EPROM

Un EPROM: los instrumentos de Texas TMS27C040, un chip CMOS con 4 megabits de almacenamiento y salida de 8 bits (que se muestra aquí en un paquete de cerámica dual en línea de 600 millas). El TMS27C040 funciona a 5 voltios, pero debe programarse a 13 voltios

Una EPROM (raramente EROM), o memoria de solo lectura programable borrable, es un tipo de memoria de solo lectura programable (PROM) chip que retiene sus datos cuando se apaga su fuente de alimentación. La memoria de la computadora que puede recuperar datos almacenados después de que se apaga y se vuelve a encender una fuente de alimentación se denomina no volátil. Es una matriz de transistores de puerta flotante programados individualmente por un dispositivo electrónico que suministra voltajes más altos que los que normalmente se usan en los circuitos digitales. Una vez programada, una EPROM se puede borrar exponiéndola a una fuerte fuente de luz ultravioleta (como la de una lámpara de vapor de mercurio). Las EPROM se reconocen fácilmente por la ventana transparente de cuarzo fundido (o resina en modelos posteriores) en la parte superior del paquete, a través de la cual se ve el chip de silicio y que permite la exposición a la luz ultravioleta durante el borrado.

Operación

Un EPROM Intel 1702A, uno de los primeros tipos de EPROM (1971), 256 por 8 bits. La pequeña ventana de cuarzo admite luz UV para borrar

El desarrollo de la celda de memoria EPROM comenzó con la investigación de circuitos integrados defectuosos donde se habían roto las conexiones de puerta de los transistores. La carga almacenada en estas puertas aisladas cambia su voltaje de umbral.

Tras la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal) por parte de Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs, presentado en 1960, Frank Wanlass estudió las estructuras MOSFET a principios de la década de 1960. En 1963, notó el movimiento de carga a través del óxido hacia una puerta. Si bien no la persiguió, esta idea se convertiría más tarde en la base de la tecnología EPROM.

En 1967, Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs propusieron que la compuerta flotante de un MOSFET podría usarse para la celda de una ROM reprogramable (memoria de solo lectura). Basándose en este concepto, Dov Frohman de Intel inventó la EPROM en 1971 y recibió U.S. Patente 3.660.819 en 1972. Frohman diseñó Intel 1702, una EPROM de 2048 bits, que fue anunciada por Intel en 1971.

Cada ubicación de almacenamiento de una EPROM consta de un solo transistor de efecto de campo. Cada transistor de efecto de campo consta de un canal en el cuerpo semiconductor del dispositivo. Los contactos de fuente y drenaje se realizan en regiones al final del canal. Se hace crecer una capa aislante de óxido sobre el canal, luego se deposita un electrodo de compuerta conductor (silicio o aluminio) y se deposita una capa más gruesa de óxido sobre el electrodo de compuerta. El electrodo de puerta flotante no tiene conexiones con otras partes del circuito integrado y está completamente aislado por las capas de óxido que lo rodean. Se deposita un electrodo de puerta de control y más óxido lo cubre.

Para recuperar datos de la EPROM, la dirección representada por los valores en los pines de dirección de la EPROM se decodifica y se usa para conectar una palabra (generalmente un byte de 8 bits) de almacenamiento a los amplificadores de búfer de salida. Cada bit de la palabra es un 1 o un 0, dependiendo de si el transistor de almacenamiento está encendido o apagado, conductor o no conductor.

Una sección transversal de un transistor de puerta flotante

El estado de conmutación del transistor de efecto de campo está controlado por el voltaje en la puerta de control del transistor. La presencia de un voltaje en esta puerta crea un canal conductor en el transistor, encendiéndolo. En efecto, la carga almacenada en la puerta flotante permite programar el voltaje umbral del transistor.

Almacenar datos en la memoria requiere seleccionar una dirección dada y aplicar un voltaje más alto a los transistores. Esto crea una descarga de avalancha de electrones, que tienen suficiente energía para pasar a través de la capa de óxido aislante y acumularse en el electrodo de puerta. Cuando se elimina el alto voltaje, los electrones quedan atrapados en el electrodo. Debido al alto valor de aislamiento del óxido de silicio que rodea la puerta, la carga almacenada no puede escaparse fácilmente y los datos pueden conservarse durante décadas.

El proceso de programación no es eléctricamente reversible. Para borrar los datos almacenados en la matriz de transistores, se dirige luz ultravioleta sobre el troquel. Los fotones de la luz ultravioleta provocan la ionización dentro del óxido de silicio, lo que permite que se disipe la carga almacenada en la puerta flotante. Dado que toda la matriz de memoria está expuesta, toda la memoria se borra al mismo tiempo. El proceso toma varios minutos para lámparas UV de tamaños convenientes; la luz del sol borraría un chip en semanas y la iluminación interior fluorescente durante varios años. En general, las EPROM deben retirarse del equipo para borrarlas, ya que no suele ser práctico incorporar una lámpara UV para borrar partes en el circuito. La memoria de solo lectura programable borrable eléctricamente (EEPROM) se desarrolló para proporcionar una función de borrado eléctrico y ahora ha desplazado principalmente a las partes borradas por ultravioleta.

Detalles

Atmel AT27C010 - un EPROM OTP

Como la ventana de cuarzo es costosa de fabricar, se introdujeron los chips OTP (programables una sola vez); aquí, el troquel está montado en un paquete opaco para que no se pueda borrar después de la programación; esto también elimina la necesidad de probar la función de borrado, lo que reduce aún más los costos. Se fabrican versiones OTP de EPROM y microcontroladores basados en EPROM. Sin embargo, la EPROM OTP (ya sea por separado o como parte de un chip más grande) se reemplaza cada vez más por EEPROM para tamaños pequeños, donde el costo de la celda no es demasiado importante, y flash para tamaños más grandes.

Una EPROM programada retiene sus datos durante un mínimo de diez a veinte años, y muchas aún retienen datos después de 35 años o más, y se puede leer un número ilimitado de veces sin afectar la vida útil. La ventana de borrado debe mantenerse cubierta con una etiqueta opaca para evitar el borrado accidental por los rayos ultravioleta que se encuentran en la luz del sol o los flashes de las cámaras. Los chips de BIOS de PC antiguos a menudo eran EPROM, y la ventana de borrado a menudo estaba cubierta con una etiqueta adhesiva que contenía el nombre del editor del BIOS, la revisión del BIOS y un aviso de derechos de autor. A menudo, esta etiqueta tenía un reverso de aluminio para garantizar su opacidad a los rayos UV.

El borrado de la EPROM comienza a ocurrir con longitudes de onda inferiores a 400 nm. El tiempo de exposición a la luz solar de una semana o tres años para la iluminación fluorescente de la habitación puede causar el borrado. El procedimiento de borrado recomendado es la exposición a la luz ultravioleta a 253,7 nm de al menos 15 Ws/cm², que suele lograrse en 20 a 30 minutos con la lámpara a una distancia de unos 2,5 cm.

El borrado también se puede lograr con rayos X:

Sin embargo, la eliminación debe ser realizada por métodos no eléctricos, ya que el electrodo de la puerta no es accesible eléctricamente. La luz ultravioleta brillante en cualquier parte de un dispositivo sin empaquetar hace que una fotocorriente fluya de la puerta flotante de regreso al sustrato de silicio, descargando así la puerta a su condición inicial y sin carga (efecto fototoeléctrico). Este método de borrado permite la prueba completa y corrección de un complejo conjunto de memoria antes de que el paquete sea finalmente sellado. Una vez sellado el paquete, la información todavía se puede borrar exponiendo a la radiación X en exceso de 5*10⁴ rads, una dosis que se alcanza fácilmente con generadores de rayos X comerciales.

En otras palabras, para borrar su EPROM, primero tendría que Rayarlo y luego ponerlo en un horno a unos 600 grados Celsius (a alteraciones de semiconductores anales causadas por los rayos X). Los efectos de este proceso en la confiabilidad de la parte habrían requerido pruebas extensas por lo que decidieron en la ventana en su lugar.

Las EPROM tienen un número limitado pero grande de ciclos de borrado; el dióxido de silicio alrededor de las puertas acumula daños en cada ciclo, lo que hace que el chip no sea confiable después de varios miles de ciclos. La programación de EPROM es lenta en comparación con otras formas de memoria. Debido a que las partes de mayor densidad tienen poco óxido expuesto entre las capas de interconexiones y la puerta, el borrado ultravioleta se vuelve menos práctico para memorias muy grandes. Incluso el polvo dentro del paquete puede evitar que se borren algunas celdas.

Solicitud

Para grandes volúmenes de piezas (miles de piezas o más), las ROM programadas con máscara son los dispositivos de menor costo de producción. Sin embargo, estos requieren muchas semanas de tiempo de preparación, ya que el diseño de una capa de máscara IC debe modificarse para almacenar datos en las ROM. Inicialmente, se pensó que la EPROM sería demasiado costosa para su uso en producción en masa y que se limitaría únicamente al desarrollo. Pronto se descubrió que la producción de pequeño volumen era económica con piezas EPROM, particularmente cuando se consideraba la ventaja de las actualizaciones rápidas del firmware.

Algunos microcontroladores, anteriores a la era de las EEPROM y la memoria flash, utilizan una EPROM integrada en el chip para almacenar su programa. Dichos microcontroladores incluyen algunas versiones de Intel 8048, Freescale 68HC11 y "C" versiones del microcontrolador PIC. Al igual que los chips EPROM, estos microcontroladores venían en versiones con ventanas (costosas) que se usaban para la depuración y el desarrollo de programas. El mismo chip venía en paquetes OTP opacos (algo más baratos) para la producción. Dejar el troquel de un chip de este tipo expuesto a la luz también puede cambiar el comportamiento de formas inesperadas cuando se pasa de una pieza con ventana utilizada para el desarrollo a una pieza sin ventana para la producción.

Generaciones, tamaños y tipos de EPROM

Los dispositivos 1702 de primera generación se fabricaron con la tecnología p-MOS. Fueron alimentados con V_CC = V_BB = +5 V y V_DD = V_GG = -9 V en modo Lectura, y con V_DD = V_GG = -47 V en modo Programación.

Los dispositivos 2704/2708 de segunda generación cambiaron a tecnología n-MOS y a tres rieles V_CC = +5 V, V_BB = -5 V, V _DD = +12 V de alimentación con V_PP = 12 V y un pulso de +25 V en modo Programación.

La evolución de la tecnología n-MOS introdujo una fuente de alimentación de riel único V_CC = +5 V y un solo V_PP = voltaje de programación de +25 V sin pulso en el tercero generación. Los pines V_BB y V_DD innecesarios se reutilizaron para bits de dirección adicionales que permitieron capacidades más grandes (2716/2732) en el mismo paquete de 24 pines, e incluso capacidades más grandes con paquetes Más tarde, la disminución del costo de la tecnología CMOS permitió que se fabricaran los mismos dispositivos con ella, agregando la letra "C" a los números de dispositivo (27xx(x) son n-MOS y 27Cxx(x) son CMOS).

Si bien las piezas del mismo tamaño de diferentes fabricantes son compatibles en el modo de lectura, diferentes fabricantes agregaron modos de programación diferentes y, a veces, múltiples, lo que generó diferencias sutiles en el proceso de programación. Esto hizo que los dispositivos de mayor capacidad introdujeran un "modo de firma", lo que permitía que el programador de EPROM identificara al fabricante y al dispositivo. Se implementó forzando +12 V en el pin A9 y leyendo dos bytes de datos. Sin embargo, como esto no era universal, el software del programador también permitiría la configuración manual del fabricante y el tipo de dispositivo del chip para garantizar una programación adecuada.

Galería

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  EPROM de 32 KB (256 Kbit)

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  Esta 8749 Microcontroller almacena su programa en EPROM interno

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  NEC 02716, 16 KBit EPROM