一種相變存儲器的驅動電路設計

　　1.2.3　電流鏡

　　驅動電流的產生主要是根據電流鏡的映射實現的，基本原理如圖9所示。具體實施時，采用了兩級電流鏡結構，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。由基準電流源電路產生的基準電流，通過兩級映射后產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，最終產生用于Set、Reset和Read的大小不同的驅動電流，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SWITCH1、SWITCH2和SWITCH3,這些控制開關的打開與關閉由驅動控制電路部分發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，電能轉變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經快速冷卻，可以使多晶的長程有序遭到破壞，從而實現由多晶向非晶的轉化，低阻變為高阻。首先通過解碼電路輸出的高電平將選通管NT打開，隨后通過驅動控制電路將SWITCH1打開，而SWITCH2和SWITCH3此時則處于關閉狀態，這樣，由PMOS管P0和P1形成的電流鏡，產生一定大小的并且一定倍數于基準電流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化為多晶，高阻變為低阻。具體實施時，SWITCH1和SWITCH3關閉，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，使相變材料發生由非晶態到晶態的轉換，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，比較典型的數值一般大于100nm。

　　Read操作時，開關SWITCH4打開，傳輸門TG打開，電流鏡中SWITCH1、SWITCH2關閉，SWITCH3打開，通過PMOS管P0、P3和NMOS管N3、N6形成的兩級電流鏡產生讀電流I3’，施加到相變單元GST上，該讀電流是足夠小的，產生的熱能保證相變材料的溫度始終低于結晶溫度，材料不發生相變。讀出的實質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，與某一參考電壓經過靈敏放大器被比較放大讀出，晶態與非晶態時的讀出電壓是可以嚴格區分開的。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生器進行調節。

　　考慮如圖12所示的電流鏡，該結構采用共源共柵的改進結構，可得到更精確的驅動電流，并且將選通管源端接地（不同于圖10中的情況：選通管的襯偏效應限制了能流過相變單元的最大電流，故其尺寸需要設計的較大些），圖12中選通管的襯偏效應得以消除，可僅用較小的選通管尺寸得到相同的效果，這種結構將在1Mb容量的PC2RAM芯片中得以運用。

　　2　結論

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