EPROM- EPROM

Ein EPROM (selten EROM ) oder löschbarer programmierbarer Festwertspeicher ist eine Art programmierbarer Festwertspeicher (PROM) -Chip , der seine Daten behält, wenn seine Stromversorgung ausgeschaltet wird. Computerspeicher, der gespeicherte Daten abrufen kann, nachdem eine Stromversorgung aus- und wieder eingeschaltet wurde, wird als nichtflüchtig bezeichnet . Es handelt sich um ein Array von Floating-Gate-Transistoren, die individuell von einem elektronischen Gerät programmiert werden, das höhere Spannungen liefert als die normalerweise in digitalen Schaltungen verwendeten. Einmal programmiert, kann ein EPROM gelöscht werden, indem es einer starken ultravioletten Lichtquelle (wie einer Quecksilberdampflampe ) ausgesetzt wird . EPROMs sind leicht an dem transparenten Quarzglasfenster (oder bei späteren Modellen aus Harz) auf der Oberseite des Gehäuses zu erkennen, durch das der Siliziumchip sichtbar ist und das die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht während des Löschens ermöglicht.

Betrieb

Ein Intel 1702A EPROM, einer der frühesten EPROM-Typen (1971), 256 x 8 Bit. Das kleine Quarzfenster lässt UV-Licht zum Löschen durch.

Die Entwicklung der EPROM- Speicherzelle begann mit der Untersuchung fehlerhafter integrierter Schaltungen, bei denen die Gate-Anschlüsse von Transistoren gebrochen waren. Auf diesen isolierten Gates gespeicherte Ladung ändert ihre Schwellenspannung .

Nach der 1960 vorgestellten Erfindung des MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) durch Mohamed Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs untersuchte Frank Wanlass Anfang der 1960er Jahre MOSFET-Strukturen. 1963 bemerkte er die Bewegung der Ladung durch Oxid auf ein Gate . Diese Idee verfolgte er zwar nicht, wurde aber später zur Grundlage der EPROM-Technologie.

1967 schlugen Dawon Kahng und Simon Min Sze von Bell Labs vor, das Floating-Gate eines MOSFET für die Zelle eines reprogrammierbaren ROM (Read-Only Memory) zu verwenden. Aufbauend auf diesem Konzept erfand Dov Frohman von Intel 1971 das EPROM und erhielt 1972 das US-Patent 3.660.819 . Frohman entwarf den Intel 1702, einen 2048-Bit-EPROM, der 1971 von Intel angekündigt wurde.

Jeder Speicherplatz eines EPROMs besteht aus einem einzelnen Feldeffekttransistor . Jeder Feldeffekttransistor besteht aus einem Kanal im Halbleiterkörper des Bauelements. Source- und Drain-Kontakte werden zu Regionen am Ende des Kanals hergestellt. Über dem Kanal wird eine isolierende Oxidschicht aufgewachsen, dann wird eine leitfähige (Silizium- oder Aluminium-) Gateelektrode abgeschieden und eine weitere dicke Oxidschicht wird über der Gateelektrode abgeschieden. Die Floating-Gate- Elektrode hat keine Verbindungen zu anderen Teilen der integrierten Schaltung und ist durch die umgebenden Oxidschichten vollständig isoliert. Eine Steuergateelektrode wird abgeschieden und weiteres Oxid bedeckt sie.

Um Daten aus dem EPROM abzurufen, wird die durch die Werte an den Adreßstiften des EPROMs repräsentierte Adresse decodiert und verwendet, um ein Speicherwort (normalerweise ein 8-Bit-Byte) mit den Ausgangspufferverstärkern zu verbinden. Jedes Bit des Wortes ist eine 1 oder 0, je nachdem, ob der Speichertransistor ein- oder ausgeschaltet, leitend oder nichtleitend ist.

Ein Querschnitt eines Floating-Gate-Transistors

Der Schaltzustand des Feldeffekttransistors wird durch die Spannung am Steuergate des Transistors gesteuert. Das Anlegen einer Spannung an diesem Gate erzeugt einen leitenden Kanal im Transistor und schaltet ihn ein. Tatsächlich ermöglicht die gespeicherte Ladung auf dem schwebenden Gate die Programmierung der Schwellenspannung des Transistors.

Das Speichern von Daten im Speicher erfordert das Auswählen einer gegebenen Adresse und das Anlegen einer höheren Spannung an die Transistoren. Dies erzeugt eine Lawinenentladung von Elektronen, die genug Energie haben, um die isolierende Oxidschicht zu passieren und sich an der Gate-Elektrode anzusammeln. Wenn die Hochspannung entfernt wird, werden die Elektronen an der Elektrode gefangen. Aufgrund des hohen Isolationswertes des das Gate umgebenden Siliziumoxids kann die gespeicherte Ladung nicht ohne weiteres entweichen und die Daten können über Jahrzehnte aufbewahrt werden.

Der Programmiervorgang ist elektrisch nicht reversibel. Um die im Transistor-Array gespeicherten Daten zu löschen, wird ultraviolettes Licht auf den Chip gelenkt . Photonen des UV-Lichts bewirken eine Ionisierung innerhalb des Siliziumoxids, wodurch die gespeicherte Ladung auf dem Floating Gate abgebaut werden kann. Da das gesamte Speicherarray freigelegt ist, wird der gesamte Speicher gleichzeitig gelöscht. Bei UV-Lampen geeigneter Größe dauert der Vorgang mehrere Minuten; Sonnenlicht würde einen Chip innerhalb von Wochen auslöschen, und Leuchtstofflampen in Innenräumen über mehrere Jahre hinweg. Im Allgemeinen müssen die EPROMs aus den zu löschenden Geräten entfernt werden, da es normalerweise nicht praktikabel ist, eine UV-Lampe einzubauen, um schaltungsinterne Teile zu löschen. Elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM) wurde entwickelt, um eine elektrische Löschfunktion bereitzustellen, und hat jetzt hauptsächlich ultraviolett-gelöschte Teile verdrängt.

Einzelheiten

Atmel AT27C010 - ein OTP-EPROM

Da die Herstellung des Quarzfensters teuer ist, wurden OTP-Chips (einmal programmierbar) eingeführt; Hier ist der Chip in einem lichtundurchlässigen Gehäuse montiert, sodass er nach dem Programmieren nicht gelöscht werden kann – dadurch entfällt auch die Notwendigkeit, die Löschfunktion zu testen, was die Kosten weiter senkt. Es werden OTP-Versionen sowohl von EPROMs als auch von EPROM-basierten Mikrocontrollern hergestellt. OTP-EPROM (ob separat oder Teil eines größeren Chips) wird jedoch zunehmend durch EEPROM für kleine Größen, bei denen die Zellenkosten nicht so wichtig sind, und Flash für größere Größen ersetzt.

Ein programmierter EPROM behält seine Daten für mindestens zehn bis zwanzig Jahre, wobei viele noch nach 35 oder mehr Jahren Daten behalten und kann unbegrenzt oft gelesen werden, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen. Das Löschfenster muss mit einem lichtundurchlässigen Etikett abgedeckt werden, um ein versehentliches Löschen durch UV-Strahlung im Sonnenlicht oder Kamerablitzen zu verhindern. Alte PC- BIOS- Chips waren oft EPROMs, und das Löschfenster war oft mit einem Klebeetikett bedeckt, das den Namen des BIOS-Herausgebers, die BIOS- Revision und einen Copyright-Hinweis enthielt . Oft wurde dieses Etikett mit einer Folie versehen, um seine UV-Undurchlässigkeit zu gewährleisten.

Das Löschen des EPROM beginnt bei Wellenlängen, die kürzer als 400 nm sind . Eine Belichtungszeit für Sonnenlicht von einer Woche oder drei Jahren für Leuchtstofflampen im Raum kann zu einer Löschung führen. Das empfohlene Löschverfahren ist die Bestrahlung mit UV-Licht bei 253,7 nm von mindestens 15 Ws/cm 2 , was normalerweise in 20 bis 30 Minuten mit der Lampe in einem Abstand von etwa 2,5 cm erreicht wird.

Das Löschen kann auch mit Röntgenstrahlen erfolgen :

Das Löschen muss jedoch mit nicht-elektrischen Methoden erfolgen, da die Gate-Elektrode elektrisch nicht zugänglich ist. Das Einstrahlen von ultraviolettem Licht auf einen beliebigen Teil eines ungehäusten Bauelements bewirkt, dass ein Fotostrom vom Floating-Gate zurück zum Siliziumsubstrat fließt, wodurch das Gate in seinen ursprünglichen, ungeladenen Zustand entladen wird ( photoelektrischer Effekt ). Dieses Löschverfahren ermöglicht ein vollständiges Testen und Korrigieren eines komplexen Speicherarrays, bevor das Gehäuse endgültig versiegelt wird. Sobald die Verpackung versiegelt ist, können die Informationen immer noch gelöscht werden, indem sie einer Röntgenstrahlung von mehr als 5 × 10 4 rad ausgesetzt werden , einer Dosis, die mit handelsüblichen Röntgengeneratoren leicht erreicht wird.

Mit anderen Worten, um Ihr EPROM zu löschen, müssten Sie es zuerst röntgen und dann in einen Ofen bei etwa 600 Grad Celsius legen (um durch die Röntgenstrahlen verursachte Halbleiteränderungen auszuheilen). Die Auswirkungen dieses Prozesses auf die Zuverlässigkeit des Teils hätten umfangreiche Tests erfordert, daher entschied man sich stattdessen für das Fenster.

EPROMs haben eine begrenzte, aber große Anzahl von Löschzyklen; das Siliziumdioxid um die Gates herum sammelt bei jedem Zyklus Schaden an, was den Chip nach mehreren tausend Zyklen unzuverlässig macht. Die EPROM-Programmierung ist im Vergleich zu anderen Speicherformen langsam. Da Teile mit höherer Dichte wenig freiliegendes Oxid zwischen den Schichten der Verbindungen und des Gates aufweisen, wird das Ultraviolettlöschen für sehr große Speicher weniger praktikabel. Sogar Staub im Inneren der Verpackung kann verhindern, dass einige Zellen gelöscht werden.

Anwendung

Für große Teilemengen (Tausende von Teilen oder mehr) sind maskenprogrammierte ROMs die kostengünstigsten zu produzierenden Geräte. Diese erfordern jedoch viele Wochen Vorlaufzeit, da die Grafik für eine IC-Maskenschicht geändert werden muss, um Daten auf den ROMs zu speichern. Anfangs dachte man, dass das EPROM für die Massenproduktion zu teuer und nur auf die Entwicklung beschränkt sein würde. Es zeigte sich schnell, dass die Kleinserienfertigung mit EPROM-Teilen wirtschaftlich war, insbesondere wenn man den Vorteil schneller Firmware-Upgrades berücksichtigte.

Einige Mikrocontroller aus der Zeit vor der Ära von EEPROMs und Flash-Speichern verwenden ein On-Chip-EPROM, um ihr Programm zu speichern. Zu diesen Mikrocontrollern gehören einige Versionen des Intel 8048 , des Freescale 68HC11 und der "C"-Versionen des PIC-Mikrocontrollers . Wie EPROM-Chips gab es solche Mikrocontroller in (teuren) Fensterversionen, die zum Debuggen und zur Programmentwicklung verwendet wurden. Der gleiche Chip kam in (etwas billigeren) undurchsichtigen OTP-Gehäusen zur Produktion. Das Belassen des Chips eines solchen Chips dem Licht ausgesetzt kann auch das Verhalten auf unerwartete Weise ändern, wenn von einem für die Entwicklung verwendeten Teil mit Fenster zu einem Teil für die Produktion ohne Fenster übergegangen wird.

EPROM-Generationen, -Größen und -Typen

Die 1702-Bauelemente der ersten Generation wurden mit der p-MOS- Technologie hergestellt. Sie wurden mit V CC = V BB = +5 V und V DD = V GG = -9 V im Lesemodus und mit V DD = V GG = -47 V im Programmiermodus versorgt.

Die Geräte der zweiten Generation 2704/2708 wurden auf n-MOS- Technologie und auf Dreischienen V CC = +5 V, V BB = -5 V, V DD = +12 V Netzteil mit V PP = 12 V und einem +25 umgestellt V-Impuls im Programmiermodus.

Die Evolution der n-MOS-Technologie führte in der dritten Generation eine Single-Rail- Spannungsversorgung V CC = +5 V und eine einzelne V PP = +25 V Programmierspannung ohne Puls ein. Die nicht benötigten V BB- und V DD- Pins wurden für zusätzliche Adressbits wiederverwendet, was größere Kapazitäten (2716/2732) im gleichen 24-Pin-Gehäuse und sogar noch größere Kapazitäten mit größeren Gehäusen ermöglicht. Später ermöglichten die geringeren Kosten der CMOS- Technologie die Herstellung derselben Bauelemente mit ihr, wobei den Bauelementenummern der Buchstabe "C" hinzugefügt wurde (27xx(x) sind n-MOS und 27Cxx(x) sind CMOS).

Während Teile der gleichen Größe von verschiedenen Herstellern im Lesemodus kompatibel sind, fügten verschiedene Hersteller unterschiedliche und manchmal mehrere Programmiermodi hinzu, was zu subtilen Unterschieden im Programmierprozess führte. Dies veranlasste Geräte mit größerer Kapazität, einen "Signaturmodus" einzuführen, der es dem EPROM-Programmierer ermöglicht, den Hersteller und das Gerät zu identifizieren. Es wurde implementiert, indem +12 V an Pin A9 erzwungen und zwei Datenbytes ausgelesen wurden. Da dies jedoch nicht universell war, ermöglichte die Programmiersoftware auch die manuelle Einstellung des Herstellers und des Gerätetyps des Chips, um eine ordnungsgemäße Programmierung zu gewährleisten.

EPROM-Typ Jahr Größe — Bits Größe — Byte Länge ( hex ) Letzte Adresse ( hex ) Technologie
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 F F F 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 10000 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 1FFFFF CMOS
27C320, 27C322 32 Mbit 4 MB 400000 3FFFFF CMOS

Galerie

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

  • Sah, Chih-Tang (1991), Grundlagen der Festkörperelektronik , World Scientific, ISBN 981-02-0637-2

Externe Links