TWI609372B

TWI609372B - 單埠靜態隨機存取記憶體

Info

Publication number: TWI609372B
Application number: TW105137514A
Authority: TW
Inventors: 蕭明椿; 鄭錦明
Original assignee: 修平學校財團法人修平科技大學
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2017-12-21
Also published as: TW201820332A

Description

單埠靜態隨機存取記憶體

本發明係有關於一種5T單埠靜態隨機存取記憶體(Static Random Access Memory，簡稱SRAM)，尤指一種有效提高單埠SRAM之待機效能，並能有效提高讀取速度與有效降低漏電流(leakage current)且能有效避免無謂的功率耗損之單埠SRAM。

習知之單埠靜態隨機存取記憶體(SRAM)如第1a圖所示，其主要包括一記憶體陣列(memory array)，該記憶體陣列係由複數個記憶體區塊(memory block，MB₁、MB₂等)所組成，每一記憶體區塊更由複數列記憶體晶胞(a plurality of rows of memory cells)與複數行記憶體晶胞(a plurality of columns of memory cells)所組成，每一列記憶體晶胞與每一行記憶體晶胞各包括有複數個記憶體晶胞；複數條字元線(word line，WL₁、WL₂等)，每一字元線對應至複數列記憶體晶胞中之一列；以及複數位元線對(bit line pairs，BL₁、BLB₁...BL_m、BLB_m等)，每一位元線對係對應至複數行記憶體晶胞中之一行，且每一位元線對係由一位元線(BL₁...BL_m)及一互補位元線(BLB₁...BLB_m)所組成。

第1b圖所示即是6T單埠靜態隨機存取記憶體(SRAM)晶胞之電路示意圖，其中，PMOS電晶體(P1)和(P2)稱為負載電晶體(load transistor)，NMOS電晶體(M1)和(M2)稱為驅動電晶體(driving transistor)，NMOS電晶體(M3)和(M4)稱為存取電晶體(access transistor)，WL為字元線(word line)，而BL及BLB分別為位元線(bit line)及互補位元線(complementary bit line)，由於該單埠SRAM晶胞需要6個電晶體，且於讀取邏輯0時，為了避免讀取操作初始瞬間(initial instant)另一驅動電晶體導通，節點A之讀取初始瞬間電壓(V_AR)必須滿足方程式(1)：V_AR=V_DD×(R_M1)/(R_M1+R_M3)<V_TM2 (1)

以有效地防止讀取時之半選定晶胞干擾(half-selected cell disturbance)，其中，V_AR表示節點A之讀取初始瞬間電壓，R_M1與R_M3分別表示該NMOS電晶體(M1)與該NMOS電晶體(M3)之導通電阻，而V_DD與V_TM2分別表示電源供應電壓與該NMOS電晶體(M2)之臨界電壓，此導致驅動電晶體與存取電晶體之間的電流驅動能力比(即單元比率，cell ratio)通常設定在2.2至3.5之間(請參考98年10月20日第US76060B2號專利說明書第2欄第8-10行)。

第1b圖所示6T單埠靜態隨機存取記憶體晶胞於寫入操作時之HSPICE暫態分析模擬結果，如第2圖所示，其係使用TSMC 90奈米CMOS製程參數加以模擬。

用來減少6T靜態隨機存取記憶體(SRAM)晶胞之電晶體數之一種方式係揭露於第3圖中。第3圖顯示一種僅具單一位元線之5T單埠靜態隨機存取記憶體晶胞之電路示意圖，與第1b圖之6T單埠靜態隨機存取記憶體晶胞相比，此種單埠靜態隨機存取記憶體晶胞比6T靜態隨機存取記憶體晶胞少一個電晶體及少一條位元線，惟該5T單埠靜態隨機存取記憶體晶胞在不變更PMOS電晶體P1和P2以及NMOS電晶體M1、M2和M3的通道寬長比(亦即保持與6T SRAM晶胞相同之電晶體通道寬長比)的情況下存在寫入邏輯1相當困難之問題。茲考慮記憶晶胞左側節點A原本儲存邏輯0的情況，由於節點A之電荷僅單獨自位元線(BL)傳送，因此在將節點A中先前寫入的邏輯0蓋寫成邏輯1之寫入初始瞬間電壓(V_AW)等於方程式(2)：V_AW=V_DD×(R_M1)/(R_M1+R_M3) (2)其中，V_AW表示節點A之寫入初始瞬間電壓，R_M1與R_M3分別表示NMOS電晶體(M1)與NMOS電晶體(M3)之導通電阻，比較方程式(1)與方程式(2)可知，寫入初始瞬間電壓(V_AW)小於NMOS電晶體(M2)之臨界電壓(V_TM2)，因而無法完成寫入邏輯1之操作。第3圖所示之單埠靜態隨機存取記憶體晶胞，於寫入操作時之HSPICE暫態分析模擬結果，如第4圖所示，其係使用TSMC 90奈米CMOS製程參數加以模擬，由該模擬結果可証實，具單一位元線之單埠靜態隨機存取記憶體晶胞存在寫入邏輯1相當困難之問題。

迄今，有許多具單一位元線之單埠靜態隨機存取記憶體晶胞之技術被提出，例如專利文獻1(99年4月27日第US7706203 B2號)所提出之「Memory System」、專利文獻2(103年2月11日第TWI426514 B號)所提出之「寫入操作時降低電源電壓之單埠靜態隨機存取記憶體」、專利文獻3(103年1月30日第US2014/0029333 A1號)所提出之「Five Transistor SRAM Cell」、非專利文獻4(Satyanand Nalam et al.,”5T SRAM with asymmetric sizing for improved read stability”,IEEE Journal of Solid-State Circuits.,Vol.46.No.10,pp 2431-2442,Oct.2011.)、專利文獻5(104年3月21日第 TWI478165號)所提出之「具高效能之單埠靜態隨機存取記憶體」、非專利文獻6(Chua-Chin Wang et al.,”A single-ended disturb-free 5T loadless SRAM with leakage sensor and read delay compensation using 40 nm process”,2014 International Symposium on Circuits and Systems,pp 1126-1129,June 2014.)及非專利文獻7(Shyam Akashe et al.,”High density and low leakage current based 5T SRAM cell using 45 nm technology”,2011 International Conference on Nanoscience,Engineering and Technology(ICONSET),pp 346-350,Nov.2011.)等等均屬之，該等技術雖可有效解決寫入邏輯1困難之問題，惟該等技術均未考慮到藉由字元線電壓位準轉換電路，以於讀取操作期間將施加至選定晶胞之存取電晶體的字元線電壓下拉至低於電源供應電壓，並配合於讀取操作之第一階段藉由將NMOS電晶體(M11)之源極電壓由原本之接地電壓下拉至低於接地電壓以在有效降低讀取時之半選定晶胞干擾的同時，亦能有效提高讀取速度，因此仍有改進空間。

有鑑於此，本發明之主要目的係提出一種單埠靜態隨機存取記憶體，其能藉由字元線電壓位準轉換電路，以於讀取操作期間將施加至選定晶胞之存取電晶體的字元線電壓下拉至低於電源供應電壓，以有效降低讀取時之半選定晶胞干擾。

本發明之次要目的係提出一種單埠靜態隨機存取記憶體，其能藉由控制電路以有效提高讀取速度，且能藉由二階段的讀取控制以於提高讀取速度的同時，亦避免無謂的功率耗損。

本發明之再一目的係提出一種單埠靜態隨機存取記憶體，其能藉由控制電路以有效避免習知具單一位元線之單埠SRAM存在寫入邏輯1相當困難之問題。

本發明提出一種單埠靜態隨機存取記憶體，其主要包括一記憶體陣列、複數個控制電路(2)、複數個預充電電路(3)、一待機啟動電路(4)以及複數個字元線電壓位準轉換電路(5)，該記憶體陣列係由複數列記憶體晶胞與複數行記憶體晶胞所組成，每一列記憶體晶胞設置一個控制電路，且每一記憶體晶胞(1)係包括一第一反相器(由一第一PMOS電晶體P11與一第一NMOS電晶體M11所組成)、一第二反相器(由一第二PMOS電晶體P12與一第二NMOS電晶體M12所組成)及一存取電晶體(由一第三NMOS電晶體M13所組成)。每一控制單元(2)係連接至對應列記憶體晶胞中之每一記憶體晶胞的該第一NMOS電晶體(M11)的源極以及該第二NMOS電晶體(M12)的源極，以便因應不同操作模式而控制該第一NMOS電晶體(M11)的源極電壓以及該第二NMOS電晶體(M12)的源極電壓，藉此於寫入模式時，可有效防止寫入邏輯1困難之問題，於讀取模式時，可於提高讀取速度的同時，亦避免無謂的功率耗損，於待機模式時，可有效降低漏電流，而於保持模式時則可維持原有的電氣特性。再者，藉由該待機啟動電路(4)的設計，以有效促使具單埠SRAM快速進入待機模式，並因而有效提高單埠靜態隨機存取記憶體之待機效能；此外，藉由該複數個字元線電壓位準轉換電路(5)的設計，以增加該第三NMOS電晶體(M13)於讀取模式下之導通電阻，並因而有效降低讀取時之半選定晶胞干擾。

BLB₁ ^…BLB_m‧‧‧互補位元線

BLB‧‧‧互補位元線

MB₁ ^…MB_k‧‧‧記憶體區塊

WL₁ ^…WL_n‧‧‧字元線

BL₁ ^…BL_m‧‧‧位元線

I₁、I₂、I₃‧‧‧漏電流

1‧‧‧SRAM晶胞

2‧‧‧控制電路

3‧‧‧預充電電路

4‧‧‧待機啟動電路

5‧‧‧字元線電壓位準轉換電路

P11‧‧‧第一PMOS電晶體

P12‧‧‧第二PMOS電晶體

M11‧‧‧第一NMOS電晶體

M12‧‧‧第二NMOS電晶體

M13‧‧‧第三NMOS電晶體

A‧‧‧儲存節點

B‧‧‧反相儲存節點

BL‧‧‧位元線

WLC‧‧‧字元線控制信號

S‧‧‧待機模式控制信號

/S‧‧‧反相待機模式控制信號

VL1‧‧‧第一低電壓節點

VL2‧‧‧第二低電壓節點

M21‧‧‧第四NMOS電晶體

M22‧‧‧第五NMOS電晶體

M23‧‧‧第六NMOS電晶體

M24‧‧‧第七NMOS電晶體

M25‧‧‧第八NMOS電晶體

M26‧‧‧第九NMOS電晶體

M27‧‧‧第十NMOS電晶體

WC‧‧‧寫入控制訊號

RC‧‧‧讀取控制信號

RGND‧‧‧加速讀取電壓

/RC‧‧‧反相讀取控制信號

/WC‧‧‧反相寫入控制信號

INV‧‧‧第三反相器

D1‧‧‧第一延遲電路

P31‧‧‧第三PMOS電晶體

P‧‧‧預充電信號

M41‧‧‧第十二NMOS電晶體

P41‧‧‧第四PMOS電晶體

D2‧‧‧第二延遲電路

V_DD‧‧‧電源供應電壓

WL‧‧‧字元線

C‧‧‧節點

P51‧‧‧第五PMOS電晶體

M51‧‧‧第十三NMOS電晶體

M52‧‧‧第十四NMOS電晶體

M28‧‧‧第十一NMOS電晶體

第1a圖係顯示習知之靜態隨機存取記憶體；第1b圖係顯示習知6T靜態隨機存取記憶體晶胞之電路示意圖；第2圖係顯示習知6T靜態隨機存取記憶體晶胞之寫入動作時序圖；第3圖係顯示習知單埠靜態隨機存取記憶體晶胞之電路示意圖；第4圖係顯示習知單埠靜態隨機存取記憶體晶胞之寫入動作時序圖；第5圖係顯示本發明較佳實施例所提出之電路示意圖；第6圖係顯示第5圖之本發明較佳實施例於寫入期間之簡化電路圖；第7圖係顯示第5圖之本發明較佳實施例之寫入動作時序圖；第8圖係顯示第5圖之本發明較佳實施例於讀取期間之簡化電路圖；第9圖係顯示第5圖之本發明較佳實施例於待機期間之簡化電路圖。

根據上述之主要目的，本發明提出一種單埠靜態隨機存取記憶體，其主要包括一記憶體陣列，該記憶體陣列係由複數列記憶體晶胞與複數行記憶體晶胞所組成，每一列記憶體晶胞與每一行記憶體晶胞均包括有複數個記憶體晶胞(1)；複數個控制電路(2)，每一列記憶晶胞設置一個控制電路(2)；複數個預充電電路(3)，每一行記憶晶胞設置一個預充電電路(3)；一待機啟動電路(4)，該待機啟動電路(4)係促使SRAM快速進入待機模式，以有效提高SRAM之待機效能；以及複數個字元線電壓位準轉換電路(5)，每一列記憶體晶胞設置一個字元線電壓位準轉換電路(5)。

為了便於說明起見，第5圖所示之靜態隨機存取記憶體僅以一個記憶體晶胞(1)、一條字元線(WL)、一條位元線(BL)、一控制電路(2)、一預充電電路(3)、一待機啟動電路(4)以及一字元線電壓位準轉換電路(5)做為實施例來說明。該記憶體晶胞(1)係包括一第一反相器(由一第一PMOS電晶體P11與一第一NMOS電晶體M11所組成)、一第二反相器(由一第二PMOS電晶體P12與一第二NMOS電晶體M12所組成)、一第三NMOS電晶體(M13)，其中，該第一反相器及該第二反相器係呈交互耦合連接，亦即該第一反相器之輸出(即節點A)係連接該第二反相器之輸入，而該第二反相器之輸出(即節點B)則連接該第一反相器之輸入，並且該第一反相器之輸出(節點A)係用於儲存SRAM晶胞之資料，而該第二反相器之輸出(節點B)則用於儲存SRAM晶胞之反相資料。在此值得注意的是，該第一NMOS電晶體(M11)與該第二NMOS電晶體(M12)具有相同之通道寬長比，該第一PMOS電晶體(P11)與該第二PMOS電晶體(P12)亦具有相同之通道寬長比

請再參考第5圖，該控制電路(2)係由一第四NMOS電晶體(M21)、一第五NMOS電晶體(M22)、一第六NMOS電晶體(M23)、一第七NMOS電晶體(M24)、一第八NMOS電晶體(M25)、一第九NMOS電晶體(M26)、一第十NMOS電晶體(M27)、一第十一NMOS電晶體(M28)、一讀取控制信號(RC)、一第三反相器(INV)、一第一延遲電路(D1)、一加速讀取電壓(RGND)、一寫入控制信號(WC)、一反相寫入控制信號(/WC)、一待機模式控制信號(S)以及一反相待機模式控制信號(/S)所組成。該第四NMOS電晶體(M21)之源極、閘極與汲極係分別連接至接地電壓、該反相待機模式控制信號(/S)與一第二低電壓節點(VL2)；該第五NMOS電晶體(M22)之源極、閘極與汲極係分別連接至該第二低電壓節點(VL2)、該待機模式控制信號(S)與一第一低電壓節點(VL1)；該第六NMOS電晶體(M23)之源極係連接至接地電壓，而閘極與汲極連接在一起並連接至該第一低電壓節點(VL1)；該第七NMOS電晶體(M24)之源極、閘極與汲極係分別連接至該第八NMOS電晶體(M25)之汲極、該讀取控制信號(RC)與該第一低電壓節點(VL1)；該第八NMOS電晶體(M25)之源極、閘極與汲極係分別連接至該加速讀取電壓(RGND)、該第一延遲電路(D1)之輸出與該第七NMOS電晶體(M24)之源極；該第一延遲電路(D1)係連接在該第三反相器(INV)之輸出與該第八NMOS電晶體(M25)之閘極之間；該第三反相器(INV)之輸入係供接收該讀取控制信號(RC)，而輸出則連接至該第一延遲電路(D1)之輸入；該第九NMOS電晶體(M26)之源極、閘極與汲極係分別連接至接地電壓、該第十NMOS電晶體(M27)之汲極與該第一低電壓節點(VL1)；該第十NMOS電晶體(M27)之源極、閘極與汲極係分別連接至該寫入控制信號(WC)、該待機模式控制信號(S)與該第九NMOS電晶體(M26)之閘極；而該第十一NMOS電晶體(M28)之源極、閘極與汲極則分別連接至該反相寫入控制信號(/WC)、該反相待機模式控制信號(/S)與該第九NMOS電晶體(M26)之閘極。在此值得注意的是，該反相待機模式控制信號(/S)係由該待機模式控制信號(S)經一反相器而獲得，且該反相寫入控制信號(/WC)係由該寫入控制信號(WC)經另一反相器而獲得。

在此值得注意的是，該第十一NMOS電晶體(M28)之汲極、該第十NMOS電晶體(M27)之汲極及該第九NMOS電晶體(M26)之閘極係連接在一起並形成一節點(C)，當該待機模式控制信號(S)為邏輯低位準時，該節點(C)之電壓位準係為該反相寫入控制信號(/WC)之邏輯位準，而當該待機模式控制信號(S)為邏輯高位準時，該節點(C)之電壓位準係為該寫入控制信號(WC)之邏輯位準，藉此可有效地防止待機模式下因非預期因素而發生的誤寫入；再者，該節點(C)之邏輯高位準係為該電源供應電壓(V_DD)扣減該第十一NMOS電晶體(M28)之一臨界電壓(V_TM28)的電壓位準，因此當該單埠靜態隨機存取記憶體於非寫入模式(此時對應之該反相寫入控制信號(/WC)為邏輯高位準)時，該節點(C)係為該電源供應電壓(V_DD)扣減該第十一NMOS電晶體(M28)之該臨界電壓(V_TM28)的電壓位準，而非該電源供應電壓(V_DD)之電壓位準，故可具有較低之功率消耗；且於後續進入寫入模式(此時對應之該反相寫入控制信號(/WC)為邏輯低位準)時，由於可快速地將儲存於該節點(C)之電荷經由該第十一NMOS電晶體(M28)放電至足以關閉以該節點(C)作為閘極之該第九NMOS電晶體(M26)，故可較快速地進入該寫入模式。

該控制電路(2)係設計成可因應不同操作模式而控制該第一低電壓節點(VL1)與該第二低電壓節點(VL2)之電壓位準，於寫入模式時，將選定晶胞中較接近位元線(BL)之驅動電晶體(即該第一NMOS電晶體M11)的源極電壓(即該第一低電壓節點VL1)設定成較接地電壓為高之一預定電壓(即該第六NMOS電晶體(M23)之閘源極電壓V_GS(M23))且將選定晶胞中另一驅動電晶體(即該第二NMOS電晶體M12)的源極電壓(即該第二低電壓節點VL2)設定成接地電壓，以便防止寫入邏輯1困難之問題。

於讀取模式之第一階段時，將選定晶胞中較接近位元線(BL)之驅動電晶體(即該第一NMOS電晶體M11)的源極電壓(即該第一低電壓節點VL1)設定成呈較接地電壓為低之該加速讀取電壓(RGND)，該較接地電壓為低之該加速讀取電壓(RGND)可有效提高讀取速度，而於讀取模式之第二階段時，將選定晶胞中較接近位元線(BL)之驅動電晶體(即該第一NMOS電晶體M11)的源極電壓設定回接地電壓，以便減少無謂的功率消耗，其中該讀取模式之該第二階段與該第一階段相隔之時間，係等於該讀取控制信號(RC)由邏輯低位準轉變為邏輯高位準起算，並至該第八NMOS電晶體(M25)之閘極電壓足以關閉該第八NMOS電晶體(M25)為止之時間，其值可藉由該第三反相器(INV)之下降延遲時間與該第一延遲電路(D1)所提供之延遲時間來調整。

於待機模式時，將所有記憶晶胞中之驅動電晶體的源極電壓設定成較接地電壓為高之該預定電壓，以便降低漏電流；而於保持模式時則將記憶晶胞中之驅動電晶體的源極電壓設定成接地電壓，以便維持原來之保持特性，其詳細工作電壓位準如表1所示。

表1中之該寫入控制信號(WC)係為一寫入信號(W)與該字元線(WL)信號的及閘(AND gate)運算結果，此時僅於該寫入信號(W)信號與該字元線(WL)信號均為邏輯高位準時，該寫入控制信號(WC)方為邏輯高位準；該讀取控制信號(RC)為一讀取信號(R)與該字元線(WL)信號的及閘運算結果。在此值得注意的是，對於非讀取模式期間之該讀取控制信號(RC)係設定為該加速讀取電壓(RGND)之位準，以防止該第七NMOS電晶體(M24)之漏電流。

請參考第5圖，該預充電電路(3)係由一第三PMOS電晶體(P31)以及一預充電信號(P)所組成，該第三PMOS電晶體(P31)之源極、閘極與汲極係分別連接至該電源供應電壓(V_DD)、該預充電信號(P)與該位元線(BL)，以便於預充電期間，藉由邏輯低位準之該預充電信號(P)，以將該位元線(BL)預充電至該電源供應電壓(V_DD)之位準。

請再參考第5圖，該待機啟動電路(4)係由一第四PMOS電晶體(P41)、一第十二NMOS電晶體(M41)、一第二延遲電路(D2)以及該反相待機模式控制信號(/S)所組成。該第四PMOS電晶體(P41)之源極、閘極與汲極係分別連接至該電源供應電壓(V_DD)、該反相待機模式控制信號(/S)與該第十二NMOS電晶體(M41)之汲極；該第十二NMOS電晶體(M41)之源極、閘極與汲極係分別連接至該第一低電壓節點(VL1)、該第二延遲電路(D2)之輸出與該第四PMOS電晶體(P41)之汲極；該第二延遲電路(D2)之輸入連接至該反相待機模式控制信號(/S)，而該第二延遲電路(D2)之輸出則連接至該第十二NMOS電晶體(M41)之閘極。

請再參考第5圖，該字元線電壓位準轉換電路(5)係由一第五PMOS電晶體(P51)、一第十三NMOS電晶體(M51)、一第十四NMOS 電晶體(M52)、該讀取控制信號(RC)、該反相寫入控制信號(/WC)、一反相讀取控制信號(/RC)以及一字元線控制信號(WLC)所組成。該第五PMOS電晶體(P51)之源極、閘極與汲極係分別連接至該字元線(WL)、該反相寫入控制信號(/WC)與該字元線控制信號(WLC)；該第十三NMOS電晶體(M51)之源極、閘極與汲極係分別連接至該字元線控制信號(WLC)、該讀取控制信號(RC)與該字元線(WL)；而該第十四NMOS電晶體(M52)之源極、閘極與汲極係分別連接至該字元線控制信號(WLC)、該反相讀取控制信號(/RC)與該字元線(WL)。

該字元線電壓位準轉換電路(5)之詳細工作電壓位準如表2所示。

其中V_TM51表示該第十三NMOS電晶體(M51)之臨界電壓。在此值得注意的是，本發明一方面藉由二階段的讀取控制以於提高讀取速度的同時，亦避免無謂的功率耗損，另一方面藉由該字元線電壓位準轉換電路(5)，以於讀取操作期間將施加至選定晶胞之存取電晶體的字元線電壓下拉至低於該電源供應電壓(即V_DD-V_TM51)，以有效降低讀取時之半選定晶胞干擾。

茲依單埠SRAM之工作模式說明第5圖之本發明較佳實施例的工作原理如下：

(I)寫入模式(write mode)

於寫入操作開始前，該待機模式控制信號(S)為邏輯低位準，使得該第十一NMOS電晶體(M28)導通(ON)，並使得該第十NMOS電晶體(M27)截止(OFF)，由於此時該反相寫入控制信號(/WC)為邏輯高位準，於是該第十一NMOS電晶體(M28)之汲極呈邏輯高位準，該邏輯高位準之該第十一NMOS電晶體(M28)之汲極會導通該第九NMOS電晶體(M26)，並使得該第一低電壓節點(VL1)呈接地電壓。

而於寫入操作期間內，該寫入控制信號(WC)為邏輯高位準，惟此時該反相寫入控制信號(/WC)為邏輯低位準，使得該第十一NMOS電晶體(M28)之汲極呈邏輯低位準，該邏輯低位準之該第十一NMOS電晶體(M28)之汲極會使得該第九NMOS電晶體(M26)截止，並使得該低電壓節點(VL1)等於該第六NMOS電晶體(M23)之閘源極電壓V_GS(M26)，藉此得以有效防止寫入邏輯1困難之問題。第6圖所示為第5圖之本發明較佳實施例於寫入期間之簡化電路圖。

接下來依單埠SRAM之4種寫入狀態來說明第6圖之本發明較佳實施例如何完成寫入動作。

(一)節點A原本儲存邏輯0，而現在欲寫入邏輯0：

在寫入動作發生前(該字元線控制信號WLC為接地電壓)，該第一NMOS電晶體(M11)為導通(ON)。因為該第一NMOS電晶體(M11)為ON，所以當寫入動作開始時，該字元線控制信號(WLC)由Low(接地電壓)轉High(該電源供應電壓V_DD)。當該字元線控制信號(WLC)的電壓大於該第三NMOS電晶體(M13)(即存取電晶體)的臨界電壓時，該第三NMOS電晶體(M13)由截止(OFF)轉變為導通(ON)，此時因為位元線(BL)是接地電壓，所以該節點A會保持原本之接地電壓，直到寫入週期結束。

(二)節點A原本儲存邏輯0，而現在欲寫入邏輯1：

在寫入動作發生前(該字元線控制信號WLC為接地電壓)，該第一NMOS電晶體(M11)為導通(ON)。因為該第一NMOS電晶體(M11)為ON，所以當寫入動作開始時，該字元線控制信號(WLC)由Low(接地電壓)轉High(該電源供應電壓V_DD)，該節點A的電壓會跟隨該字元線控制信號(WLC)的電壓而上升。

當該字元線控制信號(WLC)的電壓大於該第三NMOS電晶體(M13)的臨界電壓時，該第三NMOS電晶體(M13)由截止(OFF)轉變為導通(ON)，此時因為該位元線(BL)是High(該電源供應電壓V_DD)，並且因為該第一NMOS電晶體(M11)仍為ON且該節點B仍處於電壓位準為接近於該電源供應電壓(V_DD)之電壓位準的初始狀態，所以該第一PMOS電晶體(P11)仍為截止(OFF)，而該節點A之寫入初始瞬間電壓(V_AW)滿足方程式(3)：V_AW=V_DD×(R_M11+R_M23)/(R_M13+R_M11+R_M23)>V_TM12 (3)

其中，V_AW表示節點A之寫入初始瞬間電壓，R_M11、R_M13與R_M23分別表示該第一NMOS電晶體(M11)、該第三NMOS電晶體(M13)與該第六NMOS電晶體(M23)之導通電阻，而V_DD與V_TM12分別表示該電源供應電壓與該第二NMOS電晶體(M12)之臨界電壓，因此可有效避免寫入邏輯1困難之問題，此時因為第三NMOS電晶體(M13)仍工作於飽和區(saturation region)且該第一NMOS電晶體(M11)仍工作於線性區(triode region)，雖然該第三NMOS電晶體(M13)之導通電阻(R_M13)會大於該第一NMOS電晶體(M11)之導通電阻(R_M11)，但由於該第六NMOS電晶體(M23)係呈二極體連接，因此可於該第一低電壓節點(VL1)處提供一等於該第六NMOS電晶體(M23)之閘-源極電壓V_GS(M23)之電壓位準，結果節點A所呈現的該分壓電壓位準，其電壓值會比第4圖之習知單埠靜態隨機存取記憶體晶胞之該節點A之電壓位準還要高許多。該還要高許多之分壓電壓位準足以使該第二NMOS電晶體(M12)導通，於是使得節點B放電至一較低電壓位準，該節點B之較低電壓位準會使得該第一NMOS電晶體(M11)之導通電阻(R_M11)呈現較高的電阻值，該第一NMOS電晶體(M11)之該較高的電阻值會於該節點A獲得較高電壓位準，該節點A之較高電壓位準又會經由該第二反相器(由第二PMOS電晶體P12與第二NMOS電晶體M12所組成)，而使得該節點B呈現更低電壓位準，該節點B之更低電壓位準又會經由該第一反相器(由第一PMOS電晶體P11與第一NMOS電晶體M11所組成)，而使得該節點A獲得更高電壓位準，依此循環，即可將該節點A充電至該電源供應電壓(V_DD)，而完成邏輯1的寫入動作。

在此值得注意的是，該第一低電壓節點(VL1)於節點A原本儲存邏輯0，而正寫入邏輯1之期間，係具有等於該第六NMOS電晶體(M23)之閘源極電壓V_GS(M23)的電壓位準，而於寫入邏輯1後，又會因經由該第九NMOS電晶體(M26)放電而具有接地電壓之位準。

(三)節點A原本儲存邏輯1，而現在欲寫入邏輯1：

在寫入動作發生前(字元線控制信號WLC為接地電壓)，該第一PMOS電晶體(P11)為導通(ON)。當該字元線控制信號(WLC)由Low(接地電壓)轉High(該電源供應電壓V_DD)，且該字元線控制信號(WLC)的電壓大於該第三NMOS電晶體(M13)的臨界電壓時，該第三NMOS電晶體(M13)由截止(OFF)轉變為導通(ON)；此時因為該位元線(BL)是High(該電源供應電壓V_DD)，並且因為該第一PMOS電晶體(P11)仍為ON，所以該節點A的電壓會維持於該電源供應電壓(V_DD)之電壓位準，直到寫入週期結束。

(四)節點A原本儲存邏輯1，而現在欲寫入邏輯0：

在寫入動作發生前(該字元線控制信號WLC為接地電壓)，該第一PMOS電晶體(P11)為導通(ON)。當該字元線控制信號(WLC)由Low(接地電壓)轉High(該電源供應電壓V_DD)，且該字元線控制信號(WLC)的電壓大於該第三NMOS電晶體(M13)的臨界電壓時，該第三NMOS電晶體(M13)由截止(OFF)轉變為導通(ON)，此時因為該位元線(BL)是Low(接地電壓)，所以會將該節點A以及該第一低電壓節點(VL1)放電而完成邏輯0的寫入動作，直到寫入週期結束。

第6圖所示之本發明較佳實施例，於寫入操作時之HSPICE暫態分析模擬結果，如第7圖所示，其係使用TSMC 90奈米CMOS製程參數加以模擬，由該模擬結果可証實，本發明所提出之單埠靜態隨機存取記憶體，能藉由寫入期間提高該第一低電壓節點(VL1)之電壓位準，以有效避免習知具單一位元線之單埠靜態隨機存取記憶體晶胞存在寫入邏輯1相當困難之問題。

(II)讀取模式(read mode)

於讀取操作開始前，該寫入控制信號(WC)及該待機模式控制信號(S)均為邏輯低位準，而該反相寫入控制信號(/WC)及該反相待機模式控制信號(/S)均為邏輯高位準，使得該第十一NMOS電晶體(M28)導通，並使得該第十NMOS電晶體(M27)截止，於是該節點C呈邏輯高位準，邏輯高位準之該節點C會導通第九NMOS電晶體(M26)，並使得該第一低電壓節點(VL1)呈接地電壓。另一方面，由於該讀取控制信號(RC)為邏輯低位準，使得該第七NMOS電晶體(M24)截止(OFF)，並使得該第八NMOS電晶體(M25)導通(ON)。

在此值得注意的是，於讀取操作開始前之預充電期間，該預充電信號(P)係為邏輯低位準，藉此以將相對應之位元線(BL)預充電至該電源供應電壓(V_DD)之位準，惟由於例如20奈米以下製程技術之操作電壓將降為1伏特以下時將造成讀取速度降低而無法滿足規範之問題，因此，本發明提出二階段的讀取控制以於提高讀取速度並滿足規範的同時，亦避免無謂的功率耗損。

第5圖所示之本發明較佳實施例係藉由二階段的讀取控制以於提高讀取速度的同時，亦避免無謂的功率耗損，於讀取操作之一第一階段，該讀取控制信號(RC)為邏輯高位準，使得該第七NMOS電晶體(M24)導通，由於此時該第八NMOS電晶體(M25)仍導通，於是該第一低電壓節點(VL1)大約呈較接地電壓為低之該加速讀取電壓(RGND)，該較接地電壓為低之該加速讀取電壓(RGND)可有效提高讀取速度。

而於讀取操作之一第二階段，雖然該讀取控制信號(RC)仍為邏輯高位準，使得該第七NMOS電晶體(M24)仍為導通，惟由於此時該第八NMOS電晶體(M25)截止，於是該第一低電壓節點(VL1)會經由導通的該第九NMOS電晶體(M26)而呈接地電壓，藉此可有效減少無謂的功率消耗。在此值得注意的是，該讀取操作之該第二階段與該第一階段相隔之時間，係等於該讀取控制信號(RC)由邏輯低位準轉變為邏輯高位準起算，並至該第八NMOS電晶體(M25)之閘極電壓足以關閉該第八NMOS電晶體(M25)為止之時間，其值可藉由該第三反相器(INV)之下降延遲時間與該第一延遲電路(D1)所提供之延遲時間來調整。再者，無論於讀取操作之該第一階段抑是該第二階段，該第九NMOS電晶體(M26)均呈導通狀態(由於該第九NMOS電晶體(M26)之閘極為電源供應電壓V_DD之位準)。第8圖所示為第5圖之本發明較佳實施例於讀取期間之簡化電路圖。

接下來依單埠SRAM之2種讀取狀態來說明第8圖之本發明較佳實施例如何設定該加速讀取電壓(RGND)與如何降低讀取時之半選定晶胞干擾。

(一)讀取邏輯1(節點A儲存邏輯1)：

在讀取動作發生前，該第一NMOS電晶體(M11)為截止(OFF)且該第二NMOS電晶體(M12)為導通(ON)，該節點A與該節點B分別為該電源供應電壓(V_DD)與接地電壓，而該位元線(BL)則因該預充電電路(3)而等於該電源供應電壓(V_DD)。於讀取期間，由於該字元線控制信號(WLC)為該電源供應電壓扣抵該第十三NMOS電晶體(M51)之臨界電壓(即V_DD-V_TM51)，因此該第三NMOS電晶體(M13)導通(ON)，藉此可有效保持該位元線(BL)為該電源供應電壓直到讀取週期結束而順利完成讀取邏輯1之操作。在此值得注意的是，於讀取操作之該第一階段，該第一低電壓節點(VL1)之電壓可由方程式(4)表示：VL1電壓=RGND×R_M26/(R_M26+R_M24+R_M25) (4)其中，RGND表示該加速讀取電壓，R_M26表示該第九NMOS電晶體(M26)之導通電阻，R_M24表示該第七NMOS電晶體(M24)之導通電阻，R_M25表示該第八NMOS電晶體(M25)之導通電阻，而於該讀取操作之該第二階段，該第一低電壓節點(VL1)之電壓可由方程式(5)表示：VL1之電壓=接地電壓 (5)藉此，可有效地減少無謂的功率消耗。

再者，為了有效降低讀取時之半選定晶胞干擾與有效降低漏電流，必須將該加速讀取電壓(RGND)之絕對值設定為讀取時使該第一低電壓節點(VL1)之電壓位準小於該第一NMOS電晶體(M11)之臨界電壓(V_TM11)，當然亦可更保守地將該加速讀取電壓(RGND)之絕對值設定為小於該第一NMOS電晶體(M11)之臨界電壓(V_TM11)，亦即｜RGND｜<V_TM11 (6)其中，｜RGND｜與V_TM11分別表示該加速讀取電壓之絕對值與該第一NMOS電晶體(M11)之臨界電壓。

(二)讀取邏輯0(節點A儲存邏輯0)：

在讀取動作發生前，該第一NMOS電晶體(M11)為導通(ON)且該第二NMOS電晶體(M12)為截止(OFF)，該節點(A)與該節點(B)分別為接地電壓與該電源供應電壓(V_DD)，而該位元線(BL)則因該預充電電路(3)而等於該電源供應電壓(V_DD)。因為該第一NMOS電晶體(M11)為ON，所以當讀取動作開始時，該字元線控制信號(WLC)由Low(接地電壓)轉High(該電源供應電壓扣抵該第十三NMOS電晶體M51之臨界電壓V_DD-V_TM51)。當該字元線控制信號(WLC)的電壓大於該第三NMOS電晶體(M13)的臨界電壓時，該第三NMOS電晶體(M13)由截止(OFF)轉變為導通(ON)，此時該節點A之讀取初始瞬間電壓(V_AR)必須滿足方程式(5)：V_AR=V_DD×(R_M11+(R_M24+R_M25)∥R_M26)/(R_M13+R_M11+(R_M24+R_M25)∥R_M26)+RGND×(R_M11+R_M13)∥R_M26/(R_M24+R_M25+(R_M11+R_M13)∥R_M26)×R_M13/(R_M11+R_M13)<V_TM12 (7)其中，V_AR表示節點A讀取邏輯0時之初始瞬間電壓，R_M11、R_M13、R_M24、R_M25與R_M26分別表示該第一NMOS電晶體(M11)、該第三NMOS電晶體(M13)、該第七NMOS電晶體(M24)、該第八NMOS電晶體(M25)與該第九NMOS電晶體(M26)之導通電阻，而V_DD、RGND與V_TM12分別表示該電源供應電壓(V_DD)、該加速讀取電壓(RGND)與該第二NMOS電晶體(M12)之臨界電壓。在此值得注意的是，該加速讀取電壓(RGND)係設計成低於接地電壓且該加速讀取電壓之絕對值設計成小於該第一NMOS電晶體(M11)之臨界電壓。再者，本發明於讀取期間之該字元線控制信號(WLC)係設定為該電源供應電壓扣抵該第十三NMOS電晶體(M51)之臨界電壓(V_DD-V_TM51)，其一方面能有效降低讀取時之半選定晶胞干擾，另一方面可藉由增加該第三NMOS電晶體(M13)之導通電阻(R_M13)以容易滿足方程式(7)。

(III)待機模式(standby mode)

首先，說明第5圖之待機啟動電路(4)如何促使單埠SRAM快速進入待機模式，以有效提高SRAM之待機效能：(1)於進入待機模式之前，該反相待機模式控制信號(/S)為邏輯High，該邏輯High之反相待機模式控制信號(/S)使得該第四PMOS電晶體(P41)截止(OFF)，並使得該第十二NMOS電晶體(M41)導通(ON)；(2)而於進入待機模式後，該反相待機模式控制信號(/S)為邏輯Low，該邏輯Low之反相待機模式控制信號(/S)使得該第四PMOS電晶體(P41)導通(ON)，惟於待機模式之初始期間內(該初始期間係等於該反相待機模式控制信號(/S)由邏輯High轉變為邏輯Low起算，至該第十二NMOS電晶體(M41)之閘極電壓足以關閉該第十二NMOS電晶體(M41)為止之時間，其可藉由該第二延遲電路(D2)所提供之一延遲時間來調整)，該第十二NMOS電晶體(M41)仍導通(ON)，於是可對該第一低電壓節點(VL1)快速充電到達該第六NMOS電晶體(M23)之臨界電壓(V_TM23)的電壓位準，亦即單埠SRAM可快速進入待機模式。在此值得注意的是，於待機模式之初始期間後，該第十二NMOS電晶體(M41)關閉並停止供應電流。

請參考第5圖，於待機模式時，該待機模式控制信號(S)為邏輯高位準，而該反相待機模式控制信號(/S)為邏輯低位準，該邏輯低位準之該反相待機模式控制信號(/S)可使得該控制電路(2)中之該第四NMOS電晶體(M21)截止(OFF)，而該邏輯高位準之該待機模式控制信號(S)則使得該第五NMOS電晶體(M22)導通(ON)，此時該第五NMOS電晶體(M22)係作為等化器(equalizer)使用，因此可藉由呈導通狀態之該第五NMOS電晶體(M22)，以使得該第一低電壓節點(VL1)之電壓位準相等於該第二低電壓節點(VL2)之電壓位準，且該等電壓位準均會等於該第六NMOS電晶體(M23)之臨界電壓(V_TM23)的電壓位準。第9圖所示為第5圖之本發明較佳實施例於待機期間之簡化電路圖。

接下來說明本發明於待機模式(standby mode)時如何減少漏電流，請參考第9圖，第9圖描述有本發明實施例處於待機模式時所產生之各漏電流(subthreshold leakage current)I₁、I₂、I₃，其中假設SRAM晶胞中之該第一反相器之輸出(即節點A)為邏輯Low(在此值得注意的是，由於待機模式時該第二低電壓節點(VL2)之電壓位準係維持在該第六NMOS電晶體(M23)之臨界電壓(V_TM23)的電壓位準，因此節點A為邏輯Low之電壓位準亦維持在該V_TM23的電壓位準)，而該第二反相器之輸出(即節點B)為邏輯High(電源供應電壓V_DD)。請參考第1b圖之先前技藝與第9圖之本發明實施例，來說明本發明所提出之靜態隨機存取記憶體與第1b圖之6T SRAM於漏電流方面之比較，首先關於流經該第三NMOS電晶體(M13)之漏電流I₁，由於本發明於待機模式時節點A之電壓位準係維持在該V_TM23的電壓位準，且假設字元線(WL)於待機模式時係設定成接地電壓，而位元線(BL)於待機模式時則設定為該電源供應電壓(V_DD)，因此本發明之第三NMOS電晶體(M13)的閘源極電壓(V_GS)為負值，反觀於待機模式時第1b圖先前技藝之NMOS電晶體(M3)的閘源極電壓(V_GS)等於0，根據閘極引發汲極洩漏(Gate Induced Drain Leakage，簡稱GIDL)效應或2005年3月8日第US6865119號專利案第3(A)及3(B)圖之結果可知，對於NMOS電晶體而言，閘源極電壓為-0.1伏特時之次臨界電流約為閘源極電壓為0伏特時之次臨界電流的1%，因此導因於GIDL效應所引發之流經本發明之該第三NMOS電晶體(M13)之漏電流I₁遠小於第1b圖先前技藝之NMOS電晶體(M3)者；再者，本發明該第三NMOS電晶體(M13)之汲源極電壓(V_DS)為該電源供應電壓(V_DD)扣減該V_TM23的電壓位準，反觀於待機模式時傳統第1b圖6T靜態隨機存取記憶體之NMOS電晶體(M3)之汲源極電壓(V_DS)係等於該電源供應電壓(V_DD)，根據汲極引發能障下跌(Drain-Induced Barrier Lowering，簡稱DIBL)效應，由於DIBL效應所引發之流經本發明之該第三NMOS電晶體(M13)之漏電流I₁亦小於第1b圖先前技藝之NMOS電晶體(M3)者；結果，流經本發明之該第三NMOS電晶體(M13)之漏電流I₁遠小於第1b圖先前技藝之NMOS電晶體(M3)者。

接著關於流經該第一PMOS電晶體(P11)之漏電流I₂，由於待機模式時該第一PMOS電晶體(P11)之源極係為該電源供應電壓(V_DD)，而該第一PMOS電晶體(P11)之汲極係維持在該該V_TM23的電壓位準，因此本發明之該第一PMOS電晶體(P11)之源汲極電壓(V_SD)為該電源供應電壓(V_DD)扣減該V_TM23的電壓位準，反觀於待機模式時第1b圖先前技藝之PMOS電晶體(P1)之源汲極電壓(V_SD)係等於該電源供應電壓(V_DD)，根據DIBL效應，因此流經本發明之該第一PMOS電晶體(P11)之漏電流I₂會小於第1b圖先前技藝之PMOS電晶體(P1)者。

最後，關於流經該第二NMOS電晶體(M12)之漏電流I₃，由於待機模式時該第二低電壓節點(VL2)之電壓位準係維持在該V_TM23的電壓位準，節點A之電壓位準亦維持在該V_TM23的電壓位準，而節點B之電壓位準係等於該電源供應電壓(V_DD)且該第二NMOS電晶體(M12)之基底為接地電壓，因此本發明之該第二NMOS電晶體(M12)的基源極電壓(V_BS)為負值，且該第二NMOS電晶體(M12)之汲源極電壓(V_DS)為該電源供應電壓(V_DD)扣減該V_TM23的電壓位準，反觀於待機模式時第1b圖先前技藝之NMOS電晶體(M2)的基源極電壓(V_BS)等於0，且NMOS電晶體(M2)之汲源極電壓(V_DS)等於該電源供應電壓(V_DD)，根據本體效應(body effect)及DIBL效應可知，流經本發明之該第二NMOS電晶體(M12)之漏電流I₃遠小於第1b圖先前技藝之NMOS電晶體(M2)者。由上述分析可知，本發明所提出之單埠靜態隨機存取記憶體與第1b圖先前技藝相較具有較低之漏電流。

(IV)保持模式(hold mode)

保持模式時，由於該第一低電壓節點(VL1)與該第二低電壓節點(VL2)均設定成接地電壓，其工作原理相同於第3圖傳統具單一位元線之5T SRAM晶胞，於此不再累述。

【發明功效】

本發明所提出之單埠靜態隨機存取記憶體，具有如下功效：

(1)高設計自由度：由於本發明於讀取邏輯0時，將儲存節點(A)下拉至低於第二NMOS電晶體(M12)之臨界電壓(V_TM12)共有二個機制，一個為藉由字元線電壓位準轉換電路(5)，以將施加至選定晶胞之存取電晶體(即第三NMOS電晶體M13)的字元線電壓下拉至低於電源供應電壓(即V_DD-V_TM51)，另一個為藉由低於接地電壓之加速讀取電壓(RGND)以下拉儲存節點(A)，因此具備高設計自由度之功效；

(2)有效降低讀取時之半選定晶胞干擾：本發明可藉由字元線電壓位準轉換電路(5)，以於讀取操作期間將施加至選定晶胞之存取電晶體(即第三NMOS電晶體N13)的字元線電壓下拉至低於該電源供應電壓(即V_DD-V_TM51)，其一方面可降低半選定晶胞中之第三NMOS電晶體(M13)的讀取干擾，另一方面可藉由減輕滿足方程式(5)所需之加速讀取電壓(RGND)，以降低半選定晶胞中之第一NMOS電晶體(N11)的讀取干擾，因此具備有效降低讀取時之半選定晶胞干擾之功效；

(3)高讀取速度並避免無謂的功率消耗：本發明係採用二階段讀取操作，於讀取操作之第一階段藉由將第一低電壓節點(VL1)設定成較接地電壓為低之加速讀取電壓(RGND)以有效提高讀取速度，而於讀取操作之第二階段則藉由將第一低電壓節點(VL1)設定回接地電壓，以便減少無謂的功率消耗；

(4)快速進入待機模式：由於本發明設置有待機啟動電路(4)以促使SRAM快速進入待機模式，並藉此以謀求提高單埠SRAM之待機效能；

(5)避免寫入邏輯1困難之問題：本發明於寫入操作時，可藉由提高該第一低電壓節點(VL1)之電壓位準以有效避免習知具單一位元線之單埠SRAM存在寫入邏輯1相當困難之問題；

(6)低待機電流：由於本發明於待機模式時，可藉由呈導通狀態之第五NMOS電晶體(M22)，以使得該第一低電壓節點(VL1)之電壓位準相等於該第二低電壓節點(VL2)之電壓位準，並使得該等電壓位準均等於該第六NMOS電晶體(M23)之臨界電壓的位準，因此本發明亦具備低待機電流之功效；

(7)低電晶體數：對於具有1024列1024行之SRAM陣列而言，傳統第1b圖6T靜態隨機存取記憶體陣列共需1024×1024×6=6,291,456顆電晶體，而本發明所提出之靜態隨機存取記憶體僅至少需1024×1024×5+1024×24+6=5,267,462顆電晶體，其減少16.3%之電晶體數。

(8)有效地防止寫入邏輯1時因非預期因素而使該待機模式控制信號(S)短暫成為邏輯高位準而導致無法寫入之問題：由於寫入邏輯1時，該節點(C)之電壓位準恆為該接地電壓，因此可有效地防止寫入邏輯1時因非預期因素而使該待機模式控制信號(S)短暫成為邏輯高位準而導致無法寫入之問題。

雖然本發明特別揭露並描述了所選之較佳實施例，但舉凡熟悉本技術之人士可明瞭任何形式或是細節上可能的變化均未脫離本發明的精神與範圍。因此，所有相關技術範疇內之改變都包括在本發明之申請專利範圍內。