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Una EPROM (raramente EROM ), o memoria de solo lectura programable y borrable , es un tipo de chip de memoria de solo lectura programable (PROM) que retiene sus datos cuando se apaga la fuente de alimentación. La memoria de la computadora que puede recuperar datos almacenados después de apagar y encender una fuente de alimentación se llama no volátil . Se trata de un conjunto de transistores de puerta flotante programados individualmente mediante un dispositivo electrónico que suministra voltajes superiores a los utilizados normalmente en los circuitos digitales. Una vez programada, una EPROM se puede borrar exponiéndola a una fuerte fuente de luz ultravioleta (UV) (como la de una lámpara de vapor de mercurio ). Las EPROM son fácilmente reconocibles por la ventana transparente de cuarzo fundido (o en modelos posteriores de resina) 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. [2]
El desarrollo de la celda de memoria EPROM comenzó con la investigación de circuitos integrados defectuosos en los que se habían roto las conexiones de puerta de los transistores. La carga almacenada en estas puertas aisladas cambia su voltaje umbral .
Tras la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) por 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, observó el movimiento de una carga a través del óxido hacia una puerta . Si bien no lo persiguió, esta idea se convertiría más tarde en la base de la tecnología EPROM. [3]
En 1967, Dawon Kahng y Simon Min Sze de Bell Labs propusieron que la puerta flotante de un MOSFET podría usarse para la celda de una ROM (memoria de solo lectura) reprogramable. [4] Sobre la base de este concepto, Dov Frohman de Intel inventó la EPROM en 1971, [4] y recibió la patente estadounidense 3.660.819 en 1972. Frohman diseñó el Intel 1702, una EPROM de 2048 bits, que fue anunciada por Intel en 1971. [ 4]
Cada ubicación de almacenamiento de una EPROM consta de un único 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 otra capa gruesa de óxido sobre el electrodo de compuerta. El electrodo de compuerta flotante no tiene conexiones con otras partes del circuito integrado y está completamente aislado por las capas de óxido circundantes. Se deposita un electrodo de compuerta de control y lo cubre más óxido. [5]
Para recuperar datos de la EPROM, la dirección representada por los valores en los pines de dirección de la EPROM se decodifica y se utiliza para conectar una palabra (generalmente un byte de 8 bits) de almacenamiento a los amplificadores del 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.
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 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 determinada y aplicar un voltaje más alto a los transistores. Esto crea una descarga de avalancha de electrones, que tienen suficiente energía para atravesar 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. [6] Debido al alto valor de aislamiento del óxido de silicio que rodea la puerta, la carga almacenada no puede filtrarse 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 al 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 lleva varios minutos para lámparas UV de tamaños convenientes; la luz del sol borraría un chip en semanas y la iluminación fluorescente interior en varios años. [7] Generalmente, las EPROM deben retirarse del equipo que se va a borrar, ya que normalmente no es práctico incorporar una lámpara UV para borrar piezas en el circuito. La memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) se desarrolló para proporcionar una función de borrado eléctrico y ahora ha desplazado en su mayor parte las piezas borradas por rayos ultravioleta.
Como la ventana de cuarzo es costosa de fabricar, se introdujeron 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 el costo. Se fabrican versiones OTP tanto de EPROM como de microcontroladores basados en EPROM. Sin embargo, la OTP EPROM (ya sea separada o parte de un chip más grande) está siendo reemplazada 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 conserva sus datos durante un mínimo de diez a veinte años, [8] y muchas aún conservan los 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 UV que se encuentran en la luz solar o los flashes de las cámaras. Los chips BIOS de PC antiguos solían ser 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 copyright. A menudo, esta etiqueta tenía un respaldo 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 una habitación puede provocar el borrado. El procedimiento de borrado recomendado es la exposición a luz ultravioleta a 253,7 nm de al menos 15 Ws/cm 2 , que normalmente se logra en 20 a 30 minutos con la lámpara a una distancia de aproximadamente 2,5 cm. [9]
El borrado también se puede lograr con rayos X :
Sin embargo, el borrado debe realizarse mediante métodos no eléctricos, ya que el electrodo de puerta no es accesible eléctricamente. Al iluminar con luz ultravioleta cualquier parte de un dispositivo sin empaquetar, una fotocorriente fluye desde la puerta flotante de regreso al sustrato de silicio, descargando así la puerta a su condición inicial sin carga ( efecto fotoeléctrico ). Este método de borrado permite realizar pruebas y correcciones completas de una matriz de memoria compleja antes de sellar finalmente el paquete. Una vez sellado el paquete, la información aún se puede borrar exponiéndolo a radiación X superior a 5*10 4 rads , [a] una dosis que se logra fácilmente con generadores de rayos X comerciales. [10]
En otras palabras, para borrar su EPROM, primero tendría que someterla a rayos X y luego colocarla en un horno a unos 600 grados Celsius (para templar las alteraciones de los semiconductores causadas por los rayos X). Los efectos de este proceso sobre la confiabilidad de la pieza habrían requerido pruebas exhaustivas, por lo que se decidieron por la ventana. [11]
Las EPROM tienen una cantidad limitada 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 EPROM es lenta en comparación con otras formas de memoria. Debido a que las piezas 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 impedir que se borren algunas celdas. [12]
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, su realización requiere muchas semanas de tiempo de espera, ya que la obra de arte o el diseño en una capa de máscara IC o fotomáscara deben 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 en pequeño volumen era económica con piezas EPROM, particularmente cuando se consideraba la ventaja de las rápidas actualizaciones del firmware.
Algunos microcontroladores , anteriores a la era de las EEPROM y la memoria flash , utilizan una EPROM en el chip para almacenar su programa. Dichos microcontroladores incluyen algunas versiones del Intel 8048 , el Freescale 68HC11 y las versiones "C" del microcontrolador PIC . Al igual que los chips EPROM, estos microcontroladores venían en versiones con ventana (caras) que se utilizaban para la depuración y el desarrollo de programas. El mismo chip vino en paquetes OTP opacos (algo más baratos) para producción. Dejar la matriz de dicho chip expuesta a la luz también puede cambiar el comportamiento de maneras inesperadas al pasar de una pieza con ventana utilizada para el desarrollo a una pieza sin ventana para la producción.
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. [13] [14]
Los dispositivos 2704/2708 de segunda generación cambiaron a la tecnología n-MOS y a una fuente de alimentación de tres carriles V CC = +5 V, V BB = -5 V, V DD = +12 V con V PP = 12 V y +25 Pulso V en modo Programación.
La evolución de la tecnología n-MOS introdujo una fuente de alimentación de carril único V CC = +5 V y una tensión de programación única V PP = +25 V [15] sin pulso en la tercera generación. Los pines V BB y V DD innecesarios se reutilizaron para bits de dirección adicionales, lo que permitió capacidades mayores (2716/2732) en el mismo paquete de 24 pines, e incluso capacidades mayores con paquetes más grandes. Posteriormente, el coste reducido de la tecnología CMOS permitió fabricar los mismos dispositivos usándola, añadiendo 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 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 llevó a que los dispositivos de mayor capacidad introdujeran un "modo de firma", que permitía al programador EPROM identificar 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 de programación también permitiría la configuración manual del fabricante y el tipo de dispositivo del chip para garantizar una programación adecuada. [dieciséis]
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