一種相變存儲器的驅(qū)動電路設(shè)計

　　1.2.3　電流鏡

　　驅(qū)動電流的產(chǎn)生主要是根據(jù)電流鏡的映射實現(xiàn)的，基本原理如圖9所示。具體實施時，采用了兩級電流鏡結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)電流源電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流，通過兩級映射后產(chǎn)生的電流最終耦合至位線，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(qū)動電流，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關(guān)SWITCH1、SWITCH2和SWITCH3,這些控制開關(guān)的打開與關(guān)閉由驅(qū)動控制電路部分發(fā)出的脈沖信號進行控制，使加到相變單元上的脈沖信號具有一定脈寬與脈高，實現(xiàn)Set、Reset和Read操作。

　　進行寫操作時，以Reset為例，需要施加一個短而強的電壓或電流脈沖，電能轉(zhuǎn)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，可以使多晶的長程有序遭到破壞，從而實現(xiàn)由多晶向非晶的轉(zhuǎn)化，低阻變?yōu)楦咦?。首先通過解碼電路輸出的高電平將選通管NT打開，隨后通過驅(qū)動控制電路將SWITCH1打開，而SWITCH2和SWITCH3此時則處于關(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(shù)于基準(zhǔn)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’通過打開的傳輸門TG及打開的選通管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的時序決定了所施加的Reset電流脈沖的寬度，要求是一個較短的脈沖，比較典型的數(shù)值一般小于50nm。

　　Set時，需要施加一個長且強度中等的電壓或電流脈沖，相變材料的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間（一般大于50ns），使相變材料由非晶轉(zhuǎn)化為多晶，高阻變?yōu)榈妥?。具體實施時，SWITCH1和SWITCH3關(guān)閉，SWITCH2打開，通過由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(zhuǎn)換，SWITCH2的時序決定了所施加的Set電流脈沖寬度。要求是一個稍長的脈沖，比較典型的數(shù)值一般大于100nm。

　　Read操作時，開關(guān)SWITCH4打開，傳輸門TG打開，電流鏡中SWITCH1、SWITCH2關(guān)閉，SWITCH3打開，通過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(jié)晶溫度，材料不發(fā)生相變。讀出的實質(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)過靈敏放大器被比較放大讀出，晶態(tài)與非晶態(tài)時的讀出電壓是可以嚴格區(qū)分開的。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，具體脈寬可通過脈沖信號發(fā)生器進行調(diào)節(jié)。

　　考慮如圖12所示的電流鏡，該結(jié)構(gòu)采用共源共柵的改進結(jié)構(gòu)，可得到更精確的驅(qū)動電流，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(yīng)限制了能流過相變單元的最大電流，故其尺寸需要設(shè)計的較大些），圖12中選通管的襯偏效應(yīng)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(jié)構(gòu)將在1Mb容量的PC2RAM芯片中得以運用。

　　2　結(jié)論

　　本文介紹了相變存儲器芯片驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)方法。仿真表明，基準(zhǔn)電壓、偏置電流具有良好的精度，整個16KbPCRAM芯片采用SMIC0118μmCMOS工藝實現(xiàn)，測試進一步驗證了仿真結(jié)果，表明該驅(qū)動電路具有良好的驅(qū)動能力。