Микросхема EPROM

Микросхема EPROM (англ. Erasable Programmable Read-Only Memory, стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство) — это тип полупроводниковой энергонезависимой памяти, которая допускает однократное или многократное программирование (запись данных) пользователем и последующее стирание записанной информации с помощью ультрафиолетового излучения. EPROM относится к классу ПЗУ (ROM) и является историческим предшественником более современных типов перепрограммируемой памяти, таких как EEPROM и флеш-память.

История

Разработка EPROM стала ответом на потребность в энергонезависимой памяти, которую можно было бы перепрограммировать без замены микросхемы. Первые коммерчески доступные ПЗУ были масочными (Mask ROM), их содержимое закладывалось при производстве и не подлежало изменению. В 1967 году израильско-американский инженер Дов Фроман (Dov Frohman), работавший в компании Intel, предложил концепцию ячейки памяти на основе плавающего затвора (floating-gate transistor). В 1971 году Intel представила первую коммерческую микросхему EPROM — Intel 1702, имевшую ёмкость 256 байт (2048 бит). Технология быстро завоевала популярность в разработке микроконтроллеров, компьютерных BIOS и встраиваемых систем, где требовалась возможность обновления прошивки.

В 1970-х — 1980-х годах EPROM были основным типом перепрограммируемой памяти. С развитием технологий в 1990-х годах они были вытеснены более удобными EEPROM (электрически стираемыми) и флеш-памятью, которые не требуют ультрафиолетового облучения и могут перепрограммироваться в системе. Тем не менее, EPROM продолжали использоваться в некоторых промышленных и военных приложениях вплоть до начала 2000-х годов.

Устройство и принцип работы

Ячейка памяти

Основой EPROM является транзистор с плавающим затвором (Floating-Gate Transistor). В отличие от обычного полевого транзистора, у него есть два затвора: управляющий (control gate) и плавающий (floating gate), расположенный между управляющим затвором и каналом. Плавающий затвор изолирован слоем диэлектрика (обычно оксида кремния) и не имеет электрического соединения с другими элементами.

Запись (программирование)

Для записи логического «0» (состояние «запрограммировано») на управляющий затвор подаётся высокое напряжение (обычно 12–25 В). Электроны, проходя через канал, приобретают достаточную энергию, чтобы преодолеть барьер диэлектрика (эффект горячих носителей) и инжектироваться на плавающий затвор. После снятия напряжения эти электроны остаются на плавающем затворе, создавая отрицательный заряд, который увеличивает пороговое напряжение транзистора. При чтении к такому транзистору прикладывается напряжение, меньшее порога, и он не открывается, что соответствует логическому «0». Исходное состояние (логическая «1») соответствует отсутствию заряда на плавающем затворе.

Стирание

Стирание EPROM производится путём облучения кристалла ультрафиолетовым светом с длиной волны около 253,7 нм. Для этого в корпусе микросхемы предусмотрено кварцевое окно, пропускающее УФ-излучение. Фотоны высокой энергии передают электронам плавающего затвора достаточную энергию, чтобы они преодолели изолирующий слой и вернулись в подложку, восстанавливая исходное состояние (логическую «1»). Время стирания составляет от 10 до 30 минут в зависимости от мощности источника УФ-излучения и расстояния до кристалла. После стирания микросхема может быть перепрограммирована заново.

Чтение

При чтении на управляющий затвор подаётся напряжение, меньшее порога для запрограммированной ячейки, но достаточное для открытия незапрограммированной. Схема считывания детектирует ток через транзистор, определяя состояние ячейки. Время доступа к данным в EPROM составляет от 50 до 200 нс, что сопоставимо с быстродействием масочных ПЗУ.

Классификация и типы корпусов

EPROM выпускались в различных корпусах, отличающихся наличием или отсутствием кварцевого окна:

• С окном (Windowed EPROM): корпус с кварцевым окном, позволяющим стирать данные УФ-излучением. Типичные корпуса — керамические DIP (Dual In-line Package) с окном, например, 24- или 28-выводные. Такие микросхемы используются для отладки и прототипирования.
• Без окна (One-Time Programmable, OTP EPROM): пластиковый корпус без окна. После однократного программирования данные не могут быть стёрты. OTP EPROM дешевле и применяются в массовом производстве, где не требуется перепрограммирование.

По ёмкости EPROM выпускались в диапазоне от 256 байт (2 Кбит) до 4 Мбит и выше. Наиболее распространённые серии:

• 1702 (256 байт)
• 2708 (1 Кбайт)
• 2716 (2 Кбайт)
• 2732 (4 Кбайт)
• 2764 (8 Кбайт)
• 27128 (16 Кбайт)
• 27256 (32 Кбайт)
• 27512 (64 Кбайт)
• 27010 (128 Кбайт)
• 27020 (256 Кбайт)
• 27040 (512 Кбайт)

Применение

EPROM широко использовались в следующих областях:

• BIOS и прошивки компьютеров: в ранних персональных компьютерах (IBM PC, Apple II) и встраиваемых системах EPROM содержали базовую систему ввода-вывода (BIOS), загрузчики и микрокод.
• Микроконтроллеры: многие микроконтроллеры (например, Intel 8048, 8051) имели встроенную EPROM-память для хранения программы.
• Игровые приставки и картриджи: в картриджах для приставок (Nintendo Entertainment System, Sega Genesis) использовались масочные ПЗУ, но EPROM применялись для разработки и тестирования.
• Промышленные контроллеры: для хранения программ логических контроллеров (PLC) и настроек.
• Военная и аэрокосмическая техника: EPROM с окном использовались в системах, где требовалась возможность перепрограммирования в полевых условиях.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергонезависимость: данные сохраняются при отключении питания.
• Перепрограммируемость: возможность многократного стирания и записи (до 1000 циклов для типовых микросхем).
• Высокая надёжность: устойчивость к радиации и механическим воздействиям по сравнению с некоторыми другими типами памяти.
• Простота использования: не требуется сложных схем управления для записи.

Недостатки

• Необходимость УФ-стирания: требует специального оборудования (УФ-лампы) и времени (10–30 минут). Невозможно стирание в системе.
• Ограниченное количество циклов перепрограммирования: из-за деградации диэлектрика при инжекции электронов.
• Большие габариты: кварцевое окно увеличивает размер корпуса.
• Высокая стоимость: по сравнению с масочными ПЗУ и более современными типами памяти.
• Ограниченная ёмкость: максимальная ёмкость серийных EPROM редко превышала 4 Мбит.

Сравнение с другими типами памяти

Интересные факты

• Первая EPROM Intel 1702 была изготовлена по технологии p-канальных МОП-транзисторов (PMOS) и требовала трёх напряжений питания: +5 В, -5 В и -9 В.
• Кварцевое окно в корпусе EPROM часто закрывалось наклейкой, чтобы предотвратить случайное стирание под действием солнечного света.
• В 1970-х годах стоимость EPROM была высокой: одна микросхема Intel 2708 ёмкостью 1 Кбайт стоила около 100 долларов США.
• Некоторые производители выпускали EPROM с окном, но без возможности стирания (так называемые «OTP with window»), что позволяло визуально контролировать состояние кристалла.

Источники

• Frohman-Bentchkowsky, D. (1971). «A fully decoded 2048-bit electrically programmable FAMOS read-only memory». IEEE Journal of Solid-State Circuits.
• Intel Corporation. (1971). «Intel 1702A 2048-bit EPROM Data Sheet».
• Microchip Technology. (2001). «EPROM Memory Products Overview».
• Horowitz, P., Hill, W. (1989). «The Art of Electronics». Cambridge University Press.
• Wikipedia. «EPROM».