EPROM

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
EPROM. Небольшое кварцевое окно позволяет стирать данные ультрафиолетовым облучением.
Типы компьютерной памяти
Энергозависимая
Энергонезависимая

EPROM (англ.  Erasable Programmable Read Only Memory) — класс полупроводниковых запоминающих устройств, постоянная память, для записи информации (программирования) в которую используется электронное устройство-программатор и которое допускает перезапись.

Представляет собой матрицу транзисторов с плавающим затвором индивидуально запрограммированных с помощью электронного устройства, которое подаёт более высокое напряжение, чем обычно используется в цифровых схемах. В отличие от PROM, после программирования данные на EPROM можно стереть (сильным ультрафиолетовым светом от ртутного источника света). EPROM легко узнаваем по прозрачному окну из кварцевого стекла в верхней части корпуса, через которое виден кремниевый чип и через которое производится облучение ультрафиолетовым светом во время стирания.

История[править | править вики-текст]

Разработка ячеек памяти EPROM началась с расследования дефектности интегральных схем, в которых затворы транзисторов оказались разрушенными. Хранимые заряды в этих изолированных затворах изменили их свойства. EPROM был изобретён Довом Фроманом (Dov Frohman-Bentchkowsky (англ.)русск.) из Intel в 1971 году, за что он получил в 1972 году патент США №3660819[1].

Принцип действия[править | править вики-текст]

Разрез транзистора с плавающим затвором.

Каждый бит памяти EPROM состоит из одного полевого транзистора. Каждый полевой транзистор состоит из канала в полупроводниковой подложке устройства. Контакты истока и стока подходят к зонам в конце канала. Изолирующий слой оксида выращивается поверх канала, затем наносится проводящий управляющий электрод (кремний или алюминий), и затем ещё толстый слой оксида осаждается на управляющем электроде. Плавающий затвор не имеет связи с другими частями интегральной схемы и полностью изолирован от окружающих слоёв оксида. На затвор наносится управляющий электрод, который затем покрывается оксидом.[2][3]

Для извлечения данных из EPROM адрес, представляющий значение нужного контакта EPROM, декодируется и используется для подключения одного слова памяти (как правило, 8-битного байта) к усилителю выходного буфера. Каждый бит этого слова имеет значение 1 или 0, в зависимости от того, был включён или выключен транзистор, был он в проводящем состоянии или непроводящем.

Переключение состояния полевого транзистора управляется напряжением на управляющем затворе транзистора. Наличие напряжения на этом затворе создаёт проводящий канал в транзисторе, переключая его в состояние «включено». По сути накопленный заряд на плавающем затворе позволяет пороговому напряжению транзистора программировать его состояние.

Для запоминания данных требуется выбрать нужный адрес и подать более высокое напряжение на транзисторы. Это создаёт лавинный разряд электронов, которые получают достаточно энергии, чтобы пройти через изолирующий слой окисла и аккумулироваться на управляющем электроде (см. туннельный эффект). Когда высокое напряжение снимается, электроны оказываются запертыми на электроде.[4] Из-за высокой изолирующей величины оксида кремния, окружающего затвор, накопленный заряд не может утечь, и данные в нём хранятся в течение десятилетий.

В отличие от памяти EEPROM, процесс программирования в EPROM не является электрически обратимым. Чтобы стереть данные, хранящиеся в матрице транзисторов, на неё направляется ультрафиолетовый свет. Фотоны ультрафиолетового света рассеиваясь на избыточных электронах, придают им энергию, что позволяет заряду, хранящемуся на плавающем затворе, рассеяться. Так как вся матрица памяти подвергается обработке, то все данные стираются одновременно. Процесс занимает несколько минут для УФ-ламп небольших размеров. Солнечный свет будет стирать чип в течение нескольких недель, а комнатная люминесцентная лампа — в течение нескольких лет.[5] Вообще, для стирания чипы EPROM должны быть извлечены из оборудования, так как практически невозможно вставить в УФ-лампу какой-либо блок и стереть данные только с части чипов.

Детали[править | править вики-текст]

Поскольку изготовление кварцевого окна стоит дорого, была разработана память PROM («одноразовая» программируемая память, ОПМ). В ней матрица памяти монтируется в непрозрачную оболочку, которая не может быть разрушена после программирования. Это устраняет необходимость тестирования функции стирания, что также снижает расходы на изготовление. ОПМ-версии производятся как для памяти EPROM, так и для микроконтроллеров со встроенной памятью EPROM. Однако, ОПМ EPROM (будь то отдельный чип или часть большого чипа) всё чаще заменяют на EEPROM при небольших объёмах выпуска, когда стоимость одной ячейки памяти не слишком важна, и на флеш-память при больших сериях выпуска.

Запрограммированная память EPROM сохраняет свои данные на десять-двадцать лет, и может быть прочитана неограниченное число раз.[6] Окно стирания должно быть закрыто непрозрачной пленкой для предотвращения случайного стирания солнечным светом. Старые чипы BIOS компьютеров PC часто были сделаны на памяти EPROM, а окна стирания были закрыты этикеткой, содержащей название производителя BIOS, версию BIOS и уведомление об авторских правах. Практика покрытия чипа BIOS этикеткой часто встречается и на сегодняшний день, несмотря на то, что теперешние чипы BIOS изготавливаются по технологии EEPROM или как NOR флеш-память без каких-либо окон стирания.

Стирание EPROM происходит при длине волны света короче 400 нм. Экспозиция солнечным светом в течение 1 недели или освещение комнатной флуоресцентной лампой в течение 3 лет может привести к стиранию. Рекомендуемой процедурой стирания является воздействие ультрафиолетовым светом длиной волны 253,7 нм от 20 до 30 минут лампой со световым потоком не менее 15 вт-сек/см2, размещённой на расстоянии около 30 сантиметров.

Стирание может быть также выполнено с помощью рентгеновских лучей:

"Стирание может быть сделано неэлектрическими методами, так как управляющий электрод электрически недоступен. Освещение ультрафиолетовым светом любой части неупакованного устройства вызывает фототок, который течёт из плавающего затвора на кремниевую подложку, тем самым переводя затвор в исходное незаряженное состояние. Этот метод стирания позволяет осуществлять полное тестирование и коррекцию сложных матриц памяти до корпусования. После корпусования информация всё ещё может быть стёрта рентгеновским излучением, превышающим 5*104 рад, дозы, которая легко достигается коммерческими генераторами рентгеновского излучения.[7] Иными словами, чтобы стереть EPROM, вы должны применить источник рентгеновского излучения, а затем поместить чип в духовку при температуре около 600 градусов по Цельсию (для отжига полупроводниковых изменений, вызванных рентгеновскими лучами)."[8]

EPROM имеют ограниченное, но большое количество циклов стирания. Диоксид кремния около затвора накапливает постепенные разрушения при каждом цикле, что делает чип ненадёжным после нескольких тысяч циклов стирания. Программирование EPROM выполняется доволньно медленно по сравнению с другими типами памяти, потому что участки с более высокой плотностью оксида между слоями соединений и затвора получают меньше экспозиции. Ультрафиолетовое стирание становится менее практичным для очень больших размеров памяти. Даже пыль внутри корпуса может препятствовать некоторым ячейкам памяти выполнить стирание.[9]

Применение[править | править вики-текст]

Программируемые через маску ПЗУ при больших партиях выпуска (тысячи штук и более) имеют довольно низкую стоимость производства. Однако, чтобы их сделать, требуется несколько недель времени, так как нужно выполнить сложные работы для рисования маски каждого слоя интегральной схемы. Первоначально предполагалось, что EPROM будет стоить слишком дорого для массового производства и использования, поэтому планировалось ограничиться выпуском только опытных образцов. Вскоре выяснилось, что небольшие объёмы производства EPROM экономически целесообразны, особенно, когда требуется быстрое обновление прошивки.

Некоторые микроконтроллеры ещё до эпохи EEPROM и флэш-памяти использовали встроенную на чипе память EPROM для хранения своей программы. К таким микроконтроллерам относятся некоторые версии Intel 8048, Freescale 68HC11 и версии "С" микроконтроллеров PIC. Подобно чипам EPROM, такие микроконтроллеры перешли на оконную (дорогую) версию, что было полезно для отладки и разработки программ. Вскоре эти чипы стали делать по технологии PROM с непрозрачным корпусом (что несколько снизило стоимость его производства). Освещение матрицы памяти такого чипа светом могло также изменить его поведение непредсказуемым образом, когда производство переходило с изготовления оконного варианта на безоконный.

Размеры и типы чипов EPROM[править | править вики-текст]

Изготавливаются несколько вариантов EPROM, отличающиеся как по физическим размерам, так и по ёмкости памяти. Хотя партии одного типа от разных производителей совместимы по чтению данных, есть небольшие различия в процессе программирования.

Большинство чипов EPROM программисты могут распознать через «режим идентификации», подавая 12V на контакт A9 и считывая два байта данных. Однако, поскольку это не универсально, программное обеспечение также позволяет ручную настройку на производителя и тип устройства микросхемы для обеспечения правильного режима программирования.[10]

Тип EPROM Размер — бит Размер — байт Длина (hex) Последний адрес (hex)
1702, 1702A 2 Кбит 256 100 FF
2704 4 Кбит 512 200 1FF
2708 8 Кбит 1 Кбайт 400 3FF
2716, 27C16 16 Кбит 2 Кбайт 800 7FF
2732, 27C32 32 Кбит 4 Кбайт 1000 FFF
2764, 27C64 64 Кбит 8 Кбайт 2000 1FFF
27128, 27C128 128 Кбит 16 Кбайт 4000 3FFF
27256, 27C256 256 Кбит 32 Кбайт 8000 7FFF
27512, 27C512 512 Кбит 64 Кбайт 10000 FFFF
27C010, 27C100 1 Мбит 128 Кбайт 20000 1FFFF
27C020 2 Мбит 256 Кбайт 40000 3FFFF
27C040, 27C400 4 Мбит 512 Кбайт 80000 7FFFF
27C080 8 Мбит 1 Мбайт 100000 FFFFF
27C160 16 Мбит 2 Мбайт 200000 1FFFFF
27C320 32 Мбит 4 Мбайт 400000 3FFFFF

[11]

Галерея[править | править вики-текст]

Интересные факты[править | править вики-текст]

Подавляющее большинство микросхем имеют маркировку на своем полупроводниковом чипе: название микросхемы, иногда дату копирайта, выполненные металлическими дорожками по той же технологии, по которой выполняется топология микросхемы. У большинства чипов после заливки в пластиковый корпус прочитать маркировку становится нельзя, но микросхемы EPROM относятся к тому редкому исключению, у которых это возможно. Поскольку для чтения имени чипа нужен мощный оптический микроскоп, обычно дающий перевернутое изображение, обычной практикой бывает нанесение имени чипа в перевернутом, "зеркальном" варианте, тогда в микроскоп надпись читается в нормальном виде.

Первые советские микросхемы EPROM на практике имели ресурс всего 2-3 стирания и были очень чувствительны к передозировке экспозиции.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. FLOATING GATE TRANSISTOR AND METHOD ... - Google Patents
  2. Chih-Tang Sah , Fundamentals of solid-state electronics World Scientific, 1991 ISBN 9810206372, page 639
  3. Технология EPROM
  4. Vojin G. Oklobdzija, Digital Design and Fabrication, CRC Press, 2008 ISBN 0849386020, page 5-14 through 5-17
  5. John E. Ayers ,Digital integrated circuits: analysis and design, CRC Press, 2004 , ISBN 084931951X, page 591
  6. Paul Horowitz and Winfield Hill, The Art of Electronics 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1989, ISBN 0521370957, page 817
  7. May 10, 1971 issue of Electronics Magazine in an article written by Dov Frohman
  8. eprom. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011. 090508 jmargolin.com
  9. Sah 1991 page 640
  10. Certain EPROM, EEPROM, Flash Memory and Flash Microcontroller Semiconductor Devices and Products Containing Same, Inv. 337-TA-395 / U.S. International Trade Commission. — Diane Publishing. — P. 51–72. — ISBN 1428957219
  11. ПРИМЕЧАНИЕ: EPROM 1702 были PMOS, 27x серия EPROM, содержащая в названии букву «С», базируются на CMOS , без «С» — на NMOS

Ссылки[править | править вики-текст]