一种应用于深亚微米存储器的电荷泵设计

因只读存储器的基本存储单元只进行一次编程，编程后的数据能长时间保存，且在编程时需要流过mA级以上的电流，所以只读存储器编程时通常采用外加编程高压，内部的电荷泵。在设计此类电荷泵时，击穿电压和体效应的影响成为严重的问题。我们设计了一款电荷泵用以在存储器中传递外部编程高压。这种电荷泵利用高压NMOS器件提高了耐压特性并保证了正常工作，且增加了衬底偏置以缩短电荷泵的稳定时间。

电荷泵电路结构和工作原理
1 常压MOS管电荷泵
图1所示是初步提出的电荷泵电路原理图，其中所有的器件均为常压器件。

图1 常压MOS管构成的电荷泵原理图

初始化过程中，clear信号为低电平。此时N5管打开，将节点4清零；由于N4栅极始终接高电平，N4管打开，将节点3清零。

初始化结束后电荷泵进入工作状态。Vp为外加编程高压，clear信号保持高电平，clk信号为固定周期的方波信号。N4栅极恒为高电平，因此会将clear信号的高电平传输到节点3，节点3的初始电压为V3.0=VDD-VTH4。节点5为与clk信号周期相同、相位反相的方波信号。以下依据节点5信号的变化具体分析电荷泵的工作原理。

第1周期，节点5首先维持半个周期的高电平。根据电荷分享原理，此时节点2的电压由电容C1和Cs的分压决定（其中Cs为节点2的寄生电容），电压可表示为：
V2,1=C*VDD/(C1+CS) (1)

因N2管为饱和接法，节点3的电压被钳位，表达式为：
V3,1=V2,1-VTH2=C1VDD/(C1+CS)-VTH2 (2)

随后节点5转为低电平，节点2电压逐渐下降。由于没有泄放通路，电压会在节点3一直保持下去，并且由于C1远大于节点2的寄生电容，使得半个高电平周期后节点3的电压足以使N1管打开。N1管的开启使得节点2的电位不会持续下降，而是会被钳位到电压值。

V’2,1=V2,1-VTH2-VTH1=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (3)
这个便是第一周期过后节点2上形成的电压值。

第二个周期，同样的节点5会经历高电平和低电平各半个周期。这一过程仍然会在节点3和节点2上积累电荷。与第一周期类似的推导可得到以下一组表达式：
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)
比较公式（3）和公式（6）可发现，每一周期节点2上增加的电压为：
ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)
依次类推，第i个周期节点5维持高电平时，节点2和节点3的电压为：
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不会持续升高，当到达一定值时会通过N1、N3被Vp钳位，此时电荷泵进入稳态且Vp能完整传递到编程节点4。但在进入稳态之前，V2和V3会在高电平半周达到大于Vp的电压峰值，随后在低电平半周稳定。

2 高压MOS电荷泵
理论上分析电荷泵可以正常工作。然而一些潜在的问题可能会引发电路的不正常工作。

首先，随着工艺尺寸的缩小，电路所用的电源电压VDD，能承受的栅源击穿电压BVGS、源漏穿通电压BVDS，漏PN结击穿电压BVDB都降低。若在电荷泵工作过程中，V2和V3升高到高于其中一种击穿电压，则会使得器件和电路面临烧毁或无法正常工作的危险。

其次，考虑体效应的影响器件的阈值电压在不断变化。因V2和V3不断升高，即N1、N2管源极电位不断升高，考虑衬底偏置效应后器件的阈值电压由下式给出：
(11)
(12)
则随着震荡周期数的增加，VTH2,i和VTH1,i的值不断增大，在V2和V3达到峰值时体效应影响最为严重。这使得一个周期内V2和V3提升的电压值越来越小，导致电荷泵到达稳定状态所需经历的周期数增加。更严重的情况是，考虑在电荷泵上升且还未达到稳态的过程中，因VTH2,i和VTH1,i变大，如果在某个周期时使得公式（13）成立：
C1VDD/(C1+CS)-VTH2,i-VTH1,i0 (13)
则每个周期内V2抬升的电压无法维持两个阈值损失，导致Vp无法传到编程节点4。