EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 14:25, 17 июня 2017.
Типы компьютерной памяти
Энергозависимая
  • Современные распространённые типы
  • Перспективные
    • T-RAM
    • Z-RAM
    • TTRAM
  • Устаревшие типы
    • Память на линиях задержки
    • Запоминающая электростатическая трубка
    • Запоминающая электронно-лучевая трубка
Энергонезависимая
  • ПЗУ
  • Первые разработки
    • FRAM
    • MRAM
    • PRAM
  • Перспективные
    • CBRAM
    • SONOS
    • RRAM
    • Беговая память (Racetrack)
    • Nano-RAM
    • Millipede
  • Устаревшие типы
    • Магнитный барабан
    • Память на магнитных сердечниках
    • Память на магнитной проволоке
    • ЦМД
    • Память на твисторах


EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), один из видов энергонезависимой памяти (таких, как EPROM и PROM), используемой в компьютерах и других электронных устройствах для хранения относительно небольших объемов данных но с возможностью чтения, удаления или записи байтов по отдельности. В EEPROM памяти чаще всего хранятся пользовательские данные в сотовых аппаратах, которые не должны стираться при выключении питания (например адресные книги), конфигурационная информация роутеров или сотовых аппаратов, реже эти микросхемы применяются в качестве конфигурационной памяти FPGA или хранения данных DSP. Микросхемы организованы в виде массивов плавающего затвора транзисторов[Источник 1]. Они могут быть запрограммированы и соединяются в цепи, путем применения специальных сигналов программирования. Изначально, микросхемы были ограничены для однобайтовых операций, которые сделали их медленнее, но современные микросхемы позволяют многобайтовые операции. EEPROM также имеет ограниченный срок для стирания и перепрограммирования, теперь достигает миллиона операций в современные микросхемы.

На сегодняшний день классическая двухтранзисторная технология EEPROM практически полностью вытеснена флеш-памятью типа NOR. Однако название EEPROM прочно закрепилось за сегментом памяти малой ёмкости независимо от технологии.

История

Элай Харари в 1977 году создал EEPROM с помощью автоэлектронной эмиссии[Источник 2] через плавающий затвор. В 1978 году Джордж Перлегос в Intel разработал процессор Intel 2816, который был построен на более ранней технологии EPROM, но использовал тонкий подзатворный окисленный слой, позволяющий чипу стереть собственные байты без УФ-источника. Перлегос и другие позже использовали технологию, которая подразумевала использование на устройстве конденсаторов для обеспечения необходимого напряжения для программирования микросхемы.[1][2]

Внутреннее устройство запоминающей ячейки c электрическим стиранием.

Принцип действия

Принцип работы EEPROM основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры.[3]

Ячейка памяти EEPROM представляет собой транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния — диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путём пропускания тока через канал полевого транзистора (явление инжекции горячих носителей). После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на его плавающем затворе может храниться десятки лет. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет функцию затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Ранее подобная конструкция ячеек применялась в ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM).Сейчас особенностью классической ячейки EEPROM можно назвать наличие второго транзистора, который помогает управлять режимами записи и стирания. Стирание информации производится подачей на программирующий затвор напряжения, противоположного напряжению записи. В отличие от ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, время стирания информации в EEPROM памяти составляет около 10 мс. Структурная схема энергонезависимой памяти с электрическим стиранием не отличается от структурной схемы масочного ПЗУ. Единственное отличие — вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка.

Некоторые реализации EEPROM выполнялись в виде одного трёхзатворного полевого транзистора (один затвор плавающий и два обычных). Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек. Соединение выполняется в виде двумерной матрицы, в которой на пересечении столбцов и строк находится одна ячейка. Поскольку ячейка EEPROM имеет третий затвор, то, помимо подложки, к каждой ячейке подходят 3 проводника (один проводник столбцов и 2 проводника строк).

Упрощенная структурная схема EEPROM.

Интерфейс

Устройства EEPROM используют последовательный или параллельный интерфейс для ввода/вывода информации.

Устройства с последовательным интерфейсом

Общий интерфейс может быть в виде шин: SPI[Источник 3] и I²C[Источник 4], Microwire, UNI/O [Источник 5] и 1-Wire.

Типичный EEPROM протокол содержит 3 фазы: Код операции, фазы адреса и фазы данных. Код операции - обычно первые 8 бит, далее следует фаза адреса в 8-24 бита (зависит от устройства) и в конце запись или чтение информации.

Каждое устройство EEPROM, как правило, имеет свой код операций для выполнения различных функций. Функции для SPI EEPROM могут быть:

  • Write Enable (WRENAL)
  • Write Disable (WRDI)
  • Read Status Register (RDSR)
  • Write Status Register (WRSR)
  • Read Data (READ)
  • Write Data (WRITE)
EEPROM на печатной плате карты памяти ПК.

Ряд других операций, которые поддерживают некоторые EEPROM устройства:

  • Program
  • Sector Erase
  • Chip Erase commands

Устройства с параллельным интерфейсом

Параллельные устройства EEPROM обычно содержат в себе 8-битную шину данных и адресную шину достаточного объёма для покрытия всей памяти. Большинство таких устройств имеют защиту записи на шинах и возможность выбора чипа. Некоторые микроконтроллеры содержат в себе такие интегрированные EEPROM. Операции на таких устройствах проще и быстрее в сравнении с последовательным интерфейсом EEPROM, но за счет того, что для его функционирования требуется большое количество точек вывода (28pin и больше), параллельная память EEPROM теряет популярность уступая место памяти типа Flash и последовательной EEPROM.

Другие устройства

Память EEPROM используется для функционирования и в других видах продуктов. Продукты, такие как часы реального времени, цифровые потенциометры, цифровые датчики температуры, в частности, могут иметь небольшое количество EEPROM для хранения информации о калибровке или другие данные, которые должны быть доступны в случае потери питания. Он также был использован на игровых картриджах, чтобы сохранить игровой прогресс и настройки, до использования внешней и внутренней флэш-памяти.

Режимы отказа

Существует два вида ограничения хранимой информации: количество перезаписи и длительность хранения. Во время перезаписи, подзатворный окисленный слой плавучего затвора транзисторов постепенно накапливает в себе электроны. Электрическое поле неподвижных электронов добавляется к полю электронов в плавающем затворе, опуская окно между пороговыми напряжениями. После достаточного количества циклов перезаписи, разница будет слишком мала, чтобы быть узнаваемой, дальнейшая запись информации на устройство невозможно и происходит отказ . Производители обычно указывают максимальное количество перезаписей в 1 млн. или более.

Второй вид ограничения - длительность хранения обусловливается тем, что во время хранения электроны оказавшиеся в плавающем затворе могут пройти сквозь изолятор, особенно при повышенной температуре, и вызвать потерю заряда, возвращая затвор в запертое состояние. Производители обычно гарантируют удерживание данных 10 лет или больше.

Родственные типы памяти

Флэш-память является более поздней формой EEPROM. В промышленности, существует конвенция, чтобы зарезервировать термин EEPROM для побайтно стираемой памяти относительно поблочно стираемой флэш-памяти. EEPROM занимает большую площадь кристалла, чем флэш-память для той же мощности, потому что каждая ячейка обычно требует чтения, записи и стирания, в то время как для стирания Flash схемы памяти используются большие блоки ячеек.

Новые технологии энергонезависимой памяти, такие как в FeRAM и MRAM медленно заменяют EEPROM в некоторых устройствах, но, как ожидается, останется небольшая доля рынка для EEPROM в обозримом будущем.

Сравнение EPROM, EEPROM и Flash

Главными отличиями данных типов памяти являются: программирование и стирание данных с устройства. EEPROM может быть запрограммирован, а данные устройства удалены с помощью автоэлектронной эмиссии.

EPROM же, напротив, использует инжекцию горячих носителей [Источник 6] на плавающем затворе. Стирание осуществляется с помощью ультрафиолетового источника света, хотя на практике многие чипы упакованы в пластик, который является непроницаемым для ультрафиолета, делая их "однократно программируемыми".

Большинство устройств с Flash памятью представляет собой гибрид программирования с помощью инжекции горячих носителей и стирания с помощью автоэлектронной эмиссии.

Тип Способ записи информации Продолжительность/Режим Способ стирания информации Продолжительность/Режим
EEPROM Автоэлектронная эмиссия 0,1...5 ms, побайтно Автоэлектронная эмиссия 0,1...5 ms, побайтно
NOR Flash memory Инжекция горячих носителей 0,01...1 ms Автоэлектронная эмиссия 0,01...1 ms, поблочно
EPROM Инжекция горячих носителей 3...50 ms, побайтно УФ-излучение 5...30 ms, весь чип

Список производителей EEPROM

  • Mikron Sitronics
  • Aplus Flash Technology
  • Mitsubishi
  • Atmel
  • Hitachi, Ltd.|Hitachi
  • Infineon
  • Maxwell Technologies
  • Microchip Technology
  • NXP Semiconductors
  • Renesas Technology
  • ROHM Electronics
  • Samsung Electronics
  • SmarfTech
  • STMicroelectronics
  • Seiko Instruments
  • Winbond
  • Catalyst Semiconductor Inc

Примечания

  1. Rostky, George (July 2, 2002). "Remembering the PROM knights of Intel". EE Times. Retrieved 2007-02-08. 
  2. "Seeq Technology » AntiqueTech". 
  3. Технология EEPROM

Источники

  1. Транзистор с плавающим затвором // Википедия. [2016—2016]. Дата обновления: 26.03.2016. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=77346720 (дата обращения: 26.03.2016).
  2. Автоэлектронная эмиссия // Википедия. [2015—2015]. Дата обновления: 22.08.2015. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=72876460 (дата обращения: 22.08.2015).
  3. Serial Peripheral Interface // Википедия. [2017—2017]. Дата обновления: 23.03.2017. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=84439185 (дата обращения: 23.03.2017).
  4. I²C // Википедия. [2017—2017]. Дата обновления: 29.03.2017. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=84548364 (дата обращения: 29.03.2017).
  5. UNI/O // ГУАП. [2017—2017] Дата обновления: 07.03.2017. URL:http://guap.ru/guap/kaf44/trud/vostrikov_balonin_sergeev_vpi.pdf (дата обращения: 07.03.2017).
  6. Инжекция горячих носителей // Википедия. [2016—2016]. Дата обновления: 29.04.2016. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=78069948 (дата обращения: 29.04.2016).

Литература

  • Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. — БХВ-Петербург, 2005. — Глава 5.
  • Шешин Е. П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. — М.: Издательство МФТИ, 2001. — 288с.
  • Шредник В. Н. Автоэлектронная эмиссия // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 21.