EEPROM

STMicro M24C02 Tipo de serie I2C EEPROM

Atmel AT93C46A morir

AT90USB162 MCU integra 512 Byte EEPROM

Una sección transversal de la estructura UV-EPROM heredada.
Aislante superior: ONO
Aislante inferior: óxido de túnel

EEPROM (también llamado E²PROM) significa memoria de solo lectura programable borrable eléctricamente y es un tipo de memoria no volátil utilizada en computadoras, generalmente integrada en microcontroladores como tarjetas inteligentes y sistemas remotos sin llave, o como un dispositivo de chip separado para almacenar cantidades relativamente pequeñas de datos al permitir que se borren y reprogramen bytes individuales.

Las EEPROM se organizan como matrices de transistores de puerta flotante. Las EEPROM se pueden programar y borrar en el circuito, mediante la aplicación de señales de programación especiales. Originalmente, las EEPROM se limitaban a operaciones de un solo byte, lo que las hacía más lentas, pero las EEPROM modernas permiten operaciones de página de varios bytes. Una EEPROM tiene una vida limitada para borrar y reprogramar, llegando ahora a un millón de operaciones en las EEPROM modernas. En una EEPROM que se reprograma con frecuencia, la vida útil de la EEPROM es una consideración de diseño importante.

La memoria flash es un tipo de EEPROM diseñada para alta velocidad y alta densidad, a expensas de grandes bloques de borrado (normalmente, 512 bytes o más) y una cantidad limitada de ciclos de escritura (a menudo 10 000). No hay un límite claro que los divida, pero el término "EEPROM" se usa generalmente para describir la memoria no volátil con pequeños bloques de borrado (tan pequeños como un byte) y una larga vida útil (típicamente 1,000,000 de ciclos). Muchos microcontroladores anteriores incluían ambos (memoria flash para el firmware y una pequeña EEPROM para los parámetros), aunque la tendencia con los microcontroladores modernos es emular la EEPROM usando flash.

A partir de 2020, la memoria flash cuesta mucho menos que la EEPROM programable por bytes y es el tipo de memoria dominante dondequiera que un sistema requiera una cantidad significativa de almacenamiento de estado sólido no volátil. Sin embargo, las EEPROM todavía se usan en aplicaciones que solo requieren pequeñas cantidades de almacenamiento, como en la detección de presencia en serie.

Historia

A principios de la década de 1970, varias empresas y organizaciones realizaron algunos estudios, invenciones y desarrollos para memorias no volátiles reprogramables eléctricamente. En 1971, Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Nagai del Laboratorio Electrotécnico presentaron el primer informe de investigación en la 3.ª Conferencia sobre Dispositivos de Estado Sólido, Tokio en Japón; un instituto nacional de investigación japonés. Fabricaron un dispositivo EEPROM en 1972 y continuaron este estudio durante más de 10 años. Estos documentos han sido citados repetidamente por documentos y patentes posteriores.

Uno de sus estudios de investigación incluye la tecnología MONOS (metal-óxido-nitruro-óxido-semiconductor), que utilizó Renesas Electronics' memoria flash integrada en microcontroladores de un solo chip.

En 1972, Fujio Masuoka en Toshiba, quien también es conocido como el inventor de la memoria flash, inventó un tipo de memoria no volátil reprogramable eléctricamente. La mayoría de los principales fabricantes de semiconductores, como toshiba, Sanyo (más tarde, ON Semiconductor), ibm, intel, NEC (más tarde, Renesas Electronics), Philips (posteriormente, NXP Semiconductors), Siemens (más tarde, Infineon Technologies), Honeywell (más tarde, Atmel), Instrumentos Texas, estudió, inventó y fabricó algunos dispositivos no volátiles eléctricamente reprogramables hasta 1977.

La base teórica de estos dispositivos es la inyección de portadores calientes Avalanche. Pero, en general, las memorias programables, incluida la EPROM, de principios de la década de 1970 tenían problemas de confiabilidad y resistencia, como los períodos de retención de datos y la cantidad de ciclos de borrado/escritura.

En 1975, la unidad de operaciones de semiconductores de NEC, más tarde NEC Electronics, actualmente Renesas Electronics, aplicó el nombre de marca registrada EEPROM® a la Oficina de Patentes de Japón. En 1978, este derecho de marca registrada se otorga y registra como No.1,342,184 en Japón, y aún sobrevive en marzo de 2018.

En febrero de 1977, Eliyahou Harari, de Hughes Aircraft Company, inventó una nueva tecnología EEPROM utilizando túneles Fowler-Nordheim a través de una fina capa de dióxido de silicio entre la puerta flotante y la oblea. Hughes pasó a producir estos nuevos dispositivos EEPROM. Pero esta patente citó la contribución de IBM de la tecnología EEPROM y la invención EEPROM® de NEC.

En mayo de 1977, Fairchild y Siemens dieron a conocer algunos resultados importantes de la investigación. Utilizaron una estructura SONOS (polisilicio-oxinitruro-nitruro-óxido-silicio) con un espesor de dióxido de silicio inferior a 30 Å, y una estructura SIMOS (MOS de inyección de puerta apilada), respectivamente, para el uso de inyección de portador caliente de tunelización Fowler-Nordheim.

Alrededor de 1976 a 1978, el equipo de Intel, incluido George Perlegos, hizo algunos inventos para mejorar esta tecnología E²PROM de tunelización. En 1978, desarrollaron un chip Intel 2816 de 16K (2K palabra × 8) bits con una fina capa de dióxido de silicio, que tenía menos de 200 Å. En 1980, esta estructura se presentó públicamente como FLOTOX; óxido de túnel de puerta flotante. La estructura FLOTOX mejoró la confiabilidad de los ciclos de borrado/escritura por byte hasta 10.000 veces. Pero este dispositivo requería un suministro adicional de voltaje de polarización de 20–22 V V_PP para el borrado de bytes, excepto para las operaciones de lectura de 5 V. En 1981, Perlegos y otros 2 miembros dejaron Intel para formar Seeq Technology, que usaba bombas de carga en el dispositivo para suministrar los altos voltajes necesarios para programar las E²PROM. En 1984, Perlogos dejó Seeq Technology para fundar Atmel, luego Atmel adquirió Seeq Technology.

Base teórica de la estructura FLOTOX

Mecanismo de carga de la célula de memoria FLASH de tipo NOR

Mecanismo de descarga de la célula de memoria FLASH de tipo NOR

Como se describe en la sección anterior, las EEPROM antiguas se basan en la inyección de portadores calientes basada en ruptura de avalancha con alto voltaje de ruptura inversa. Pero la base teórica de FLOTOX es la inyección de un portador caliente de túnel Fowler-Nordheim a través de una fina capa de dióxido de silicio entre la puerta flotante y la oblea. En otras palabras, utiliza un cruce de túnel.

La base teórica del fenómeno físico en sí es la misma que la memoria flash actual. Pero cada estructura FLOTOX está en conjunto con otro transistor de control de lectura porque la puerta flotante en sí misma solo está programando y borrando un bit de datos.

La estructura del dispositivo FLOTOX de Intel mejoró la confiabilidad de la EEPROM, en otras palabras, la resistencia de los ciclos de escritura y borrado y el período de retención de datos. Se encuentra disponible un material de estudio para efecto de evento único sobre FLOTOX.

Hoy, se puede encontrar una explicación académica detallada de la estructura del dispositivo FLOTOX en varios materiales.

Estructura de la EEPROM actual

Hoy en día, EEPROM se utiliza para microcontroladores integrados, así como para productos EEPROM estándar. EEPROM aún requiere una estructura de 2 transistores por bit para borrar un byte dedicado en la memoria, mientras que la memoria flash tiene 1 transistor por bit para borrar una región de la memoria.

Protecciones de seguridad

Dentro de una tarjeta SIM

Debido a que la tecnología EEPROM se usa para algunos dispositivos de seguridad, como tarjetas de crédito, tarjetas SIM, entrada sin llave, etc., algunos dispositivos tienen mecanismos de protección de seguridad, como protección contra copias.

Interfaz eléctrica

Los dispositivos EEPROM utilizan una interfaz serial o paralela para la entrada/salida de datos.

Dispositivos de bus serie

Las interfaces seriales comunes son SPI, I²C, Microwire, UNI/O y 1-Wire. Estos usan de 1 a 4 pines de dispositivo y permiten que los dispositivos usen paquetes con 8 pines o menos.

Un protocolo serial EEPROM típico consta de tres fases: fase de código OP, fase de dirección y fase de datos. El código OP suele ser la primera entrada de 8 bits al pin de entrada en serie del dispositivo EEPROM (o con la mayoría de los dispositivos I²C, está implícito); seguido de 8 a 24 bits de direccionamiento, dependiendo de la profundidad del dispositivo, luego los datos de lectura o escritura.

Cada dispositivo EEPROM normalmente tiene su propio conjunto de instrucciones de código OP asignadas a diferentes funciones. Las operaciones comunes en los dispositivos SPI EEPROM son:

• Escriba habilitación (WRENAL)
• Escribir deshabilitación (WRDI)
• Registro de estado de lectura (RDSR)
• Escriba registro de estado (WRSR)
• Leer datos (READ)
• Escriba datos (WRITE)

Otras operaciones admitidas por algunos dispositivos EEPROM son:

• Programa
• Sector erase
• Chip erase comandos

Dispositivos de bus paralelo

Los dispositivos EEPROM paralelos suelen tener un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones lo suficientemente ancho como para cubrir la memoria completa. La mayoría de los dispositivos tienen pines de selección de chip y protección contra escritura. Algunos microcontroladores también tienen EEPROM paralela integrada.

La operación de una EEPROM paralela es simple y rápida en comparación con la EEPROM en serie, pero estos dispositivos son más grandes debido a la mayor cantidad de pines (28 pines o más) y su popularidad ha ido disminuyendo a favor de la EEPROM en serie o flash.

Otros dispositivos

La memoria EEPROM se utiliza para habilitar funciones en otros tipos de productos que no son estrictamente productos de memoria. Productos como relojes de tiempo real, potenciómetros digitales, sensores de temperatura digitales, entre otros, pueden tener pequeñas cantidades de EEPROM para almacenar información de calibración u otros datos que deben estar disponibles en caso de pérdida de energía. También se usó en cartuchos de videojuegos para guardar el progreso y las configuraciones del juego, antes del uso de memorias flash externas e internas.

Modos de falla

Hay dos limitaciones de la información almacenada: resistencia y retención de datos.

Durante las reescrituras, el óxido de puerta en los transistores de puerta flotante acumula gradualmente electrones atrapados. El campo eléctrico de los electrones atrapados se suma a los electrones en la puerta flotante, lo que reduce la ventana entre los voltajes de umbral para ceros y unos. Después de un número suficiente de ciclos de reescritura, la diferencia se vuelve demasiado pequeña para ser reconocible, la celda se atasca en el estado programado y ocurre una falla de resistencia. Los fabricantes suelen especificar que el número máximo de reescrituras es de 1 millón o más.

Durante el almacenamiento, los electrones inyectados en la compuerta flotante pueden desplazarse a través del aislador, especialmente a mayor temperatura, y causar pérdida de carga, volviendo la celda al estado borrado. Los fabricantes suelen garantizar una retención de datos de 10 años o más.

Tipos relacionados

La memoria flash es una forma posterior de EEPROM. En la industria, existe una convención para reservar el término EEPROM a las memorias borrables por bytes en comparación con las memorias flash borrables por bloques. La EEPROM ocupa más área que la memoria flash para la misma capacidad, porque cada celda generalmente necesita un transistor de lectura, escritura y borrado, mientras que los circuitos de borrado de la memoria flash son compartidos por grandes bloques de celdas (a menudo 512 × 8).

Las nuevas tecnologías de memoria no volátil, como FeRAM y MRAM, están reemplazando lentamente a las EEPROM en algunas aplicaciones, pero se espera que sigan siendo una pequeña fracción del mercado de EEPROM en el futuro previsible.

Comparación con EPROM y EEPROM/flash

La diferencia entre EPROM y EEPROM radica en la forma en que la memoria programa y borra. La EEPROM se puede programar y borrar eléctricamente mediante la emisión de electrones de campo (más comúnmente conocido en la industria como "túnel Fowler-Nordheim").

Las EPROM no se pueden borrar eléctricamente y se programan mediante inyección de portador caliente en la compuerta flotante. El borrado se realiza mediante una fuente de luz ultravioleta, aunque en la práctica muchas EPROM están encapsuladas en plástico que es opaco a la luz ultravioleta, lo que las hace "programables una sola vez".

La mayoría de las memorias flash NOR son de estilo híbrido: la programación se realiza a través de la inyección de portadores calientes y el borrado se realiza a través de túneles Fowler-Nordheim.