嵌入式电可擦除可编程存储器（EEPROM）关键技术研究

摘要

集成电路技术自上世纪40年代以来发展迅速，极大地改善了人们的生活。摩尔定律指出，随着工艺水平的进步，单片集成电路上可以集成的晶体管数目大约每三年增加四倍。 存储器是集成电路的一个重要分支，是所有电子系统的核心单元。半导体存储器分为挥发性存储器和非挥发性存储器两类，两者的区别是去掉电源电压后挥发性存储器中数据丢失而非挥发性存储器中数据仍然能保持。非挥发性存储器有多种类型，如紫外线擦除可编程存储器、电可擦除可编程存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,EEPROM)以及闪存等。与其它类型非挥发性存储器相比，EEPROM有以下优点：很好的编程粒度，很小的功耗，允许大量单元同时擦写以减少测试时间，可擦写次数多等等。所以EEPROM更适合用在对非挥发性存储器容量要求小、要求电路功耗小且可擦写次数多的场合，比如蜂窝电话、汽车、计算机通讯产品和消费类电子产品等等。 通讯系统中信息的安全性一直是人们关注的重点。信息安全电路被用来为数据加密、解密。为提高抗攻击性能并降低成本，信息安全电路将所有模块集成在一个嵌入式片上系统中。由于信息安全芯片需要的非挥发性存储器容量不大，一般选用EEPROM以节省成本。很多信息安全芯片用于移动设备，故降低电路功耗就很重要，而低功耗正是EEPROM的又一个优点。成本和功耗是嵌入式EEPROM最重要的两个参数。 嵌入式EEPROM电路需要幅度比电源电压大很多的高电压来改变存储单元的状态，这种高电压一般由一种称为升压电荷泵的电路提供。片上实现的升压电荷泵大多基于Dickson结构，一般需要用高压工艺以确保器件可靠性。但是高压MOS管的寄生电容大，降低了电压增益。近年有文献报导了不用高压工艺实现的升压电荷泵。本文提出了两种不用高压管且器件可靠的升压电荷泵新结构。 Dickson升压电荷泵功耗效率比较低。由于现代工艺中片上电容的寄生电容不易做小，升压电荷泵消耗了EEPROM电路很大一部分能量。如何减小升压电荷泵的功耗一直是研究的重点。本文结合“绝热电路”的思想，提出一种功耗效率较高的新结构。 EEPROM电路的一个关键操作是读取存储器中数据，灵敏放大器电路用来读取数据。设计者常常要在灵敏放大器的面积、功耗以及读数据的速度之间折衷考虑。本文提出了一个面积和功耗都很小的新结构。 本文深入研究了升压电荷泵电路，改进了灵敏放大器，并利用本文提出的新电路设计了一个实用的EEPROM电路。本文主要工作如下： (1) 为避免使用高压MOS管并保证器件的可靠性，本文提出两种新的升压电荷泵结构。仿真结果表明新电路能正常工作，且任一MOS管四个端点两两之间电压差不大于电源电压，保证了电路的可靠性。 (2) 本文详细分析了升压电荷泵的功耗组成，结合“绝热电路”思想提出一种减小功耗的新结构。仿真结果表明升压电荷泵的功耗效率得到有效提高。 (3) 本文优化了一个低功耗灵敏放大器，减小了电路面积和功耗。仿真结果表明电路工作正常。 (4) 采用本文提出的升压电荷泵和灵敏放大器新结构，本文设计了一个用于信息安全专用芯片的嵌入式EEPROM电路，用从版图提取的参数进行仿真验证，仿真结果符合设计指标。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:英文缩写说明

声明

第一章 引言

第二章EEPROM概述

2.1 EEPROM存储单元

2.2 EEPROM电路结构

参考文献

第三章 升压电荷泵

3.1 Dickson电荷泵

3.1.1 电荷泵的稳定状态

3.1.2 电荷泵的升压过程

3.1.3 电荷泵稳压电路

3.1.4 电荷泵筘位电路

3.2 MOS管衬底效应

3.2.1 浮阱技术

3.2.2动态衬底技术

3.2.3衬源相连技术

3.2.4 电荷泵对工艺的要求

3.3电荷泵电路结构

3.3.1 对MOS管栅端电容充、放电改变栅端电压

3.3.2 借助辅助电容改变MOS管栅端电压

3.3.3双链路电荷泵

3.4 电荷泵中器件的可靠性

3.4.1 可靠电荷泵的结构

3.4.2 两种可靠电荷泵新结构及仿真验证

3.5电荷泵的功耗优化

3.5.1 减小功耗的几个办法

3.5.2 减小功耗的新办法及仿真验证

3.6本章小结

参考文献

第四章 灵敏放大器

4.1灵敏放大器常用结构

4.2一种低功耗灵敏放大器的改进

4.2.1 工作原理

4.2.2 CurrentBias电路

4.2.3 处理Sync信号的电路

4.2.4 电路的进一步简化

4.3本章小结

参考文献

第五章 一个嵌入式EEPROM的实现

5.1 电路概况

5.2电路实现

5.2.1存储矩阵

5.2.2 缓存单元

5.2.3 LevelShift模块

5.2.4 BlockSelect模块

5.2.5 HV_MUX模块

5.2.6 Timer模块

5.2.7 生成E10信号的电路

5.3电路版图

5.4电路仿真

5.4.1 “读”操作仿真

5.4.2 “擦”和“写”操作仿真

5.5本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2论文工作展望

硕士学习期间录用和发表的学术论文

致谢