以初始时结点3的电压V3o=VDD-VTH4，N5管导通，编程结点4接地。电荷泵开始工作，CLK为固定周期的方波信号。

　　第1个周期，当结点5从0到VDD，因为电容C1两端电压不能突变，另结点2的寄生电容为C5，则结点2从0变化到：

　　V21=C1×VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2为饱和管接法，结点3的电压钳位到

　　V31=C1×VDD/(C1+CS)-VTH21 (2)

　　当结点5从VDD到0时，结点2先被瞬间拉到0，然后又被N1管拉到

　　C1×VDD/(C1+CS)-VTH21-VTH11 (3)

　　第i个周期，结点2和结点3的电压V2i，V3i分别为：

　　V2i和V3i不断升高，当V3i高于VP一个阈值电压时，编程电压VP被完全传送到编程结点。

　　但随着震荡周期数的增加，VTH2i，VTH1i的值增大。当电荷泵进入稳态且VP能完整传递到编程结点，结点2，3的电压峰值达到最大，用V2PEKAmax，V3PEKAmax分别表示。此时N1，N2，N3管的体效应最大，其阈值电压达到最大值，用VTH1max，VTH2max，VTH3max分别表示。为了使编程高压VP完全传到编程结点，则

　　V2PEKAmax≥VTH2max+VTH3max+VP (6)

　　随着工艺尺寸的缩小，工作电压VDD，栅源击穿电压BVGS，源漏击穿电压BVDS，源衬底PN结击穿电压BVSB都降低。设计两阈值损失电荷泵时将会遇到以下两个严重甚至无法解决的问题：

　　问题一：因VTH2i，VTH1i变大，如果在第i个周期时

　　C1×VDD/(C1+CS)-VTH2i-VTH1i<0 (7)

　　则结点2抬升的电压无法维持两个阈值损失，此时传到编程结点的编程电压VBL

　　问题二：若在电荷泵工作过程中，V2i>BVGS，栅氧击穿;V2i>BVSB，N+/PWELL的PN结击穿。