CN107453602A - 电荷泵和存储装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电荷泵，它属于电荷泵设计领域；本发明的电荷泵包括升降压模块和选择模块；升降压模块具有第一端和第二端，用于根据模式控制信号提供输出电压；选择模块，用于根据模式控制信号对所述升降压模块的所述第一端和所述第二端之一提供第一电压或第二电压，并选择所述升降压模块的所述第一端和所述第二端中的另一个提供所述输出电压；当所述模式控制信号为第一状态时，所述电荷泵工作在第一模式，所述输出电压呈正极性，当所述模式控制信号为第二状态时，所述电荷泵工作在第二模式，所述输出电压呈负极性。

Description

电荷泵和存储装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体的，涉及一种电荷泵和存储装置。

背景技术

闪存存储器是一种非易失性存储器，在断电情况下仍然能保存已存储的数据信息，而且数据删除不是以字节为单位而是以区块为单位，区块大小一般为256KB到20MB。现如今，闪存存储器已经被广泛地应用于手机、数码相机、笔记本、局域网交换机、嵌入式控制器等设备中。

闪存存储器能够实现非易失的数据存储是由于它能通过内部电荷泵电路产生高压，使电子在强电场的作用下发生隧穿效应，并注入到存储单元的浮栅中。因此电荷泵作为片内的高压产生电路是闪存系统中必不可少的组成部分。电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC变换器。电荷泵的基本原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。

通常，电荷泵具有耦合到输入端与输出端之间的开关的电容器。在一个时钟相位期间(充电半周期)，电容器并联地耦合到输入端，以充电达到输入电压。在第二时钟相位期间(转移半周期)，充电的电容器与输入电压串联耦合以提供两倍于输入电压的电平的输出电压。此过程说明于图1A和1B中。在图1A中，电容器5与输入电压VIN并联配置以说明充电半周期。在图1B中，充电的电容器5与输入电压VIN串联配置以说明转移半周期。如图1B所示，充电的电容器5的正极端子将因此相对于接地为2*VIN。

如图2所示为现有技术的一种单极性电荷泵，包括负载电容C_load、多个泵电容C以及依次串联的多个晶体管。晶体管采用栅端漏端短接的形式，这种二极管式的连接方式具有单向导通的特性，它保证了电荷只能从电源向输出级进行单向流动。时钟电路用于产生两相非交叠的时钟，在一个时钟周期内，当其中一个相位的时钟信号T1从高电平跳变到低电平后，另一个相位的时钟信号T2才会从低电平跳变到高电平，从而使泵电容上的电荷可以充分地从前一级转移到后一级。这样，在两相时钟信号的作用下，电荷不断从电源端传送到输出端，使输出电压升高。

在现有技术中，由于闪存存储器通常需要正极性的高压和负极性的高压，因此芯片中使用了多个单极性的电荷泵：一些是用于产生正高压的正高压电荷泵，而另一些是用于产生负高压的负高压电荷泵，但是这样无疑会占据很大的芯片面积。

图3A示出现有技术的正极性电荷泵中的晶体管的结构示意图。图3B示出现有技术的负极性电荷泵中的晶体管的结构示意图。

现有技术的单极性电荷泵不能直接作为双极性电荷泵使用，其原因是：如图3A所示，在现有技术的用于输出正极性电压的电荷泵中，各个晶体管的N型深阱区N_deep_well与P型阱区P_well与源极S短接，源极S和漏极D用于级联，如果直接将这种结构的晶体管应用于负极性电荷泵中，晶体管的N型深阱区N_deep_well和P型衬底之间的PN结将正向导通，造成漏电；如3B图所示的输出负极性电压的电荷泵中，各个晶体管的N型深阱区接电源VDD或者接地GND，若采用此电路传输正极性高压，晶体管的N型深阱区N_deep_well与P型阱区之间的PN结会正向导通，发生漏电。因此，不能直接将现有的单极性电荷泵直接作为双极性电荷泵。

而由于在闪存存储器中，一些正高压和负高压不会同时被使用，因此另一些现有技术为了降低芯片面积，提出让正负电荷泵共享一套耦合电容，但是这种现有技术中的每个电荷泵仍采用独立开关模块而没有实现实际上的共享，并且需要把一套电容分时切换给正电荷泵和负电荷泵，因此也无疑增大了电路设计的复杂度。

发明内容

本发明针对现有技术中所存在的上述问题提供了一种电荷泵和存储装置，其要解决的技术问题在于通过实现既能产生正压又能产生负压的电荷泵来减小芯片的面积，并避免由于PN结正向导通而产生的漏电现象。

根据本发明的一方面，提供了一种电荷泵，该电荷泵包括升降压模块和选择模块，其中升降压模块具有第一端和第二端，用于根据模式控制信号提供输出电压；选择模块，用于根据模式控制信号对所述升降压模块的所述第一端和所述第二端之一提供第一电压或第二电压，并选择所述升降压模块的所述第一端和所述第二端中的另一个提供所述输出电压；当所述模式控制信号为第一状态时，所述电荷泵工作在第一模式，所述输出电压呈正极性，当所述模式控制信号为第二状态时，所述电荷泵工作在第二模式，所述输出电压呈负极性。

优选地，所述升降压模块包括多个电容以及依次级联在所述升降压模块的所述第一端和所述第二端之间的多个电荷传输模块，每个所述电荷传输模块与一个对应的所述电容的第一极板相连，每个所述电容的第二极板接收对应的时钟信号。

优选地，所述选择模块包括：第一开关,其与所述升降压模块的所述第一端相连，其选择状态受控于开关信号；以及第二开关，其与所述升降压模块的所述第二端相连，其选择状态受控制与所述开关信号或所述开关信号的反相信号，在所述第一模式下，所述升降压模块的所述第一端通过所述第一开关接收所述第一电压，所述升降压模块的所述第二端通过所述第二开关提供正极性的所述输出电压，在所述第二模式下，所述升降压模块的所述第二端通过所述第二开关接收所述第二电压，所述升降压模块的所述第一端通过所述第一开关提供负极性的所述输出电压。

优选地，所述开关信号等于所述模式控制信号或其反相信号。

优选地，所述第一电压等于电源电压，所述第二电压等于地电压。

优选地，所述电荷传输模块包括第一开关管，所述第一开关管的控制端接收对应的所述时钟信号，所述第一开关管的第一通路端和第二通路端用于各所述电荷传输模块的级联，所述第一开关管具有第一阱区和第一深阱区，所述第一阱区与所述第一开关管的第一通路端电相连，在所述第一模式下，所述第一深阱区悬空，在所述第二模式下，所述第一深阱区接地电压。

优选地，所述升降压模块还包括第二开关管，所述第二开关管的控制端接收使能信号，所述第二开关管的第一通路端接地，所述第二开关管的第二通路端与每个所述第一开关管的所述第一深阱区电连接，在所述第一模式下，所述使能信号无效并关断所述第二开关管，在所述第二模式下，所述使能信号有效并导通所述第二开关管。

优选地，所述使能信号等于所述模式控制信号或其反相信号。

优选地，所述第二开关管与所述第一开关管的工艺相同，所述第二开关管具有第二阱区和第二深阱区，所述第二阱区与所述地二开关管的所述第一通路端电相连，所述第二深阱区接地电压。

优选地，所述第一开关管和所述第二开关管为N型三重阱结构的MOSFET,所述第一阱区和所述第二阱区为P型掺杂，所述第一深阱区和所述第二深阱区为N型掺杂。

根据本发明的另一方面，提供一种存储装置，其特征在于，包括至少一个如上面任一项所述的电荷泵。

本发明实施例的电荷泵和存储装置的有益效果是，通过设计一种实现既能产生正压又能产生负压的电荷泵来减小芯片的面积，并且在一些优选的实施例中，由于避免了电荷传输模块中开关管的P阱区和N型深阱区之间的PN结发生正向导通，因此不会发生漏电，从而使电荷泵的供电效果更加理想。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1A为通用电荷泵中充电半周期的简化电路图示意图；

图1B为通用电荷泵中转移半周期的简化电路图示意图；

图2为现有的单极性电荷泵的电路示意图；

图3A示出现有技术的正极性电荷泵中的晶体管的结构示意图；

图3B示出现有技术的负极性电荷泵中的晶体管的结构示意图；

图4示出本发明实施例的电荷泵的电路示意图；

图5示出图4中选择模块的一种电路示意图；

图6示出图4所示的电荷传输模块的一种电路示意图；

图7示出图6所示的开关管M1的一种剖面结构示意图；

图8示出图4所示的切换模块的一种电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和方案更加清楚，便于实施，下面将结合附图对本发明作进一步详细的说明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

图4示出本发明实施例的电荷泵的电路示意图。该电荷泵主要分为两部分，第一部分为选择模块310，第二部分为升压降压模块320，电荷泵具有第一输出端U1和第二输出端U2。

升降压模块320具有第一端P1和第二端P2，选择模块310电荷泵的工作模式选择升降压模块302的第一端P1和第二端P2之一作为升降压模块320的输入端、选择升降压模块320的第一端P1和第二端P2中的另一个作为输出端。具体地，例如，在电荷泵的正压模式(第一模式)下，选择模块310令升降压模块320的第一端P1接收第一电压V1(例如为电源电压)，同时，选择模块310将升降压模块320的第二端P2与电荷泵的第二输出端U2相连以提供正极性的输出电压Vout，电荷泵的第一输出端U1悬空；在电荷泵的负压模式(第二模式)下，选择模块310令升降压模块320的第二端P2接收第二电压V2(例如为地电压)，同时，选择模块310将升降压模块320的第一端P1与电荷泵的第一输出端U1相连以提供负极性的输出电压Vout，电荷泵的第二输出端U2悬空。

图5示出图4中选择模块的一种电路示意图。

选择模块310包括第一开关K1和第二开关K2，二者均具有两个可选端和一个连接端。第一开关K1的连接端与升降压模块320的第一端P1相连，第一开关K1的第一可选端接收第一电压V1(例如为电源电压)，第一开关K1的第二可选端与电荷泵的第一输出端U1相连；第二开关K2的的连接端与升降压模块320的第二端P2相连,第二开关K2的第一可选端接收第二电压V2(例如为地电压)，第二开关K2的第二可选端与电荷泵的第二输出端U2相连。第一开关K1的选择状态(即将连接端与哪一个可选端相连)受控于第一开关信号Vsw1，第二开关K2的选择状态受控于第二开关信号Vsw2，第一开关信号Vsw1可以与第二开关信号Vsw2相同，也可以反相。

图5示出的是正压模式下的选择模块的内部电路示意图。此时，升降压模块320的第一端P1通过第一开关K1接收第一电压V1，升降压模块320根据第一电压V1在升降压模块320的第二端P2产生正极性的输出电压Vout，升降压模块320的第二端P2通过第二开关K2向电荷泵的第二输出端U2提供该正极性的输出电压Vout。

相似地，在负压模式下，升降压模块320的第二端P2通过第二开关K2接收第二电压V2，升降压模块320根据第二电压V2在升降压模块320的第一端P1产生负极性的输出电压Vout，升降压模块320的第一端P1通过第一开关K1向电荷泵的第一输出端U1提供该负极性的输出电压Vout。

优选地，电荷泵的第一输出端U1与第二输出端U2相连作为电荷泵的总输出端与后续电路相连。

选择模块310接收模式控制信号Vctrl，模式控制信号Vctrl具有第一状态(例如为高电平)和第二状态(例如位低电平)，分别能够控制电荷泵进入正压模式和负压模式。作为一种具体的实施例，用于控制第一开关K1的第一开关信号Vsw1等于模式控制信号Vctrl或其反相信号，用于控制第二开关K2的第二开关信号Vsw1等于模式控制信号Vctrl或其反相信号，从而当模式控制信号Vctrl为第一状态时，电荷泵能工作在正压模式，而当模式控制信号Vctrl为第二状态时，电荷泵能工作在负压模式。因此，通过改变模式控制信号Vctrl的状态即可在电荷泵的正压模式和负压模式之间进行切换。

由上述可知，当需要电荷泵输出不同极性的输出电压Vout时，选择模块310可以根据模式控制信号Vctrl的状态切换升降压模块320的第一端P1与第二端P2相对于电荷泵的输出端的连接关系，从而提供所需极性的输出信号Vout，实现了电荷泵的复用。

升降压模块320用于根据由第一端P1接收到的第一电压V1或由第二端P2接收到的第二电压V2产生对应的输出电压Vout。

具体地，如图4所示，升降压模块320包括切换模块321、多个电容C以及依次级联在第一端P1和第二端P2之间的多个电荷传输模块322，每个电荷传输模块322与一个对应的电容C的第一极板相连，每个电容C的第二极板接收对应的时钟信号CLK1或CLK2(或其他时钟信号)。每个电荷传输模块322与一个对应的电容C组成一个电压级。

切换模块321用于根据模式控制信号Vctrl对每个电荷传输模块322提供切换信号Vmod，以将电荷传输模块322切换至适应于电荷泵的正压模式或负压模式的状态。

当升降压模块320工作时，由于时钟信号CLK1和CLK2是两相非重叠的时钟信号，在一个时钟周期内，当其中一个相位的时钟信号CLK1从高电平跳变到低电平后，另一个相位的时钟信号CLK2才会从低电平跳变到高电平，从而使电容C上的电荷可以充分地从前一电压级转移到后一电压级。由于在电荷泵的正压模式和负压模式下，升降压模块320的第一端P1和第二端P2分别接收电压值较高的第一电压V1(例如为电源电压VDD)和电压值较低的第二电压V2(例如为地电压GND),因此，升降压模块320在正压模式和负压模式下的电荷传递方向相反，从而能够在正压模式下为电荷泵的第二输出端U2提供正极性的输出电压Vout、在负压模式下为电荷泵的第一输出端U1提供负极性的输出电压Vout。

图6示出图4所示的电荷传输模块的一种电路示意图。

在现有技术中，用于产生正极性的输出电压的单极性电荷泵中的三重阱结构开关管的深阱区与阱区以及源极相连，而用于产生负极性的输出电压的单极性电荷泵中的三重阱结构开关管的深阱区接电源电压或接地。

如图6所示，本发明实施例的电荷传输模块322包括一个三重阱结构的开关管M1，其具有阱区P1(第一阱区)和深阱区ND1(第一深阱区)。与现有技术不同的是，为了适应电荷泵的正压模式和负压模式，每个电荷传输模块322中的开关管M1的深阱区ND1接收由切换模块321提供的切换信号Vmod，当电荷泵工作在正压模式时，切换信号Vmod等于低电平(例如为地电压GND)，当电荷泵工作在负压模式时，切换模块321中用于提供的切换信号Vmod的端子悬空，从而使升降压模块320能够在正压模式和负压模式下均正常传输电荷。

图7示出图6所示的开关管M1的一种剖面结构示意图。

如图7所示，以N型沟道的开关管M1为例，开关管M1具有P型衬底Psub(通常接地)、N型深阱区ND1、P型阱区P1以及源极S1和漏极D1。在电荷泵的负压模式下，N型深阱区接收到的切换信号Vmod为地电压，从而能够防止由P型衬底Psub和N型深阱区ND1形成的各个PN结正向导通，进而避免漏电现象；在电荷泵的正压模式下，N型深阱区ND1接收到的切换信号Vmod悬空，从而能够防止由P型阱区P1和N型深阱区ND1形成的PN结出现正向导通，进而避免漏电现象。

图8示出图4所示的切换模块的一种电路示意图。

如图8所示，切换模块321包括一个开关管M2，其控制端接收使能信号en_neg，第一通路端(例如为源极)接地，第二通路端(例如为漏极)提供切换信号Vmod。使能信号en_neg例如等于模式控制信号Vctrl或其反相信号。当模式控制信号Vctrl处于第一状态时，电荷泵工作在正压模式，使能信号en_neg令开关管M2关断，使得各个电荷传输模块322中的开关管M1的深阱区悬浮；当模式控制信号Vctrl处于第二状态时，电荷泵工作在负压模式，使能信号en_neg令开关管M2导通，使得切换信号Vmod等于地电压，从而各个电荷传输模块322中的开关管M1的深阱区接地。

优选地，切换模块321中开关管M2的工艺例如与电荷传输模块322中的开关管M1的工艺相同，即为三重阱结构。开关管M2可以为P沟道型或N沟道型。

作为一种替代的实施例，切换模块321包括多个开关管M2，每个开关管M2对应一个开关管M1，每个开关管M1的深阱区与对应的开关管M2的第二通路端相连以接收对应的切换信号Vmod。

需要注意的是，上述各实施例中的切换模块321采用的一个或多个开关管M2实现，在另一些实施例中，切换模块321还可以由其他电路替代，仅需根据模式控制信号Vctrl产生对应的切换信号Vmod以使电荷传输模块322中的开关管的深阱区接地或悬空即可。

根据本发明的另一方面，还提供了一种存储装置，其中包括至少一个上述任一种电荷泵，以替代现有技术中不同时工作的正压电荷泵和负压电荷泵。

本发明实施例的电荷泵和存储装置的有益效果是，通过设计一种实现既能产生正压又能产生负压的电荷泵来减小芯片的面积，并且在一些优选的实施例中，由于避免了电荷传输模块中开关管的P阱区和N型深阱区之间的PN结发生正向导通，因此不会发生漏电，从而使电荷泵的供电效果更加理想。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种理论的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，对于本领域技术人员而言，本发明可作很多的修改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本说明书选取并具体描述本实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种电荷泵，其特征在于，包括：

升降压模块，其具有第一端和第二端，用于根据模式控制信号提供输出电压；

选择模块，用于根据模式控制信号对所述升降压模块的所述第一端和所述第二端之一提供第一电压或第二电压，并选择所述升降压模块的所述第一端和所述第二端中的另一个提供所述输出电压；

当所述模式控制信号为第一状态时，所述电荷泵工作在第一模式，所述输出电压呈正极性，当所述模式控制信号为第二状态时，所述电荷泵工作在第二模式，所述输出电压呈负极性。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述升降压模块包括多个电容以及依次级联在所述升降压模块的所述第一端和所述第二端之间的多个电荷传输模块，每个所述电荷传输模块与一个对应的所述电容的第一极板相连，每个所述电容的第二极板接收对应的时钟信号。

3.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述选择模块包括：

第一开关,其与所述升降压模块的所述第一端相连，其选择状态受控于开关信号或所述开关信号的反相信号；以及

第二开关，其与所述升降压模块的所述第二端相连，其选择状态受控于所述开关信号或所述开关信号的反相信号，

在所述第一模式下，所述升降压模块的所述第一端通过所述第一开关接收所述第一电压，所述升降压模块的所述第二端通过所述第二开关提供正极性的所述输出电压，

在所述第二模式下，所述升降压模块的所述第二端通过所述第二开关接收所述第二电压，所述升降压模块的所述第一端通过所述第一开关提供负极性的所述输出电压。

4.根据权利要求3所述的电荷泵，其特征在于，所述开关信号等于所述模式控制信号或其反相信号。

5.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，所述第一电压等于电源电压，所述第二电压等于地电压。

6.根据权利要求2所述的电荷泵，其特征在于，所述电荷传输模块包括第一开关管，所述第一开关管的控制端接收对应的所述时钟信号，所述第一开关管的第一通路端和第二通路端用于各所述电荷传输模块的级联，所述第一开关管具有第一阱区和第一深阱区，所述第一阱区与所述第一开关管的第一通路端电相连，

在所述第一模式下，所述第一深阱区悬空，

在所述第二模式下，所述第一深阱区接地电压。

7.根据权利要求6所述的电荷泵，其特征在于，所述升降压模块还包括第二开关管，所述第二开关管的控制端接收使能信号，所述第二开关管的第一通路端接地，所述第二开关管的第二通路端与每个所述第一开关管的所述第一深阱区电连接，

在所述第一模式下，所述使能信号无效并关断所述第二开关管，

在所述第二模式下，所述使能信号有效并导通所述第二开关管。

8.根据权利要求7所述的电荷泵，其特征在于，所述使能信号等于所述模式控制信号或其反相信号。

9.根据权利要求7所述的电荷泵，其特征在于，所述第二开关管与所述第一开关管的工艺相同，所述第二开关管具有第二阱区和第二深阱区，所述第二阱区与所述地二开关管的所述第一通路端电相连，所述第二深阱区接地电压。

10.根据权利要求9所述的电荷泵，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为N型三重阱结构的MOSFET,所述第一阱区和所述第二阱区为P型掺杂，所述第一深阱区和所述第二深阱区为N型掺杂。

11.一种存储装置，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至10任一项所述的电荷泵。