EEPROM o E 2 PROM ( memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente ) es un tipo de memoria no volátil . Se utiliza en computadoras, generalmente integrado 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 borrar y reprogramar bytes individuales.
Las EEPROM están organizadas como conjuntos de transistores de puerta flotante . Las EEPROM se pueden programar y borrar en el circuito aplicando señales de programación especiales. Originalmente, las EEPROM estaban limitadas a operaciones de un solo byte, lo que las hacía más lentas, pero las EEPROM modernas permiten operaciones de páginas de varios bytes. Una EEPROM tiene una vida limitada para borrar y reprogramar, llegando 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 un número limitado de ciclos de escritura (a menudo 10.000). No existe un límite claro que los separe, pero el término "EEPROM" se utiliza generalmente para describir la memoria no volátil con pequeños bloques de borrado (tan pequeños como un byte) y una larga vida útil (normalmente 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 de 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 utilizan en aplicaciones que solo requieren pequeñas cantidades de almacenamiento, como la detección de presencia en serie . [1] [2]
A principios de la década de 1970, varias empresas y organizaciones realizaron algunos estudios, invenciones y desarrollos de memorias no volátiles reprogramables eléctricamente . En 1971, el primer informe de investigación fue presentado en la Tercera Conferencia sobre Dispositivos de Estado Sólido , celebrada en Tokio , Japón, por Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Nagai en el Laboratorio Electrotécnico ; un instituto nacional de investigación japonés. [3] Fabricaron un dispositivo EEPROM en 1972, [ 4] y continuaron este estudio durante más de 10 años. [5] Estos artículos han sido citados repetidamente en artículos y patentes posteriores. [6] [7]
Uno de sus estudios de investigación incluye la tecnología MONOS ( óxido de metal - nitruro -óxido- semiconductor ), [8] que utilizaba la memoria flash de Renesas Electronics integrada en microcontroladores de un solo chip . [9] [10] [11]
En 1972, Fujio Masuoka , de Toshiba, también conocido como el inventor de la memoria flash , inventó un tipo de memoria no volátil reprogramable eléctricamente . [12] La mayoría de los principales fabricantes de semiconductores, como Toshiba , [12] [6] Sanyo (más tarde, ON Semiconductor ), [13] IBM , [14] Intel , [15] [16] NEC (más tarde, Renesas Electronics ), [17] Philips (más tarde, NXP Semiconductors ), [18] Siemens (más tarde, Infineon Technologies ), [19] Honeywell (más tarde, Atmel ), [20] Texas Instruments , [21] estudió, inventó y fabricó algunos dispositivos no volátiles reprogramables eléctricamente 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 el número de ciclos de borrado/escritura. [22]
En 1975, la unidad de operaciones de semiconductores de NEC , más tarde NEC Electronics, actualmente Renesas Electronics , aplicó el nombre comercial EEPROM® a la Oficina de Patentes de Japón . [23] [24] En 1978, este derecho de marca se otorga y registra con el número 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 un túnel de Fowler-Nordheim a través de una fina capa de dióxido de silicio entre la compuerta flotante y la oblea . Hughes pasó a producir estos nuevos dispositivos EEPROM. [25] Sin embargo, esta patente [26] citaba la contribución de IBM a la tecnología EEPROM y la invención EEPROM® de NEC. [27] [17]
En mayo de 1977, Fairchild y Siemens dieron a conocer algunos resultados importantes de una 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 ( inyección de compuerta apilada MOS ), respectivamente, para utilizar la inyección de portador caliente mediante túneles de Fowler-Nordheim . [28] [29]
Alrededor de 1976 a 1978, el equipo de Intel, incluido George Perlegos , hizo algunos inventos para mejorar esta tecnología de túnel E 2 PROM. [30] [31] 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 . [32] En 1980, esta estructura se presentó públicamente como FOTOX ; Óxido de túnel de puerta flotante . [33] La estructura FLOTOX mejoró la confiabilidad de los ciclos de borrado/escritura por byte hasta 10.000 veces. [34] Pero este dispositivo requirió un suministro adicional de voltaje de polarización PP de 20–22 V V para el borrado de bytes, excepto para operaciones de lectura de 5 V. [35] : 5–86 En 1981, Perlegos y otros 2 miembros dejaron Intel para formar Seeq Technology , [36] que utilizaba bombas de carga en el dispositivo para suministrar los altos voltajes necesarios para programar E 2 PROM. En 1984, Perlogos dejó Seeq Technology para fundar Atmel , luego Atmel adquirió Seeq Technology. [37] [38]
La memoria de sólo lectura modificable eléctricamente (EAROM) es un tipo de EEPROM que se puede modificar uno o varios bits a la vez. [39] La escritura es un proceso muy lento y nuevamente necesita un voltaje más alto (generalmente alrededor de 12 V ) que el que se usa para el acceso de lectura. Los EAROM están destinados a aplicaciones que requieren una reescritura poco frecuente y sólo parcial.
Como se describe en la sección anterior, las EEPROM antiguas se basan en una inyección de portador caliente basada en ruptura de avalancha con alto voltaje de ruptura inversa . Pero la base teórica de FLOTOX es la inyección de portador caliente mediante túneles de Fowler-Nordheim a través de una fina capa de dióxido de silicio entre la compuerta flotante y la oblea. Es decir, utiliza un cruce de túneles . [40]
La base teórica del fenómeno físico en sí es la misma que la de la memoria flash actual . Pero cada estructura FLOTOX está en conjunto con otro transistor de control de lectura porque la puerta flotante en sí solo está programando y borrando un bit de datos. [41]
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. Está disponible un material de estudio para el efecto de un solo evento sobre FLOTOX. [42]
Hoy en día, se puede encontrar una explicación académica detallada de la estructura del dispositivo FLOTOX en varios materiales. [43] [44] [45]
Hoy en día, EEPROM se utiliza para microcontroladores integrados , así como para productos EEPROM estándar. La EEPROM todavía 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. [46]
Debido a que la tecnología EEPROM se utiliza para algunos dispositivos de seguridad, como tarjetas de crédito, tarjetas SIM, entradas sin llave, etc., algunos dispositivos tienen mecanismos de protección de seguridad, como protección contra copia. [46] [47]
Los dispositivos EEPROM utilizan una interfaz serie o paralela para la entrada/salida de datos.
Las interfaces serie comunes son SPI , I²C , Microwire , UNI/O y 1-Wire . Estos utilizan de 1 a 4 pines de dispositivo y permiten que los dispositivos utilicen paquetes con 8 pines o menos.
Un protocolo serie EEPROM típico consta de tres fases: fase de código OP , fase de dirección y fase de datos. El código OP suele ser los primeros 8 bits ingresados 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 dispositivos SPI EEPROM son:
Otras operaciones soportadas por algunos dispositivos EEPROM son:
Los dispositivos EEPROM paralelos suelen tener un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones lo suficientemente ancho como para cubrir toda la memoria. La mayoría de los dispositivos tienen pines de selección de chip y protección contra escritura. Algunos microcontroladores también tienen EEPROM paralela integrada.
El funcionamiento de una EEPROM paralela es simple y rápido en comparación con la EEPROM en serie, pero estos dispositivos son más grandes debido al mayor número de pines (28 pines o más) y su popularidad ha ido disminuyendo a favor de la EEPROM en serie o la memoria flash.
La memoria EEPROM se utiliza para habilitar funciones en otros tipos de productos que no son estrictamente productos de memoria. Productos como relojes en 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 deban estar disponibles en caso de un corte de energía. También se utilizó en cartuchos de videojuegos para guardar el progreso y las configuraciones del juego, antes del uso de memorias flash externas e internas.
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 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 queda atascada en el estado programado y se produce una falla de resistencia. Los fabricantes suelen especificar que el número máximo de reescrituras es 1 millón o más. [48]
Durante el almacenamiento, los electrones inyectados en la compuerta flotante pueden atravesar el aislante, especialmente a temperaturas elevadas, y provocar una pérdida de carga, lo que revierte la celda al estado borrado. Los fabricantes suelen garantizar una retención de datos de 10 años o más. [49]
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 de matriz 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.
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 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 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 mediante inyección de portador caliente y el borrado se realiza mediante túneles de Fowler-Nordheim .
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )Intel 2816 utiliza la estructura FLOTOX, que se ha analizado en detalle en la literatura. Básicamente, utiliza un óxido de menos de 200 A de espesor entre la puerta flotante de polisilicio y la región N+, como se muestra en la Figura 1.