EPROM - EPROM

EPROM (rzadko EROM ) lub kasowalne programowalna pamięć tylko do odczytu , to typ programowalna pamięć tylko do odczytu (PROM) chipa , który zachowuje swoje dane, gdy jego zasilanie jest wyłączone. Pamięć komputera, która może odzyskać zapisane dane po wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania, nazywana jest nieulotną . Jest to tablica tranzystorów z pływającą bramką, indywidualnie zaprogramowanych przez urządzenie elektroniczne, które dostarcza wyższe napięcia niż te zwykle używane w obwodach cyfrowych. Po zaprogramowaniu pamięć EPROM można wymazać, wystawiając ją na działanie silnego źródła światła ultrafioletowego (takiego jak lampa rtęciowa ). EPROM są łatwo rozpoznawalne dzięki przezroczystemu okienku ze stopionego kwarcu (lub w nowszych modelach z żywicy) na górze opakowania, przez które widoczny jest chip krzemowy i które umożliwia wystawienie na działanie światła ultrafioletowego podczas wymazywania.

Operacja

EPROM Intel 1702A, jeden z najwcześniejszych typów EPROM (1971), 256 na 8 bitów. Małe okienko kwarcowe przepuszcza światło UV w celu wymazania.

Rozwój komórki pamięci EPROM rozpoczęto od zbadania wadliwych układów scalonych, w których przerwano połączenia bramkowe tranzystorów. Zmagazynowany ładunek na tych izolowanych bramkach zmienia ich napięcie progowe .

Po wynalezieniu tranzystora polowego MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik) przez Mohameda Atallę i Dawona Kahnga w Bell Labs , zaprezentowanego w 1960 roku, Frank Wanlass badał struktury MOSFET na początku lat sześćdziesiątych. W 1963 r. zauważył przemieszczanie się ładunku przez tlenek na bramkę . Chociaż nie kontynuował tego, pomysł ten stał się później podstawą technologii EPROM.

W 1967 r. Dawon Kahng i Simon Min Sze z Bell Labs zaproponowali, że pływająca bramka tranzystora MOSFET może być wykorzystana w komórce reprogramowalnego ROM (pamięć tylko do odczytu). Opierając się na tej koncepcji, Dov Frohman z Intela wynalazł EPROM w 1971 roku i otrzymał patent US 3 660 819 w 1972 roku. Frohman zaprojektował Intel 1702, 2048-bitowy EPROM, który został ogłoszony przez firmę Intel w 1971 roku.

Każda lokalizacja pamięci EPROM składa się z jednego tranzystora polowego . Każdy tranzystor polowy składa się z kanału w półprzewodnikowym korpusie urządzenia. Styki źródła i drenu są wykonane do regionów na końcu kanału. Na kanale narasta izolacyjna warstwa tlenku, następnie osadzana jest przewodząca (krzemowa lub aluminiowa) elektroda bramkowa, a kolejna gruba warstwa tlenku jest osadzana na elektrodzie bramkowej. Zmiennym bramy elektroda ma połączenia z innymi częściami układu scalonego jest całkowicie izolowany przez otaczające warstwy tlenku. Osadzana jest elektroda bramki kontrolnej i pokrywa ją dalszy tlenek.

Aby pobrać dane z EPROM, adres reprezentowany przez wartości na pinach adresowych EPROM jest dekodowany i używany do łączenia jednego słowa (zwykle 8-bitowego bajtu) pamięci do wzmacniaczy bufora wyjściowego. Każdy bit słowa ma wartość 1 lub 0, w zależności od tego, czy tranzystor pamięciowy jest włączony lub wyłączony, przewodzący czy nieprzewodzący.

Przekrój tranzystora z pływającą bramką

Stan przełączania tranzystora polowego jest kontrolowany przez napięcie na bramce sterującej tranzystora. Obecność napięcia na tej bramce tworzy w tranzystorze kanał przewodzący, włączając go. W efekcie zmagazynowany ładunek na bramce pływającej umożliwia zaprogramowanie napięcia progowego tranzystora.

Przechowywanie danych w pamięci wymaga wybrania danego adresu i podania wyższego napięcia na tranzystory. Powoduje to wyładowanie lawinowe elektronów, które mają wystarczającą energię, aby przejść przez izolującą warstwę tlenku i zgromadzić się na elektrodzie bramki. Po usunięciu wysokiego napięcia elektrony zostają uwięzione na elektrodzie. Ze względu na wysoką wartość izolacji tlenku krzemu otaczającego bramkę, zmagazynowany ładunek nie może łatwo wyciekać, a dane mogą być przechowywane przez dziesięciolecia.

Proces programowania nie jest elektrycznie odwracalny. Aby usunąć dane przechowywane w tablicy tranzystorów, na matrycę kieruje się światło ultrafioletowe . Fotony światła UV powodują jonizację tlenku krzemu, co umożliwia rozproszenie ładunku zmagazynowanego w pływającej bramce. Ponieważ cała macierz pamięci jest odsłonięta, cała pamięć jest wymazana w tym samym czasie. W przypadku lamp UV o dogodnych rozmiarach proces trwa kilka minut; światło słoneczne wymazałoby chip w ciągu tygodni, a wewnętrzne oświetlenie fluorescencyjne przez kilka lat. Ogólnie rzecz biorąc, pamięci EPROM muszą zostać usunięte z urządzeń, które mają zostać skasowane, ponieważ zwykle nie jest praktyczne wbudowanie lampy UV do kasowania części w obwodzie. Elektrycznie kasowalna programowalna pamięć tylko do odczytu (EEPROM) została opracowana w celu zapewnienia funkcji elektrycznego kasowania i obecnie w większości wyparła części usuwane w ultrafiolecie.

Detale

Atmel AT27C010 - EPROM OTP

Ponieważ okno kwarcowe jest drogie w produkcji, wprowadzono układy OTP (jednorazowo programowalne); tutaj matryca jest zamontowana w nieprzezroczystym opakowaniu, więc nie można jej wymazać po zaprogramowaniu – eliminuje to również potrzebę testowania funkcji kasowania, co dodatkowo obniża koszty. Produkowane są wersje OTP zarówno EPROM, jak i mikrokontrolerów opartych na EPROM. Jednak OTP EPROM (niezależnie od tego, czy jest to oddzielny, czy część większego układu) jest coraz częściej zastępowany przez EEPROM dla małych rozmiarów, gdzie koszt ogniwa nie jest zbyt ważny, i flashowanie dla większych rozmiarów.

Zaprogramowana pamięć EPROM przechowuje dane przez co najmniej dziesięć do dwudziestu lat, przy czym wiele z nich nadal zachowuje dane po 35 lub więcej latach i może być odczytywana nieograniczoną liczbę razy bez wpływu na żywotność. Okienko kasowania musi być przykryte nieprzezroczystą etykietą, aby zapobiec przypadkowemu skasowaniu przez promieniowanie UV znajdujące się w świetle słonecznym lub lampach błyskowych aparatu. Stare układy BIOS PC były często EPROM-ami, a okienko wymazywania było często pokryte naklejką zawierającą nazwę wydawcy BIOS- u, wersję BIOS - u i informację o prawach autorskich. Często etykieta ta była podklejana folią, aby zapewnić jej nieprzezroczystość dla UV.

Wymazywanie EPROM zaczyna zachodzić przy długościach fal krótszych niż 400 nm . Czas ekspozycji na światło słoneczne wynoszący jeden tydzień lub trzy lata w przypadku oświetlenia fluorescencyjnego w pomieszczeniu może spowodować wymazanie. Zalecaną procedurą wymazywania jest wystawienie na działanie światła UV o długości fali 253,7 nm o mocy co najmniej 15 Ws/cm 2 , osiąganej zwykle w ciągu 20 do 30 minut przy lampie w odległości około 2,5 cm.

Wymazywanie można również wykonać za pomocą promieni rentgenowskich :

Wymazanie jednak musi być wykonane metodami nieelektrycznymi, ponieważ elektroda bramki nie jest dostępna elektrycznie. Oświetlanie światłem ultrafioletowym dowolnej części nieopakowanego urządzenia powoduje przepływ fotoprądu z pływającej bramki z powrotem do podłoża krzemowego, rozładowując w ten sposób bramkę do początkowego, nienaładowanego stanu ( efekt fotoelektryczny ). Ta metoda wymazywania umożliwia pełne testowanie i korygowanie złożonej macierzy pamięci przed ostatecznym zapieczętowaniem pakietu. Gdy opakowanie jest szczelnie zamknięte, informacja może wciąż być usuwane przez wystawienie na promieniowanie X w nadmiarze od 5 * 10 4 radów , w dawce, która jest łatwo osiągane przy pomocy generatorów rentgenowskich handlowych.

Innymi słowy, aby skasować EPROM, musiałbyś go najpierw prześwietlić, a następnie włożyć do piekarnika w temperaturze około 600 stopni Celsjusza (aby wypalić zmiany w półprzewodnikach spowodowane promieniowaniem rentgenowskim). Wpływ tego procesu na niezawodność części wymagałby obszernych testów, więc zamiast tego zdecydowali się na okno.

EPROM mają ograniczoną, ale dużą liczbę cykli kasowania; Dwutlenek krzemu wokół bramek akumuluje uszkodzenia z każdego cyklu, czyniąc chip zawodnym po kilku tysiącach cykli. Programowanie EPROM jest wolne w porównaniu z innymi formami pamięci. Ponieważ części o większej gęstości mają mało odsłoniętego tlenku między warstwami interkonektów i bramki, wymazywanie promieniowania ultrafioletowego staje się mniej praktyczne w przypadku bardzo dużych pamięci. Nawet kurz wewnątrz opakowania może zapobiec wymazaniu niektórych komórek.

Podanie

W przypadku dużych ilości części (tysiące lub więcej sztuk) pamięci ROM zaprogramowane w masce są najtańszymi urządzeniami do produkcji. Jednak ich wykonanie wymaga wielu tygodni, ponieważ grafika warstwy maski IC musi zostać zmieniona, aby przechowywać dane na ROM-ach. Początkowo sądzono, że EPROM będzie zbyt drogi do masowej produkcji i będzie ograniczał się tylko do rozwoju. Wkrótce okazało się, że produkcja małoseryjna z częściami EPROM jest opłacalna, zwłaszcza gdy rozważono korzyści płynące z szybkich aktualizacji oprogramowania układowego.

Niektóre mikrokontrolery , sprzed ery EEPROM-ów i pamięci flash , używają wbudowanego EPROM-u do przechowywania swojego programu. Takie mikrokontrolery obejmują niektóre wersje procesora Intel 8048 , Freescale 68HC11 oraz wersje "C" mikrokontrolera PIC . Podobnie jak chipy EPROM, takie mikrokontrolery były dostępne w wersjach okienkowych (drogich), które były używane do debugowania i opracowywania programów. Ten sam układ pojawił się w (nieco tańszych) nieprzezroczystych opakowaniach OTP do produkcji. Pozostawienie matrycy takiego chipa wystawionej na działanie światła może również zmienić zachowanie w nieoczekiwany sposób podczas przechodzenia z części z okienkiem używanej do projektowania do części bez okien do produkcji.

Generacje, rozmiary i typy EPROM

Pierwsze urządzenia 1702 generacji zostały wyprodukowane w technologii p-MOS . Były zasilane z V CC = V BB = +5 V i V DD = V GG = -9 V w trybie odczytu oraz z V DD = V GG = -47 V w trybie programowania.

Urządzenia drugiej generacji 2704/2708 przeszły na technologię n-MOS i na trójtorowe V CC = +5 V, V BB = -5 V, V DD = +12 V zasilanie z V PP = 12 V i +25 Impuls V w trybie programowania.

Ewolucja technologii n-MOS wprowadziła w trzeciej generacji jednoszynowe zasilanie V CC = +5 V i pojedyncze V PP = +25 V napięcie programowania bez impulsów. Niepotrzebne piny V BB i V DD zostały ponownie wykorzystane do dodatkowych bitów adresu, co pozwala na większe pojemności (2716/2732) w tym samym 24-stykowym pakiecie, a nawet większe pojemności z większymi pakietami. Później obniżony koszt technologii CMOS umożliwił wytwarzanie przy jej użyciu tych samych urządzeń, dodając literę „C” do numerów urządzeń (27xx(x) to n-MOS, a 27Cxx(x) to CMOS).

Podczas gdy części o tym samym rozmiarze od różnych producentów są kompatybilne w trybie odczytu, różni producenci dodawali różne, a czasem wiele trybów programowania, co prowadzi do subtelnych różnic w procesie programowania. Skłoniło to urządzenia o większej pojemności do wprowadzenia „trybu podpisu”, umożliwiającego identyfikację producenta i urządzenia przez programistę EPROM. Zrealizowano to poprzez wymuszenie +12 V na pinie A9 i odczytanie dwóch bajtów danych. Ponieważ jednak nie było to uniwersalne, oprogramowanie programatora pozwalało również na ręczne ustawienie producenta i typu urządzenia chipa, aby zapewnić prawidłowe programowanie.

Typ EPROM Rok Rozmiar — bity Rozmiar — bajty Długość ( szesnastkowy ) Ostatni adres ( szesnastkowy ) Technologia
1702, 1702A 1971 2 Kbit 256 100 FF PMO
2704 1975 4 Kbit 512 200 1FF NMOS
2708 1975 8 Kbit 1 KB 400 3FF NMOS
2716, 27C16, TMS2716, 2516 1977 16 Kbit 2 KB 800 7FF NMOS/CMOS
2732, 27C32, 2532 1979 32 Kbit 4 KB 1000 FFF NMOS/CMOS
2764, 27C64, 2564 64 Kbit 8 KB 2000 1FFF NMOS/CMOS
27128, 27C128 128 Kbit 16 KB 4000 3FFF NMOS/CMOS
27256, 27C256 256 Kbit 32 KB 8000 7FFF NMOS/CMOS
27512, 27C512 512 Kbit 64 KB dziesięć tysięcy FFFF NMOS/CMOS
27C010, 27C100 1 Mbit 128 KB 20000 1FFFF CMOS
27C020 2 Mbit 256 KB 40000 3FFFF CMOS
27C040, 27C400, 27C4001 4 Mbit 512 KB 80000 7FFFF CMOS
27C080 8 Mbit 1 MB 100000 FFFFF CMOS
27C160 16 Mbit 2 MB 200000 1FFFFFF CMOS
27C320, 27C322 32 Mbit 4 MB 400000 3FFFF CMOS

Galeria

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

  • Sah, Chih-Tang (1991), Podstawy elektroniki półprzewodnikowej , World Scientific, ISBN 981-02-0637-2

Zewnętrzne linki