相变存储器驱动电路及方法
【专利摘要】本发明涉及一种相变存储器驱动电路及方法。本发明的相变存储器驱动电路，包括：普通脉冲源、控制开关、选通器、相变电阻和皮秒脉冲发生器，所述普通脉冲源、控制开关相连、皮秒脉冲发生器、选通器和相变电阻依次相连，所述皮秒脉冲发生器将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位/复位电流脉冲。本发明实施例的相变存储器驱动电路及方法通过阶跃恢复二极管构成的皮秒脉冲发生器输出皮秒级的置位或复位电流脉冲，在不耗费芯片面积的前提下，大幅度提升相变存储器的相变速度，使相变速度达到皮秒量级，大幅降低整个器件的功耗。
【专利说明】相变存储器驱动电路及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子【技术领域】，尤其涉及一种相变存储器驱动电路及方法。
【背景技术】
[0002] 相变存储器作为一种非挥发性存储器，用于替代已经无法再继续集成的闪存。相 变存储器的每个存储单元一般包括存储器和驱动电路，通过驱动电路提供的电流脉冲，存 储器内的相变材料从结晶态变为非晶态，反之亦然。存储器内的相变材料可以包括锗、锑、 碲的合金。驱动电路通常由二级管或金属氧化物场效应(M0S)晶体管构成。存储器内的相 变材料从低阻态(结晶态）向高阻态(非晶态）转变时，需要大到足以融化相变材料的电流流 经电阻器，而此电流作用时间很短，相变材料在快速冷却的过程中，从熔化态变为非晶态， 使得电阻器呈现高阻态，这种状态转变称为"复位"（Reset)操作。为了使存储器从高阻态 转变为低阻态，需要一个较低的电流流经存储器内的相变材料，加热相变材料超过其相变 温度，相变材料逐渐结晶并呈现低阻态，这种状态转变称为"置位"（Set)操作。而为了读 取电阻器的阻值高低，需要施加一个比置位电流还要小得多的电流，通过测量电阻器的电 压值来确定阻值。因此，相变存储器主要是由电流通过相变材料产生的焦耳热来使材料发 生相变从而实现数据的存储。由此带来的问题就是在集成度逐渐提高的情况下，整个器件 的功耗也会较大，且会出现热串扰等不良现象，降低单个相变存储单元的功耗成了业界的 主要技术难题。2012年D. Loke等人发现了使相变材料皮秒相变的机制，相变存储器的相变 速度有望进入皮秒时代，但是现有的驱动电路的相变速度慢，无法有效产生皮秒级的电流 脉冲来实现相变材料的皮秒级相变。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种相变存储器驱动电路及方法，旨在解决现有的相变存储器驱动 电路的相变速度慢，无法有效产生皮秒级的电流脉冲来实现相变材料的皮秒级相变，导致 相变存储器的存储单元功耗大的技术问题。
[0004] 本发明提供的技术方案为：一种相变存储器驱动电路，包括：普通脉冲源、控制开 关、选通器、相变电阻和皮秒脉冲发生器，所述普通脉冲源、控制开关相连、皮秒脉冲发生 器、选通器和相变电阻依次相连，所述皮秒脉冲发生器将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮 秒级的置位/复位电流脉冲。
[0005] 本发明的技术方案还包括：所述皮秒脉冲发生器包括置位皮秒脉冲发生器和复位 皮秒脉冲发生器，所述置位皮秒脉冲发生器和复位皮秒脉冲发生器结构相同，置位皮秒脉 冲发生器和复位皮秒脉冲发生器的器件参数不同，分别用于产生皮秒级置位/复位脉冲。
[0006] 本发明的技术方案还包括：所述皮秒脉冲发生器包括耦合电路和阶跃恢复二极 管脉冲整形电路，所述耦合电路用于调节普通脉冲源和阶跃恢复二极管整形电路的阻抗匹 配，并且控制阶跃恢复二极管的中储存电荷的量，所述阶跃恢复二极管脉冲整形电路用于 将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位/复位电流脉冲。
[0007] 本发明的技术方案还包括：所述耦合电路包括第一电阻、第二电阻和电导，所述第 一电阻R1 -端接地，另一端与第二电阻相连，所述电导一端与阶跃恢复二极管脉冲整形电 路相连，另一端与第二电阻相连，所述阶跃恢复二极管脉冲整形电路包括第一阶跃恢复二 极管和第二阶跃恢复二极管，所述第一阶跃恢复二极管正向端接地，反向端与第二阶跃恢 复二极管的反向端相连，所述第二阶跃恢复二极管的正向端与选通器相连。
[0008] 本发明的技术方案还包括：所述皮秒脉冲发生器还包括串联阶跃恢复二极管再整 形电路，所述串联阶跃恢复二极管再整形电路对由阶跃恢复二极管脉冲整形电路得到的皮 秒脉冲进行再次整形。
[0009] 本发明的技术方案还包括：所述串联阶跃恢复二极管再整形电路包括第三电阻和 第三阶跃恢复二极管，所述第三电阻一端接地，另一端分别连接第二阶跃恢复二极管的正 向端、第三阶跃恢复二极管的正向端，所述第三阶跃恢复二极管的反向端与选通器相连。 [0010] 本发明的技术方案还包括：所述皮秒脉冲发生器产生的皮秒级置位/复位电流脉 冲幅值和持续时间由相变电阻决定，所述皮秒级置位/复位电流脉冲幅值为2-5V，所述皮 秒级置位/复位电流脉冲持续时间为200?1000pS。
[0011] 本发明的另一技术方案为：一种相变存储器驱动方法，包括：
[0012] 步骤a :通过控制开关选择置位操作或复位操作；
[0013] 步骤b :普通脉冲源产生微秒级的方波信号；
[0014] 步骤c :通过皮秒脉冲发生器将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位/复 位电流脉冲。
[0015] 本发明的技术方案还包括：所述步骤c包括：通过皮秒脉冲发生器的耦合电路使 普通脉冲源的输出阻抗与阶跃恢复二极管的输入阻抗相耦合；皮秒脉冲发生器的阶跃恢复 二极管脉冲整形电路将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位/复位电流脉冲。
[0016] 本发明的技术方案还包括：所述步骤c后还包括：通过皮秒脉冲发生器的串联阶 跃恢复二极管再整形电路对由阶跃恢复二极管脉冲整形电路得到的皮秒脉冲进行再次整 形。
[0017] 本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：本发明实施例的相变存储器驱动电 路及方法通过阶跃恢复二极管构成的皮秒脉冲发生器输出皮秒级的置位或复位电流脉冲， 在不耗费芯片面积的前提下，大幅度提升相变存储器的相变速度，使相变速度达到皮秒量 级，大幅降低整个器件的功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 附图1是本发明实施例的相变存储器驱动电路的结构示意图；
[0019] 附图2是本发明第一实施例的相变存储器驱动电路的皮秒脉冲发生器的电路原 理图；
[0020] 附图3是本发明第一实施例的相变存储器驱动电路皮秒脉冲发生器的仿真输出 波形图；
[0021] 附图4是本发明第二实施例的相变存储器驱动电路的皮秒脉冲发生器的电路原 理图；
[0022] 附图5是本发明第二实施例的相变存储器驱动电路皮秒脉冲发生器的仿真输出 波形图；
[0023] 附图6是本发明第一实施例的相变存储器驱动方法的流程图；
[0024] 附图7是本发明第二实施例的相变存储器驱动方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0026] 请参阅图1，为本发明实施例的相变存储器驱动电路的结构示意图。本发明实施 例的相变存储器驱动电路包括普通脉冲源、控制开关、皮秒脉冲发生器、选通器和相变电 阻。普通脉冲源、控制开关相连、皮秒脉冲发生器、选通器和相变电阻依次相连，普通脉冲源 和相变电阻一端分别接地。在本发明实施方式中，皮秒脉冲发生器包括置位皮秒脉冲发生 器和复位皮秒脉冲发生器，置位皮秒脉冲发生器和复位皮秒脉冲发生器结构相同，置位皮 秒脉冲发生器和复位皮秒脉冲发生器的器件参数不同，分别用于产生皮秒级置位/复位脉 冲。
[0027] 请一并参阅图2,为本发明第一实施例的相变存储器驱动电路的皮秒脉冲发生器 的电路原理图。皮秒脉冲发生器包括耦合电路和阶跃恢复二极管脉冲整形电路。耦合电路 用于调节普通脉冲源和阶跃恢复二极管整形电路的阻抗匹配问题，并且控制阶跃恢复二极 管的中储存电荷的量。阶跃恢复二极管脉冲整形电路用于将普通脉冲源产生的持续时间较 长(大于1ns)，幅值较大(大于5V)的脉冲整形成符合要求的皮秒级（200?1000pS)、幅值 较小（2-5V)的置位/复位电流脉冲。
[0028] 稱合电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和电导L1。第一电阻R1 -端接地，另一 端与第二电阻R2相连。电导L 一端与阶跃恢复二极管脉冲整形电路相连，另一端与第二电 阻R2相连。
[0029] 阶跃恢复二极管脉冲整形电路包括第一阶跃恢复二极管D1和第二阶跃恢复二极 管D2。第一阶跃恢复二极管D1正向端接地，反向端与第二阶跃恢复二极管D2的反向端相 连，第二阶跃恢复二极管D2的正向端与选通器相连。
[0030] 在本发明实施例的皮秒脉冲发生器的耦合电路中，第一电阻R1、第二电阻R2和电 导L1的参数由普通脉冲源和其后的阶跃恢复二极管决定，而阶跃恢复二极管脉冲整形电 路中第一阶跃恢复二极管D1和第二阶跃恢复二极管D2的参数由相变电阻的最小相变脉冲 的持续时间和幅值决定。
[0031] 本发明第一实施例的相变存储器驱动电路的工作原理为：当需要进行置位操作 时，控制开关播到置位端，普通脉冲源的微秒级的方波信号经过置位皮秒脉冲发生器转变 为皮秒级的置位电流脉冲，耦合电路使得普通脉冲源数千欧姆的输出阻抗与阶跃恢复二极 管十几欧姆的输入阻抗相耦合，实现功率的最大传输，而阶跃恢复二极管脉冲整形电路将 普通的方波信号整形成需要的皮秒脉冲信号。在本发明实施例中，普通脉冲源的方波信号 为12. 2Mhz，可以理解，普通脉冲源也可以选择其他频率的方波信号。 Tm If?
[0032] 阶跃恢复二极管脉冲整形电路中的阶跃恢复二极管参数由公式ts S γ确定， ts为二极管的阶越时间，τπι为少数载流子寿命，IF为二极管正向电流，IR为反向电流。 根据普通脉冲源及相变电阻的最小相变脉冲参数，这里阶跃恢复二极管的少数载流子寿命 τ m为15ns，阶越时间ts为50ps。
[0033] 请参阅图3,图3是本发明第一实施例的相变存储器驱动电路的皮秒脉冲发生器 的仿真输出波形图° 用 spice(Simulation program with integrated circuit emphasis, 电路级模拟程序）根据以上情况进行仿真，输出的皮秒置位脉冲幅值为2. 4V，持续时间为 500ps。
[0034] 而当要进行复位操作时，相应的复位脉冲也可以通过同样的方法产生，只是各个 电子元件的参数有所变化，普通脉冲源不变，其中阶跃恢复二极管的少数载流子寿命τ m 为10ns，阶越时间ts为70ps。
[0035] 用spice仿真后得出皮秒复位脉冲幅值为4. 2V，持续时间为335ps。
[0036] 请一并参阅图4,为本发明第二实施例的相变存储器驱动电路的皮秒脉冲发生器 的电路原理图。皮秒脉冲发生器包括耦合电路、阶跃恢复二极管脉冲整形电路和串联阶跃 恢复二极管再整形电路。耦合电路用于调节普通脉冲源和阶跃恢复二极管整形电路的阻抗 匹配问题，并且控制阶跃恢复二极管的中储存电荷的量。阶跃恢复二极管脉冲整形电路用 于将普通脉冲源产生的持续时间较长(大于1ns)，幅值较大(大于5V)的脉冲整形成符合要 求的皮秒级（200?1000pS)、幅值较小（2-5V)的置位/复位电流脉冲。串联阶跃恢复二极 管再整形电路对由阶跃恢复二极管脉冲整形电路得到的皮秒脉冲进行再次的整形，使得所 得的皮秒脉冲相较于第一实施例中的皮秒脉冲持续时间更短，相应的相变电阻所需要的最 小相变脉冲也比第一实施例中的持续时间短。
[0037] 稱合电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和电导L1。第一电阻R1 -端接地，另一 端与第二电阻R2相连。电导L 一端与阶跃恢复二极管脉冲整形电路相连，另一端与第二电 阻R2相连。
[0038] 阶跃恢复二极管脉冲整形电路包括第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管 D2。第一阶跃恢复二极管D1正向端接地，反向端与第二阶跃恢复二极管D2的反向端相连， 第二阶跃恢复二极管D2的正向端与串联阶跃恢复二极管再整形电路相连。
[0039] 串联阶跃恢复二极管再整形电路包括第三电阻R3和第三阶跃恢复二极管D3,第 三电阻R3-端接地，另一端分别连接第二阶跃恢复二极管D2的正向端、第三阶跃恢复二极 管D3的正向端，第三阶跃恢复二极管D3的反向端与选通器相连。
[0040] 在本发明实施例的皮秒脉冲发生器的耦合电路中，第一电阻R1、第二电阻R2和电 导L1的参数由普通脉冲源和其后的阶跃恢复二极管决定，而阶跃恢复二极管脉冲整形电 路中第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2、第三电阻R3和第三阶跃恢复二极管 D3的参数由相变电阻的最小相变脉冲的持续时间和幅值决定。
[0041] 本发明第二实施例的相变存储器驱动电路的工作原理为与第一实施例相同，在置 位皮秒脉冲发生器内，采用少数载流子寿命τ m为15ns，阶越时间ts为50ps的阶跃恢复二 极管。
[0042] 同样的，对于复位皮秒脉冲发生器，电路采用相同的结构，只是其阶跃恢复二极管 的参数变为：少数载流子寿命τ m为l〇ns，阶越时间ts为70ps。
[0043] 请一并参阅图5,图5是本发明第二实施例的相变存储器驱动电路皮秒脉冲发生 器的仿真输出波形图。用spice进行仿真，置位脉冲幅值为2. 4V，持续时间420ps ;复位脉 冲幅值4. 2V，持续时间250ps。
[0044] 请参阅图6,是本发明第一实施例的相变存储器驱动方法的流程图。本发明第一实 施例的相变存储器驱动方法包括：
[0045] 步骤100 :通过控制开关进行相应的操作；
[0046] 在步骤100中，通过控制开关进行相应的操作包括选择置位操作或复位操作。
[0047] 步骤110 :普通脉冲源产生微秒级的方波信号；
[0048] 在步骤110中，普通脉冲源的方波信号为12. 2Mhz，可以理解，普通脉冲源也可以 选择其他频率的方波信号。
[0049] 步骤120 :通过耦合电路使普通脉冲源的输出阻抗与阶跃恢复二极管的输入阻抗 相奉禹合；
[0050] 在步骤120中，普通脉冲源的输出阻抗为数千欧姆，阶跃恢复二极管的输入阻抗 为数十欧姆。耦合电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和电导L1。第一电阻R1-端接地， 另一端与第二电阻R2相连。电导L 一端与阶跃恢复二极管脉冲整形电路相连，另一端与第 二电阻R2相连。
[0051] 步骤130 :阶跃恢复二极管脉冲整形电路将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级 的置位/复位电流脉冲。
[0052] 在步骤130中，普通脉冲源产生的脉冲持续时间大于1ns，幅值大于5V，阶跃恢 复二极管脉冲整形电路整形后的置位/复位电流脉冲持续时间为200?1000pS，幅值为 2-5V。阶跃恢复二极管脉冲整形电路包括第一阶跃恢复二极管D1和第二阶跃恢复二极管 D2。第一阶跃恢复二极管D1正向端接地，反向端与第二阶跃恢复二极管D2的反向端相连， 第二阶跃恢复二极管D2的正向端与选通器相连。
[0053] 请参阅图7,是本发明第二实施例的相变存储器驱动方法的流程图。本发明第一实 施例的相变存储器驱动方法包括：
[0054] 步骤200 :通过控制开关进行相应的操作；
[0055] 在步骤200中，通过控制开关进行相应的操作包括选择置位操作或复位操作。
[0056] 步骤210 :普通脉冲源产生微秒级的方波信号；
[0057] 在步骤210中，普通脉冲源的方波信号为12. 2Mhz，可以理解，普通脉冲源也可以 选择其他频率的方波信号。
[0058] 步骤220 :通过耦合电路使普通脉冲源的输出阻抗与阶跃恢复二极管的输入阻抗 相奉禹合；
[0059] 在步骤220中，普通脉冲源的输出阻抗为数千欧姆，阶跃恢复二极管的输入阻抗 为数十欧姆。耦合电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和电导L1。第一电阻R1-端接地， 另一端与第二电阻R2相连。电导L 一端与阶跃恢复二极管脉冲整形电路相连，另一端与第 二电阻R2相连。
[0060] 步骤230 :阶跃恢复二极管脉冲整形电路将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级 的置位/复位电流脉冲；
[0061] 在步骤230中，普通脉冲源产生的脉冲持续时间大于1ns，幅值大于5V，阶跃恢 复二极管脉冲整形电路整形后的置位/复位电流脉冲持续时间为200?1000pS，幅值为 2-5V。阶跃恢复二极管脉冲整形电路包括第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管 D2。第一阶跃恢复二极管D1正向端接地，反向端与第二阶跃恢复二极管D2的反向端相连， 第二阶跃恢复二极管D2的正向端与串联阶跃恢复二极管再整形电路相连。
[0062] 步骤240 :串联阶跃恢复二极管再整形电路对由阶跃恢复二极管脉冲整形电路得 到的皮秒脉冲进行再次整形。
[0063] 在步骤240中，串联阶跃恢复二极管再整形电路包括第三电阻R3和第三阶跃恢复 二极管D3,第三电阻R3-端接地，另一端分别连接第二阶跃恢复二极管D2的正向端、第三 阶跃恢复二极管D3的正向端，第三阶跃恢复二极管D3的反向端与选通器相连。
[0064] 本发明实施例的相变存储器驱动电路及方法通过阶跃恢复二极管构成的皮秒脉 冲发生器输出皮秒级的置位或复位电流脉冲，在不耗费芯片面积的前提下，大幅度提升相 变存储器的相变速度，使相变速度达到皮秒量级，大幅降低整个器件的功耗。
[0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种相变存储器驱动电路，包括：普通脉冲源、控制开关、选通器和相变电阻，其特 征在于，还包括皮秒脉冲发生器，所述普通脉冲源、控制开关相连、皮秒脉冲发生器、选通器 和相变电阻依次相连，所述皮秒脉冲发生器将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位 /复位电流脉冲。
2. 根据权利要求1所述的相变存储器驱动电路，其特征在于，所述皮秒脉冲发生器包 括置位皮秒脉冲发生器和复位皮秒脉冲发生器，所述置位皮秒脉冲发生器和复位皮秒脉冲 发生器结构相同，置位皮秒脉冲发生器和复位皮秒脉冲发生器的器件参数不同，分别用于 产生皮秒级置位/复位脉冲。
3. 根据权利要求1或2所述的相变存储器驱动电路，其特征在于，所述皮秒脉冲发生器 包括耦合电路和阶跃恢复二极管脉冲整形电路，所述耦合电路用于调节普通脉冲源和阶跃 恢复二极管整形电路的阻抗匹配，并且控制阶跃恢复二极管的中储存电荷的量，所述阶跃 恢复二极管脉冲整形电路用于将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位/复位电流 脉冲。
4. 根据权利要求3所述的相变存储器驱动电路，其特征在于，所述耦合电路包括第一 电阻、第二电阻和电导，所述第一电阻R1 -端接地，另一端与第二电阻相连，所述电导一端 与阶跃恢复二极管脉冲整形电路相连，另一端与第二电阻相连，所述阶跃恢复二极管脉冲 整形电路包括第一阶跃恢复二极管和第二阶跃恢复二极管，所述第一阶跃恢复二极管正向 端接地，反向端与第二阶跃恢复二极管的反向端相连，所述第二阶跃恢复二极管的正向端 与选通器相连。
5. 根据权利要求4所述的相变存储器驱动电路，其特征在于，所述皮秒脉冲发生器还 包括串联阶跃恢复二极管再整形电路，所述串联阶跃恢复二极管再整形电路对由阶跃恢复 二极管脉冲整形电路得到的皮秒脉冲进行再次整形。
6. 根据权利要求5所述的相变存储器驱动电路，其特征在于，所述串联阶跃恢复二极 管再整形电路包括第三电阻和第三阶跃恢复二极管，所述第三电阻一端接地，另一端分别 连接第二阶跃恢复二极管的正向端、第三阶跃恢复二极管的正向端，所述第三阶跃恢复二 极管的反向端与选通器相连。
7. 根据权利要求3所述的相变存储器驱动电路，其特征在于，所述皮秒脉冲发生器产 生的皮秒级置位/复位电流脉冲幅值和持续时间由相变电阻决定，所述皮秒级置位/复位 电流脉冲幅值为2-5V，所述皮秒级置位/复位电流脉冲持续时间为200?lOOOpS。
8. -种相变存储器驱动方法，其特征在于，包括： 步骤a :通过控制开关选择置位操作或复位操作； 步骤b :普通脉冲源产生微秒级的方波信号； 步骤c :通过皮秒脉冲发生器将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级的置位/复位电 流脉冲。
9. 根据权利要求8所述的相变存储器驱动方法，其特征在于，所述步骤c包括：通过皮 秒脉冲发生器的耦合电路使普通脉冲源的输出阻抗与阶跃恢复二极管的输入阻抗相耦合； 皮秒脉冲发生器的阶跃恢复二极管脉冲整形电路将普通脉冲源产生的脉冲整形成皮秒级 的置位/复位电流脉冲。
10. 根据权利要求8或9所述的相变存储器驱动方法，其特征在于，所述步骤c后还包 括：通过皮秒脉冲发生器的串联阶跃恢复二极管再整形电路对由阶跃恢复二极管脉冲整形 电路得到的皮秒脉冲进行再次整形。
【文档编号】G11C13/00GK104157305SQ201310174829
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年5月13日 优先权日:2013年5月13日
【发明者】程国胜, 王龙, 孔涛, 卫芬芬, 黄荣, 张 杰 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所