EPROM

Ett EPROM: Texas Instruments TMS27C040, ett CMOS-chip med 4 megabits lagring och 8-bitars utdata (visas här i ett 600 mil keramiskt dual-in-line-paket). TMS27C040 fungerar på 5 volt, men måste programmeras på 13 volt

Ett EPROM (sällan EROM ), eller raderbart programmerbart läsminne , är en typ av programmerbart läsminne (PROM) som behåller sina data när dess strömförsörjning är avstängd . Datorminne som kan hämta lagrad data efter att en strömförsörjning har stängts av och slagits på igen kallas icke-flyktigt . Det är en grupp av transistorer med flytande grind som är individuellt programmerade av en elektronisk enhet som levererar högre spänningar än de som normalt används i digitala kretsar. När ett EPROM väl har programmerats kan det raderas genom att det utsätts för en stark ultraviolett ljuskälla (som från en kvicksilverlampa) . EPROM är lätt att känna igen av det genomskinliga smälta kvarts (eller på senare modeller harts) fönstret på toppen av förpackningen, genom vilket kiselchipet är synligt och som tillåter exponering för ultraviolett ljus under radering.

Drift

Ett Intel 1702A EPROM, en av de tidigaste EPROM-typerna (1971), 256 gånger 8 bitar. Det lilla kvartsfönstret släpper in UV-ljus för radering

Utvecklingen av EPROM- minnescellen startade med undersökning av felaktiga integrerade kretsar där transistorernas gate-anslutningar hade brutits. Lagrad laddning på dessa isolerade grindar ändrar deras tröskelspänning .

Efter uppfinningen av MOSFET (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor) av Mohamed Atalla och Dawon Kahng vid Bell Labs , presenterad 1960, studerade Frank Wanlass MOSFET-strukturer i början av 1960-talet. 1963 noterade han laddningens rörelse genom oxid till en grind . Även om han inte utövade det, skulle denna idé senare bli grunden för EPROM-teknik.

1967 föreslog Dawon Kahng och Simon Min Sze vid Bell Labs att den flytande grinden på en MOSFET skulle kunna användas för cellen i ett omprogrammerbart ROM (skrivskyddat minne). Med utgångspunkt i detta koncept Dov Frohman från Intel EPROM 1971 och tilldelades US Patent 3 660 819 1972. Frohman designade Intel 1702, ett 2048-bitars EPROM, som tillkännagavs av Intel 1971.

Varje lagringsplats för ett EPROM består av en enda fälteffekttransistor . Varje fälteffekttransistor består av en kanal i enhetens halvledarkropp. Käll- och utloppskontakter görs till regioner i slutet av kanalen. Ett isolerande lager av oxid odlas över kanalen, sedan avsätts en ledande (kisel eller aluminium) grindelektrod och ytterligare ett tjockt lager av oxid avsätts över grindelektroden. Floating -gate- elektroden har inga anslutningar till andra delar av den integrerade kretsen och är helt isolerad av de omgivande lagren av oxid. En styrportelektrod avsätts och ytterligare oxid täcker den.

För att hämta data från EPROM, avkodas adressen som representeras av värdena vid adressstiften i EPROM och används för att ansluta ett ord (vanligtvis en 8-bitars byte) lagring till utgångsbuffertförstärkarna. Varje bit i ordet är en 1 eller 0, beroende på att lagringstransistorn är påslagen eller avstängd, ledande eller icke-ledande.

Ett tvärsnitt av en transistor med flytande grind

Omkopplingstillståndet för fälteffekttransistorn styrs av spänningen på transistorns styrport. Närvaron av en spänning på denna grind skapar en ledande kanal i transistorn som slår på den. I själva verket tillåter den lagrade laddningen på den flytande grinden att transistorns tröskelspänning kan programmeras.

Att lagra data i minnet kräver att man väljer en given adress och lägger på en högre spänning på transistorerna. Detta skapar en lavinurladdning av elektroner, som har tillräckligt med energi för att passera genom det isolerande oxidskiktet och ackumuleras på grindelektroden. När högspänningen tas bort, fångas elektronerna på elektroden. På grund av det höga isoleringsvärdet hos kiseloxiden som omger porten kan den lagrade laddningen inte lätt läcka bort och data kan lagras i årtionden.

Programmeringsprocessen är inte elektriskt reversibel. För att radera data som lagras i arrayen av transistorer riktas ultraviolett ljus mot formen . Fotoner av UV-ljus orsakar jonisering i kiseloxiden, vilket gör att den lagrade laddningen på den flytande grinden kan skingras. Eftersom hela minnesarrayen är exponerad raderas allt minne samtidigt. Processen tar flera minuter för UV-lampor av lämpliga storlekar; solljus skulle radera ett chip på veckor, och inomhuslysrör under flera år. Generellt måste EPROM:erna tas bort från utrustningen som ska raderas, eftersom det vanligtvis inte är praktiskt att bygga in en UV-lampa för att radera delar i kretsen. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) utvecklades för att tillhandahålla en elektrisk raderingsfunktion och har nu mestadels förskjutit ultraviolettraderade delar.

Detaljer

Atmel AT27C010 - ett OTP EPROM

Eftersom kvartsfönstret är dyrt att tillverka, introducerades OTP (engångsprogrammerbara) chips; här är formen monterad i en ogenomskinlig förpackning så att den inte kan raderas efter programmering – detta eliminerar också behovet av att testa raderingsfunktionen, vilket ytterligare minskar kostnaderna. OTP-versioner av både EPROM och EPROM-baserade mikrokontroller tillverkas. OTP EPROM (oavsett om det är separat eller en del av ett större chip) ersätts dock alltmer av EEPROM för små storlekar, där cellkostnaden inte är alltför viktig, och flash för större storlekar.

Ett programmerat EPROM behåller sina data i minst tio till tjugo år, med många som fortfarande behåller data efter 35 eller fler år, och kan läsas ett obegränsat antal gånger utan att påverka livslängden. Raderingsfönstret måste hållas täckt med en ogenomskinlig etikett för att förhindra oavsiktlig radering av UV-ljus som finns i solljus eller kamerablixtar. Gamla PC- BIOS- chips var ofta EPROM, och raderingsfönstret var ofta täckt med en självhäftande etikett som innehöll BIOS-utgivarens namn, BIOS- revisionen och ett upphovsrättsmeddelande. Ofta var denna etikett foliebakad för att säkerställa dess opacitet mot UV.

Radering av EPROM börjar ske med våglängder kortare än 400 nm . Exponeringstid för solljus på en vecka eller tre år för rumslysrör kan orsaka radering. Den rekommenderade raderingsproceduren är exponering för UV-ljus vid 253,7 nm på minst 15 Ws/cm ² , vanligtvis uppnådd på 20 till 30 minuter med lampan på ett avstånd av cirka 2,5 cm.

Radering kan också åstadkommas med röntgenstrålar :

Radering måste emellertid åstadkommas med icke-elektriska metoder, eftersom grindelektroden inte är åtkomlig elektriskt. Lysande ultraviolett ljus på någon del av en oförpackad enhet får en fotoström att flöda från den flytande porten tillbaka till kiselsubstratet, och därigenom urladdas porten till dess initiala, oladdade tillstånd ( fotoelektrisk effekt ). Denna raderingsmetod tillåter fullständig testning och korrigering av en komplex minnesuppsättning innan paketet slutligen förseglas. När förpackningen väl är förseglad kan information fortfarande raderas genom att utsätta den för röntgenstrålning över 5*10 ⁴ rad , en dos som lätt uppnås med kommersiella röntgengeneratorer.

Med andra ord, för att radera ditt EPROM måste du först röntga det och sedan sätta det i en ugn vid cirka 600 grader Celsius (för att härda halvledarförändringar orsakade av röntgenstrålningen). Effekterna av denna process på delens tillförlitlighet skulle ha krävt omfattande tester så de bestämde sig för fönstret istället.

EPROM har ett begränsat men stort antal raderingscykler; kiseldioxiden runt grindarna samlar skador från varje cykel, vilket gör chippet opålitligt efter flera tusen cykler. EPROM-programmering är långsam jämfört med andra former av minne. Eftersom delar med högre densitet har lite exponerad oxid mellan skikten av sammankopplingar och grind, blir ultraviolett radering mindre praktiskt för mycket stora minnen. Även damm inuti förpackningen kan förhindra att vissa celler raderas.

Ansökan

För stora volymer av delar (tusentals bitar eller mer) är maskprogrammerade ROM de billigaste enheterna att producera. Dessa kräver dock många veckors ledtid att göra, eftersom konstverket för ett IC-masklager måste ändras för att lagra data på ROM-minnen. Ursprungligen trodde man att EPROM skulle vara för dyrt för massproduktion och att det endast skulle begränsas till utveckling. Det visade sig snart att produktion av små volymer var ekonomisk med EPROM-delar, särskilt när man övervägde fördelen med snabba uppgraderingar av firmware.

Vissa mikrokontroller , från före eran av EEPROM och flashminne , använder en on-chip EPROM för att lagra sina program. Sådana mikrokontroller inkluderar vissa versioner av Intel 8048 , Freescale 68HC11 och "C"-versionerna av PIC-mikrokontrollern . Liksom EPROM-chips kom sådana mikrokontroller i fönsterversioner (dyra) som användes för felsökning och programutveckling. Samma chip kom i (något billigare) ogenomskinliga OTP-paket för produktion. Att lämna formen på ett sådant chip exponerad för ljus kan också förändra beteendet på oväntade sätt när man flyttar från en fönsterförsedd del som används för utveckling till en icke-fönsterförsedd del för produktion.

EPROM generationer, storlekar och typer

Den första generationens 1702-enheter tillverkades med p-MOS- tekniken. De strömförsörjdes med V _CC = V _BB = +5 V och V _DD = V _GG = -9 V i läsläge och med V _DD = V _GG = -47 V i programmeringsläge.

Den andra generationens 2704/2708-enheter bytte till n-MOS -teknik och till tre-skena V _CC = +5 V, V _BB = -5 V, V _DD = +12 V strömförsörjning med V _PP = 12 V och en +25 V-puls i programmeringsläge.

Utvecklingen av n-MOS-teknologin introducerade enkelskena V _CC = +5 V strömförsörjning och enkel V _PP = +25 V programmeringsspänning utan puls i den tredje generationen. De onödiga V _BB- och V _DD -stiften återanvändes för ytterligare adressbitar, vilket möjliggör större kapacitet (2716/2732) i samma 24-stiftspaket, och ännu större kapacitet med större paket. Senare gjorde de minskade kostnaderna för CMOS -tekniken det möjligt att tillverka samma enheter med den, genom att lägga till bokstaven "C" till enhetsnumren (27xx(x) är n-MOS och 27Cxx(x) är CMOS).

Medan delar av samma storlek från olika tillverkare är kompatibla i läsläge, la olika tillverkare till olika och ibland flera programmeringslägen, vilket ledde till subtila skillnader i programmeringsprocessen. Detta fick enheter med större kapacitet att införa ett "signaturläge", vilket gjorde det möjligt för tillverkaren och enheten att identifieras av EPROM-programmeraren. Det implementerades genom att tvinga +12 V på stift A9 och läsa ut två byte med data. Men eftersom detta inte var universellt, skulle programmeringsmjukvara också tillåta manuell inställning av tillverkaren och enhetstypen för chippet för att säkerställa korrekt programmering.

Typ av EPROM	År	Storlek — bitar	Storlek — byte	Längd ( hex )	Senaste adressen ( hex )	Teknologi
1702, 1702A	1971	2 Kbit	256	100	FF	PMOS
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	10 000	F F F F	NMOS/CMOS
27C010, 27C100		1 Mbit	128 KB	20 000	1FFFF	CMOS
27C020		2 Mbit	256 KB	40 000	3FFFF	CMOS
27C040, 27C400, 27C4001		4 Mbit	512 KB	80 000	7FFFF	CMOS
27C080		8 Mbit	1 MB	100 000	FFFFF	CMOS
27C160		16 Mbit	2 MB	200 000	1FFFFF	CMOS
27C320, 27C322		32 Mbit	4 MB	400 000	3FFFFF	CMOS