專利名稱：電荷泵電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及高壓生成器領(lǐng)域，尤其涉及比集成電路電源電壓更高的電 壓的片上生成。
背景技術(shù)：
集成電路有時利用片上電路來生成比其電源電位更高的電位。某些情況下，對電 容器進行并聯(lián)充電，之后將他們串聯(lián)以提供更高的電位。在其他情況下，可通過例如時鐘信 號來提升電容器或節(jié)點上的電位。美國專利3，975，671公開了集成電路的一早期示例，該集成電路依靠外部電容 器來為手表中的液晶顯示屏提供三倍的電壓。美國專利5，422，586公開了另一示例，其 中將兩相和四相時鐘信號用于具有低閾值電壓的特定η型器件。美國專利6，496，055、 6，686，793以及7，342，438公開了利用特定η溝道器件的現(xiàn)有技術(shù)的其他示例。電荷泵電路的設(shè)計目標之一為減少電路所需的襯底區(qū)域。這對于電路在閃存內(nèi)提 供更高的編程和擦除電位的情形而言尤為重要，因為所節(jié)省的襯底區(qū)域允許制造其他存儲 單元。另一目標為增大電荷泵電路的效率，當集成電路由電池供電時，這當然會變得更加重 要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種電荷泵電路的級，該級包括第一節(jié)點和第二節(jié)點，用于存儲電荷；切換器件，用于交替地在第一電荷節(jié)點和第二電荷節(jié)點中的一者放電的同時，對 所述第一電荷節(jié)點和所述第二電荷節(jié)點中的另一者進行充電；以及升壓電路，用于交替地提升所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點中正在放電的一者上的 電位。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了 一種電荷泵電路，該電荷泵電路包括第一級和第 二級，每一級包括本發(fā)明所述的級，以及其中，所述第二級的第一節(jié)點被耦合，以接收來自所述第一級的第一節(jié)點的電荷， 并且其中在所述第二級的第一節(jié)點被充電的同時，來自所述第一級的第一節(jié)點的電荷被釋 放。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種電荷泵電路的級，該級包括第一輸入器件和第二輸入器件，用于分別耦合至第一電路支路和第二電路支路；第一輸出器件和第二輸出器件，用于分別耦合至所述第一電路支路和所述第二電 路支路的輸出端，且用于存儲電荷的第一節(jié)點設(shè)置于所述第一輸入器件和所述第一輸出器 件之間，以及用于存儲電荷的第二節(jié)點設(shè)置于所述第二輸入器件和所述第二輸出器件之 間；以及時鐘電路，用于在第一時間周期期間，在關(guān)閉所述第二輸入器件和所述第一輸出
4器件時，導通所述第一輸入器件和所述第二輸出器件，并且之后，在第二時間周期期間，在 關(guān)閉所述第一輸入器件和所述第二輸出器件時，導通所述第二輸入器件和所述第一輸出器 件，所述時鐘電路在所述第二時間周期期間提升所述第一節(jié)點上的電位，并在所述第一時 間周期期間提升所述第二節(jié)點上的電位。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種操作具有多個級的電荷泵電路的方法，該方 法包括在第一時間周期期間，從第一電位對所述級中的第η級中的第一節(jié)點進行充電； 以及在所述第一時間周期期間，從第二電位對所述第η級中的第二節(jié)點進行放電。


圖IA是示出了圖3的電路針對時鐘信號的一個狀態(tài)的操作的簡化電路圖；圖IB是示出了圖3的電路在時鐘信號另一狀態(tài)期間的操作的簡化電路圖；圖2是示出了電荷泵電路的實施方式的框圖以及該電荷泵電路的操作中所使用 的時鐘信號；圖3是圖2的電荷泵電路的一級的示意圖；圖4是襯底的截面正視圖，該圖示出了圖3的電路中所使用的η溝道器件；圖5是襯底的截面正視圖，該圖示出了圖3的電路中所使用的η阱以及在該η阱 內(nèi)所形成的多個P溝道器件。
具體實施例方式描述了一種電荷泵電路及其操作方法。在一個實施方式中，描述了一種用于提供 正電位的三阱三溝道流水線式電荷泵電路。在以下描述中，公開了多個特定細節(jié)(例如，特 定的導電類型)，以提供對本發(fā)明的透徹理解。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很顯然的是，本發(fā)明 的實施方式可在沒有這些特定細節(jié)的情況下實施。在其他情況下，并未公開諸如制造細節(jié) 這樣的細節(jié)，以免不必要地模糊本發(fā)明。暫先參考圖2，所示電荷泵的實施方式包括四級，很顯然，級的確切數(shù)量并非是決 定性的。第1級接收電位Vcc，將該電位提升，并提供輸入至第2級。每一級都將其輸入電 位提升，第4級提供輸出(Vout)。這些級接收如圖2所示的互補時鐘信號，具體為時鐘1及 其互補的時鐘2。在一個實施方式中，這些時鐘信號具有300MHz的頻率。這兩個時鐘信號 逐級地(stage-to-stage)耦合至每一級，然而，時鐘信號的連接也可以是顛倒的，這將在 以下進行討論。所述時鐘信號通過圖2的第1級中所示的電容器而被施加至所述級，以提 供該級內(nèi)節(jié)點的自舉(boot strapping)。
參考圖3，第1級包括第一支路以及第二支路，該第一支路包括η溝道器件10、節(jié) 點13以及ρ溝道器件12，該第二支路包括η溝道器件20、節(jié)點23以及ρ溝道器件22。節(jié) 點13和23交替充放電，因此在下述內(nèi)容中有時被稱為電荷節(jié)點。所述η溝道器件10和20 為輸入器件，因為它們分別控制電荷輸入至節(jié)點13和23。所述ρ溝道器件12和22被稱之 為輸出器件，因為它們分別控制節(jié)點13和23的放電，從而允許電荷流至輸出線18和28并 進入下一級，或者允許電荷流至最后一級中的公共線上。
可以看出，P溝道晶體管14和24交替導通以提升輸出器件12和22的阱的電位， 從而在這些輸出器件將來自其各自節(jié)點的電荷轉(zhuǎn)移至輸出線時減小閾值電壓降。器件10和12的柵極相耦合，以通過電容器31接收時鐘2信號。類似地，器件20 和22的柵極相耦合，以通過電容器30接收時鐘1信號。節(jié)點13耦合至電容器30，從而接 收時鐘1 ；同樣地，節(jié)點23耦合至電容器31，從而接收時鐘2。所述時鐘1信號還耦合至晶 體管24的柵極，同樣地，時鐘2信號耦合至晶體管14的柵極。除了時鐘連接之外，其他級具有與第1級所示電路相同的電路。在偶數(shù)級(圖2 中的第2級和第4級)中，時鐘1信號和時鐘2信號互換。從而，時鐘1信號耦合至第一支 路中的輸入和輸出器件的柵極以及第二支路中的電荷節(jié)點，而時鐘2信號耦合至第二支路 中的輸入和輸出器件的柵極以及第一支路中的電荷節(jié)點。一個級的輸出器件(例如，器件 12和22)耦合至下一級的輸入器件。從而，線18連接至下一級的第一支路中的η溝道器 件。類似的，線28耦合至下一級的第二支路中的輸入器件。第一級中的輸入器件均接收電 位Vcc。如圖2的第4級的輸出端所示，最后一級的輸出線可耦合在一起，以提供最終的輸 出電位。應(yīng)該指出的是，將級間的時鐘信號顛倒連接與使所有級保持相同的時鐘信號連接 但將級間的支路連接顛倒的功效相同。例如，第1級的第一支路的輸出端之后可連接至第2 級的第二支路的輸入端，而第1級的第二支路的輸出端可連接至第2級的第一支路的輸入 端。這僅僅是如何對連續(xù)級中的支路進行編號的問題。在一個實施方式中，圖3的時鐘電路35為普通環(huán)形振蕩器電路，該環(huán)形振蕩器電 路包括用于對每一級的時鐘信號進行驅(qū)動的驅(qū)動器。還可使用其他公知的時鐘電路。從圖2 中可以看出，時鐘信號是互補的，也就是說，一時鐘信號與另一時鐘信號相比偏移了 180°。 時鐘信號之間不存在死區(qū)時間。在一個實施方式中，所有的電荷泵電路級與時鐘電路均被制造在同一襯底(相同 的集成電路)上，以作為閃存的一部分。電荷泵輸出端處的電位被用于對閃存中的單元進 行擦除和編程。參見圖1A，將圖3電路中的輸入器件和輸出器件替換為開關(guān)。所述輸入器件和輸 出器件用作通路門(passgate)，因此可被表示為圖3中的開關(guān)。在時鐘1信號為高且時鐘 2信號為低的第一周期期間，η溝道器件10斷開或不導通，且ρ溝道器件12閉合或?qū)ā?相反，器件20導通或閉合，且器件22斷開或不導通。假設(shè)節(jié)點13和23被充電至Vcc (對 于電荷泵電路的第一級而言)，在此第一時間周期期間，時鐘1信號可在節(jié)點13對下一級的 對應(yīng)節(jié)點進行放電時拉高節(jié)點13。如同圖IA的器件10那樣，下一級中的輸入器件將在該 第一時間周期期間導通，因為其柵極連接至時鐘1信號，而非時鐘2。放電節(jié)點13所提供的輸出電位高于Vcc，因為因正時鐘信號而導致通過電容器30 出現(xiàn)了自舉。同時，在其中制造器件12的阱的電位也被提高了，從而允許電荷在器件12兩 端壓降相對較小的情況下從節(jié)點13轉(zhuǎn)移出去。從圖3可看出，ρ溝道器件14導通，將其與 器件12所共享的阱耦合至該級的輸出電位。與此同時，由于器件20閉合，所以節(jié)點23由 時鐘2信號通過電容器31而被拉低，因此節(jié)點23充電。注意，由于器件22斷開，所以電荷 保留在節(jié)點23上。當時鐘1信號為低且時鐘2信號為高時，如圖IB所示，輸出器件22閉合，器件20斷開。時鐘2信號將節(jié)點23拉高，且該節(jié)點向下一級的第二節(jié)點放電。由于圖3中的器件 24導通，所以在其中形成器件22的阱的電位被提升至輸出電位。與此同時，節(jié)點13被時鐘 1信號拉低，對節(jié)點13充電。如圖IA和IB所示，第一級在輸入器件處接收Vcc，而隨后的級接收來自前一級 (被示為第n-1級)的電荷。如前所述，最后一級的輸出端通常連接至公共線，以提供更高 的輸出電位?，F(xiàn)參考圖4，在一個實施方式中，每一 η溝道器件(每一輸入器件)均被制造在形 成于P型襯底中的深η阱40中。ρ阱41形成于深η阱40內(nèi)。兩個η溝道場效應(yīng)器件形成 于P阱41內(nèi)，它們共享公共源區(qū)50。一個器件包括η型區(qū)47和50，這兩個區(qū)在其間限定 了一溝道區(qū)。柵極51與該溝道區(qū)相互絕緣，且設(shè)置在該溝道區(qū)之上。類似的，第二 η溝道 器件包括η型區(qū)48和50，且其間限定一溝道區(qū)。柵極52與該溝道區(qū)相互絕緣，且設(shè)置在該 溝道區(qū)之上。柵極51和52相互連接，且由其中一個時鐘信號驅(qū)動。所述源區(qū)50由另一時 鐘信號驅(qū)動，并耦合至(線55)輸出ρ型器件。如圖4所示，襯底接地，且深η阱40(通過 區(qū)45)和ρ阱41 (通過區(qū)42和43)耦合至漏區(qū)47和48。這些漏區(qū)連接至(如圖所示，通 過線42)第一級的Vcc或另一級(在此被示為第n-1級)的輸出端。存在寄生雙極器件以及相關(guān)的寄生電阻，它們形成于圖4的η型器件內(nèi)，并被示為 Q0、Q1、Q2以及Q3。橫向器件QO由漏極48、p阱以及源極50構(gòu)成；類似的，橫向器件Ql由 漏極47、ρ阱41以及區(qū)50構(gòu)成。器件Q2由深η阱(器件40的集電極)、ρ阱41以及區(qū) 50(器件Q2的發(fā)射極)構(gòu)成。還存在器件Q3，該ρηρ型器件由阱40和41以及襯底構(gòu)成。 Q3是常關(guān)的。寄生器件Q0、Q1和Q2有助于電荷節(jié)點的充電。這些寄生器件在漏區(qū)比源極50高 出0. 6V(發(fā)生于節(jié)點充電時)時導通。參考圖5，在一個實施方式中，每一級的四個ρ溝道器件被制造在單個η阱60中。 圖5示出了圖3中的四個ρ溝道器件，具體為一支路的器件12和14以及另一支路的器件 22和24位于阱60內(nèi)。晶體管12和22的漏極分別耦合至輸出線18和28。類似地，器件 12和14的源極耦合至第一支路中的電荷節(jié)點，晶體管22和24的源極耦合至第二支路中的 充電節(jié)點。雖然針對器件12和14以及器件22和24示出了獨立的源極，但他們也可共享 公共源區(qū)。阱60不斷地被切換至正被放電的節(jié)點，以對η阱60的電位進行提升。該提升確 保了兩個輸出P型器件中正導通的P型器件的源極端具有與阱60相同的電位，從而大幅減 小與輸出器件相關(guān)的任何閾值壓降。相比于現(xiàn)有技術(shù)的三溝道柵極增強型電荷泵電路，具有三阱、三溝道流水線結(jié)構(gòu) 的上述電荷泵電路提供了高電源和高效率。將三阱η型器件與ρ型器件一起使用可將內(nèi)部 應(yīng)力電壓減小至低于Vcc，且避免了使用具有低gm的高壓器件作為通路門。注意，通過采用 流水線結(jié)構(gòu)，電荷節(jié)點可在沒有死區(qū)時間的情況下被不斷地充放電。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一在 于節(jié)省了晶片尺寸以及減小了功耗。因此，描述了一種利用三阱、三溝道流水線結(jié)構(gòu)的改良電荷泵電路。
權(quán)利要求
一種電荷泵電路的級，該級包括第一節(jié)點和第二節(jié)點，用于存儲電荷；切換器件，用于交替地在第一電荷節(jié)點和第二電荷節(jié)點中的一者放電的同時，對所述第一電荷節(jié)點和所述第二電荷節(jié)點中的另一者進行充電；以及升壓電路，用于交替地提升所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點中正在放電的一者上的電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級，其中，所述升壓電路包括第一電容器和第二電容器，所述 第一電容器和所述第二電容器分別耦合至所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點，所述電容器接收 互補的時鐘信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級，其中，所述升壓電路拉低正被充電的節(jié)點的電位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的級，其中，所述升壓電路包括時鐘電路，該時鐘電路提供所述 互補的時鐘信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級，其中，針對所述節(jié)點中每一節(jié)點的切換器件包括η溝道器 件和P溝道器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的級，其中，針對所述節(jié)點中每一節(jié)點的η溝道器件的柵極和ρ 溝道器件的柵極通過電容器耦合至時鐘信號。
7.一種電荷泵電路，該電荷泵電路包括第一級和第二級，每一級包括權(quán)利要求1所述 的級，以及其中，所述第二級的第一節(jié)點被耦合，以接收來自所述第一級的第一節(jié)點的電荷，并且 其中在所述第二級的第一節(jié)點被充電的同時，來自所述第一級的第一節(jié)點的電荷被釋放。
8.一種電荷泵電路的級，該級包括第一輸入器件和第二輸入器件，用于分別耦合至第一電路支路和第二電路支路；第一輸出器件和第二輸出器件，用于分別耦合至所述第一電路支路和所述第二電路支 路的輸出端，且用于存儲電荷的第一節(jié)點設(shè)置于所述第一輸入器件和所述第一輸出器件之 間，以及用于存儲電荷的第二節(jié)點設(shè)置于所述第二輸入器件和所述第二輸出器件之間；以 及時鐘電路，用于在第一時間周期期間，在關(guān)閉所述第二輸入器件和所述第一輸出器件 時，導通所述第一輸入器件和所述第二輸出器件，并且之后，在第二時間周期期間，在關(guān)閉 所述第一輸入器件和所述第二輸出器件時，導通所述第二輸入器件和所述第一輸出器件， 所述時鐘電路在所述第二時間周期期間提升所述第一節(jié)點上的電位，并在所述第一時間周 期期間提升所述第二節(jié)點上的電位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的級，其中，所述第一輸入器件和所述第二輸入器件為第一導 電類型，且所述第一輸出器件和所述第二輸出器件為第二導電類型。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的級，其中，所述第一輸入器件和所述第二輸入器件為η溝道 器件，且所述第一輸出器件和所述第二輸出器件為P溝道器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的級，其中，所述ρ溝道器件與其他兩個ρ溝道器件一起位于 公共η阱內(nèi)，所述其他兩個P溝道器件交替地將所述η阱耦合至所述第一節(jié)點和所述第二 節(jié)點。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的級，其中(a)每一η溝道器件形成于設(shè)置在η阱內(nèi)的ρ阱內(nèi)，且包括公共源區(qū)以及位于該源區(qū)相對側(cè)上的一對漏區(qū)，該公共源區(qū)和一對漏區(qū)限定了 一對溝道區(qū)，(b) 一對柵極設(shè)置于所述溝道區(qū)之上，所述柵極通過電容器耦合至所述時鐘電 路，(c)所述源區(qū)耦合至所述節(jié)點中的一者，以及(d)所述漏區(qū)、所述η阱以及所述ρ阱耦 合至所述輸入器件中的一者。
13.一種操作具有多個級的電荷泵電路的方法，該方法包括在第一時間周期期間，從第一電位對所述級中的第η級中的第一節(jié)點進行充電；以及在所述第一時間周期期間，從第二電位對所述第η級中的第二節(jié)點進行放電。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，該方法包括在所述第二節(jié)點被放電時，將所述第二 節(jié)點上的電位提升至所述第二電位。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，該方法包括在所述第一時間周期之后的第二時間周期期間，從更高的所述第二電位對所述第η級 中的第一節(jié)點進行放電；以及在所述第二時間周期期間，從所述第一電位對所述第η級中的第二節(jié)點進行充電。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，該方法包括在所述第一節(jié)點被放電時，將所述第一 節(jié)點上的電位提升至所述第二電位。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，該方法包括在所述第一時間周期期間，當?shù)讦羌壷械牡诙?jié)點放電時，利用第η級中第二節(jié)點的放 電來對第η+1級中的第二節(jié)點進行充電；以及在所述第二時間周期期間，當?shù)讦羌壷械牡谝还?jié)點放電時，利用第η級中第一節(jié)點的放 電來對第η+1級中的第一節(jié)點進行充電。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，該方法包括在所述第一時間周期期間，在第η級中的第一節(jié)點充電時，對第η+1級中的第一節(jié)點進 行放電；以及在所述第二時間周期期間，當?shù)讦羌壷械牡诙?jié)點被放電時，利用第η級中第二節(jié)點的 放電來對第η+1級中的第二節(jié)點進行充電。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，該方法包括在所述第一時間周期期間，在第η級中的第一節(jié)點充電時，對第η+2級中的第一節(jié)點進 行充電；以及在所述第二時間周期期間，在第η級中的第二節(jié)點放電時，對第η+2級中的第二節(jié)點進 行放電。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，在所述第一時間周期期間，將所述第二節(jié)點耦合至 包括用于該第二節(jié)點的輸出器件的阱。
全文摘要
描述了一種電荷泵電路及其操作方法。每一級中的切換器件交替地對第一節(jié)點和第二節(jié)點中的一者進行充電，同時對第一節(jié)點和第二節(jié)點中的另一者進行放電。升壓電路對第一節(jié)點和第二節(jié)點中正在放電的一者上的電位進行提升。第n級中的第一節(jié)點向第n+1級中的第一節(jié)點放電。在一個實施方式中，描述了一種三阱、三溝道流水線式電荷泵。
文檔編號H02M3/07GK101882870SQ20101016572
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者李波 申請人:李波