EPROM - EPROM

EPROM (zřídka EROM ), nebo vymazatelná programovatelná paměť pouze pro čtení , je typ prom (PROM), čip , který si zachovává své údaje, když je jeho vypnutí napájení. Počítačová paměť, která dokáže načíst uložená data po vypnutí a opětovném zapnutí napájení, se nazývá energeticky nezávislá . Jedná se o řadu tranzistorů s plovoucí bránou jednotlivě naprogramovaných elektronickým zařízením, které dodává vyšší napětí, než jaká se běžně používají v digitálních obvodech. Jakmile je EPROM naprogramována, lze ji vymazat tak, že ji vystavíte silnému zdroji ultrafialového světla (například z rtuťové výbojky ). EPROM jsou snadno rozpoznatelné průhledným fúzovaným křemenným (nebo na novějších modelech pryskyřičným) okénkem v horní části obalu, skrz které je viditelný křemíkový čip, a který umožňuje vystavení ultrafialovému světlu během mazání.

Úkon

Intel 1702A EPROM, jeden z prvních typů EPROM (1971), 256 x 8 bitů. Malé křemenné okénko připouští UV světlo k vymazání.

Vývoj paměťové buňky EPROM začal vyšetřováním vadných integrovaných obvodů, kde došlo k přerušení hradelních spojení tranzistorů. Uložený náboj na těchto izolovaných branách mění jejich prahové napětí .

Po vynálezu MOSFET (tranzistor s efektem pole na bázi oxidu kovu a polovodiče) Mohameda Atally a Dawona Kahnga v Bell Labs , představeném v roce 1960, Frank Wanlass studoval struktury MOSFET na počátku 60. let. V roce 1963 zaznamenal pohyb náboje oxidem na bránu . I když to nepokračoval, tato myšlenka se později stala základem pro technologii EPROM.

V roce 1967 Dawon Kahng a Simon Min Sze z Bell Labs navrhli, aby plovoucí brána MOSFETu byla použita pro buňku přeprogramovatelné ROM (paměť jen pro čtení). Na tomto konceptu vynalezl Dov Frohman z Intelu EPROM v roce 1971 a v roce 1972 mu byl udělen americký patent 3 660 819. Frohman navrhl Intel 1702, 2048bitovou EPROM, kterou společnost Intel oznámila v roce 1971.

Každé místo uložení paměti EPROM se skládá z jednoho tranzistoru s efektem pole . Každý tranzistor s efektem pole se skládá z kanálu v polovodičovém těle zařízení. Zdrojové a odtokové kontakty jsou provedeny do oblastí na konci kanálu. Na kanál se pěstuje izolační vrstva oxidu, poté se nanese vodivá (křemíková nebo hliníková) hradlová elektroda a další silná vrstva oxidu se nanese na hradlovou elektrodu. Plovoucí-gate elektroda nemá žádné spojení s ostatními částmi integrovaného obvodu a je zcela izolována od okolních vrstev oxidu. Elektroda řídicí brány je uložena a další oxid ji pokrývá.

Pro získání dat z EPROM je adresa reprezentovaná hodnotami na adresních pinech EPROM dekódována a použita pro připojení jednoho slova (obvykle 8bitového bajtu) úložiště k výstupním zesilovačům vyrovnávací paměti. Každý bit slova je 1 nebo 0, v závislosti na zapnutém nebo vypnutém paměťovém tranzistoru, vodivém nebo nevodivém.

Průřez tranzistoru s plovoucí bránou

Přepínací stav tranzistoru s efektem pole je řízen napětím na řídicí bráně tranzistoru. Přítomnost napětí na této bráně vytváří v tranzistoru vodivý kanál, který jej zapíná. Ve skutečnosti uložený náboj na plovoucí bráně umožňuje naprogramovat prahové napětí tranzistoru.

Ukládání dat do paměti vyžaduje výběr dané adresy a použití vyššího napětí na tranzistory. To vytváří lavinový výboj elektronů, které mají dostatek energie na to, aby prošly izolační vrstvou oxidu a akumulovaly se na hradlové elektrodě. Když je vysoké napětí odstraněno, elektrony jsou zachyceny na elektrodě. Vzhledem k vysoké izolační hodnotě oxidu křemičitého obklopujícího bránu nemůže uložený náboj snadno uniknout a data lze uchovávat po celá desetiletí.

Proces programování není elektricky reverzibilní. Pro vymazání dat uložených v poli tranzistorů je ultrafialové světlo směrováno na matrici . Fotony UV světla způsobují ionizaci uvnitř oxidu křemičitého, což umožňuje rozptýlení uloženého náboje na plovoucí bráně. Protože je vystaveno celé paměťové pole, je veškerá paměť vymazána současně. Tento proces trvá několik minut u UV lamp vhodných velikostí; sluneční světlo by vymazalo čip za několik týdnů a vnitřní zářivkové osvětlení po několik let. Obecně platí, že EPROM musí být odstraněny ze zařízení, které má být vymazáno, protože není obvykle praktické zabudovat UV lampu, aby se vymazaly části v obvodu. Elektricky vymazatelná programovatelná paměť jen pro čtení (EEPROM) byla vyvinuta tak, aby poskytovala funkci elektrického mazání a nyní většinou vytlačila části vymazané ultrafialovým zářením.

Podrobnosti

Atmel AT27C010 - OTP EPROM

Protože výroba křemenného okna je drahá, byly zavedeny čipy OTP (jednorázové programovatelné); zde je matrice namontována v neprůhledném obalu, takže ji nelze po naprogramování vymazat - to také eliminuje potřebu testovat funkci mazání, což dále snižuje náklady. Vyrábějí se verze OTP jak EPROM, tak mikrokontrolérů na bázi EPROM. OTP EPROM (ať už oddělený nebo část většího čipu) je však stále více nahrazován EEPROM pro malé velikosti, kde náklady na buňky nejsou příliš důležité, a pro větší velikosti flash .

Naprogramovaná EPROM uchovává svá data po dobu minimálně deseti až dvaceti let, přičemž mnoho z nich si data uchovává i po 35 a více letech, a lze je číst neomezeně mnohokrát, aniž by byla ovlivněna životnost. Vymazávací okénko musí být zakryto neprůhledným štítkem, aby se zabránilo náhodnému vymazání ultrafialovým zářením nacházejícím se ve slunečním světle nebo blescích fotoaparátu. Staré PC BIOS čipy byly často EPROM a mazací okno bylo často překryto nálepkou obsahující jméno vydavatele BIOSu, revizi BIOSu a upozornění na autorská práva. Tento štítek byl často opatřen fólií, aby byla zajištěna jeho neprůhlednost vůči UV záření.

K vymazání EPROM začíná docházet při vlnových délkách kratších než 400 nm . Doba expozice slunečnímu světlu jeden týden nebo tři roky pro pokojové zářivkové osvětlení může způsobit vymazání. Doporučený postup vymazání je vystavení ultrafialovému záření při 253,7 nm alespoň 15 Ws/cm ² , kterého je obvykle dosaženo za 20 až 30 minut s lampou ve vzdálenosti asi 2,5 cm.

Vymazání lze také provést pomocí rentgenových paprsků :

Vymazání však musí být provedeno neelektrickými metodami, protože hradlová elektroda není elektricky přístupná. Zářící ultrafialové světlo na jakoukoli část nebaleného zařízení způsobí, že z plovoucí brány proudí zpět do silikonového substrátu fotoproud, čímž bránu vybije do původního stavu bez náboje ( fotoelektrický efekt ). Tato metoda vymazání umožňuje úplné testování a opravu složitého paměťového pole před konečným zapečetěním balíčku. Poté, co je obal uzavřen, informace mohou ještě být vymazány vystavením pro rentgenové záření v přebytku 5 x 10 ⁴ rad , v dávce, která je snadno dosaženo s komerčními rentgenové generátory.

Jinými slovy, pro vymazání vaší EPROM byste ji museli nejprve zrentgenovat a poté dát do trouby při asi 600 stupních Celsia (k žíhání změn polovodičů způsobených rentgenovými paprsky). Účinky tohoto procesu na spolehlivost součásti by vyžadovaly rozsáhlé testování, takže se místo toho rozhodli pro okno.

Paměti EPROM mají omezený, ale velký počet cyklů mazání; oxid křemičitý kolem bran hromadí poškození z každého cyklu, takže čip je po několika tisících cyklech nespolehlivý. Programování EPROM je ve srovnání s jinými formami paměti pomalé. Protože části s vyšší hustotou mají málo vystaveného oxidu mezi vrstvami propojení a hradlem, stává se vymazávání ultrafialovým zářením pro velmi velké paměti méně praktické. I prach uvnitř obalu může zabránit vymazání některých buněk.

aplikace

Pro velké objemy dílů (tisíce kusů nebo více) jsou ROMy s maskovanou programací zařízení, která se vyrábějí nejlevněji. Jejich výroba však vyžaduje mnoho týdnů, protože kresbu pro vrstvu masky IC je nutné upravit, aby se ukládala data na ROM. Zpočátku se předpokládalo, že EPROM bude příliš drahá pro použití v sériové výrobě a že bude omezena pouze na vývoj. Brzy bylo zjištěno, že malosériová výroba je s díly EPROM ekonomická, zvláště když byla zvažována výhoda rychlých aktualizací firmwaru.

Některé mikrokontroléry z doby před EEPROM a flash pamětí používají k ukládání svého programu EPROM na čipu. Mezi takové mikrokontroléry patří některé verze Intel 8048 , Freescale 68HC11 a „C“ verze mikrokontroléru PIC . Stejně jako čipy EPROM se tyto mikrokontroléry dodávaly v oknech (drahých) verzích, které byly použity pro ladění a vývoj programu. Stejný čip přišel v (poněkud levnějších) neprůhledných OTP balíčcích pro výrobu. Ponechání matrice takového čipu vystaveného světlu může také neočekávaným způsobem změnit chování při přechodu z části s okny používané pro vývoj na část bez okna pro výrobu.

Generace, velikosti a typy EPROM

První generace 1702 zařízení byla vyrobena s technologií p-MOS . Byly napájeny napětím V _CC = V _BB = +5 V a V _DD = V _GG = -9 V v režimu čtení a s V _DD = V _GG = -47 V v režimu programování.

Druhá generace 2704/2708 zařízení přešla na technologii n-MOS a na tříkolejný V _CC = +5 V, V _BB = -5 V, V _DD = +12 V napájecí zdroj s V _PP = 12 V a a +25 V puls v režimu programování.

Vývoj technologie n-MOS představil ve třetí generaci jednokolejný napájecí zdroj V _CC = +5 V a jeden V _PP = +25 V programovací napětí bez pulsu. Nepotřebné piny V _BB a V _DD byly znovu použity pro další adresní bity, které umožňují větší kapacity (2716/2732) ve stejném 24pólovém balíčku a ještě větší kapacity s většími balíčky. Později snížené náklady na technologii CMOS umožnily výrobu stejných zařízení pomocí této technologie, přičemž k číslům zařízení bylo přidáno písmeno „C“ (27xx (x) jsou n-MOS a 27Cxx (x) jsou CMOS).

Zatímco části stejné velikosti od různých výrobců jsou v režimu čtení kompatibilní, různí výrobci přidali různé a někdy i více programovacích režimů, což vede k jemným rozdílům v programovacím procesu. To přimělo zařízení s větší kapacitou zavést „režim podpisu“, který umožňuje identifikaci výrobce a zařízení programátorem EPROM. Byla implementována vynucením +12 V na pin A9 a načtením dvou bajtů dat. Protože to však nebylo univerzální, software programátoru by také umožnil ruční nastavení výrobce a typu zařízení čipu, aby bylo zajištěno správné programování.

Galerie

• 

  32 KB (256 Kbit) EPROM

• 

  Tento mikrokontrolér 8749 ukládá svůj program do interní paměti EPROM

• 

  NEC 02716, 16 KBit EPROM

Viz také

• Programovatelná paměť jen pro čtení
• EEPROM
• Flash paměť
• Intel HEX - formát souboru
• SREC - formát souboru
• Programátor (hardware)

Poznámky

Reference

Bibliografie

• Sah, Chih-Tang (1991), Základy polovodičové elektroniky , World Scientific, ISBN 981-02-0637-2

externí odkazy

• Datové listy Intel EPROM - Intel-vintage.info
• 1976 Intel Data Book, obsahuje datové listy 1702, 2704, 2708 - archive.org
• Podrobné informace o typech EPROM a programování EPROM
• Video z paměti Intel 1702 EPROM