La EEPROM o E2PROM ( memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente ) es un tipo de memoria no volátil . Se utiliza en ordenadores, normalmente integrada en microcontroladores como tarjetas inteligentes y sistemas remotos sin llave , o como un dispositivo chip independiente, para almacenar cantidades relativamente pequeñas de datos al permitir borrar y reprogramar bytes individuales.
Las EEPROM están organizadas como matrices de transistores de compuerta flotante . Las EEPROM se pueden programar y borrar en el circuito, mediante la aplicación de 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 página de varios bytes. Una EEPROM tiene una vida útil limitada para el borrado y la reprogramación, 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 de 512 bytes o más) y un número limitado de ciclos de escritura (a menudo 10.000). No hay un límite claro que divida las dos, 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 ambas (memoria flash para el firmware y una pequeña EEPROM para los parámetros), aunque la tendencia con los microcontroladores modernos es emular la EEPROM utilizando 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 en 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, Yasuo Tarui, Yutaka Hayashi y Kiyoko Nagai presentaron sus primeras investigaciones en la 3.ª Conferencia sobre dispositivos de estado sólido celebrada en Tokio ( Japón ) en el Laboratorio electrotécnico , un instituto de investigación nacional japonés. [3] Fabricaron una memoria no volátil reprogramable eléctricamente en 1972, [4] [5] [6] y continuaron este estudio durante más de 10 años. [7] Sin embargo, esta primera memoria dependía de condensadores para funcionar, [4] de los que carece la EEPROM moderna.
En 1972, IBM patentó una invención de memoria no volátil reprogramable eléctricamente. [8] Más tarde ese año, Fujio Masuoka , el inventor de la memoria flash , patentó un MOS de tipo inyección de avalancha en Toshiba [9] e IBM patentó otro más tarde ese año. [10]
En 1974, NEC patentó un dispositivo de inyección de portadores borrable eléctricamente. [11] Al año siguiente, NEC solicitó la marca registrada "EEPROM®" ante la Oficina de Patentes de Japón. La marca registrada fue concedida en 1978. [12] [13]
La base teórica de estos dispositivos es la inyección de portadores calientes por avalancha . En general, las memorias programables, incluidas las EPROM, de principios de los años 1970 presentaban problemas de fiabilidad y durabilidad, como los periodos de retención de datos y el número de ciclos de borrado/escritura. [14]
La mayoría de los principales fabricantes de semiconductores, como Toshiba , [9] [5] Sanyo (más tarde, ON Semiconductor ), [15] IBM , [16] Intel , [17] [18] NEC (más tarde, Renesas Electronics ), [19] Philips (más tarde, NXP Semiconductors ), [20] Siemens (más tarde, Infineon Technologies ), [21] Honeywell (más tarde, Atmel ), [22] Texas Instruments , [23] estudiaron, inventaron y fabricaron algunos dispositivos no volátiles reprogramables eléctricamente hasta 1977.
La primera EEPROM que utilizó el método de tunelización Fowler-Nordheim para borrar datos fue inventada por Bernward y patentada por Siemens en 1974. [24] En febrero de 1977, el israelí-estadounidense Eliyahou Harari de la Hughes Aircraft Company patentó en los EE. UU. una tecnología EEPROM moderna, basada en el método de tunelización 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]
En mayo de 1977, Fairchild y Siemens dieron a conocer un importante resultado de investigación . Utilizaron la estructura SONOS ( polisilicio - oxinitruro - nitruro - óxido - silicio ) con un espesor de dióxido de silicio inferior a 30 Å y la estructura SIMOS ( MOS de inyección de compuerta apilada ), respectivamente, para utilizar la inyección de portadores calientes mediante túnel Fowler-Nordheim . [26] [27]
Entre 1976 y 1978, el equipo de Intel, incluido George Perlegos , realizó algunas invenciones para mejorar esta tecnología de tunelización E 2 PROM. [28] [29] En 1978, desarrollaron un chip Intel 2816 de 16K (2K palabras × 8) bits con una fina capa de dióxido de silicio , que era inferior a 200 Å . [30] En 1980, esta estructura se presentó públicamente como FLOTOX ; túnel de óxido de puerta flotante . [31] La estructura FLOTOX mejoró la fiabilidad de los ciclos de borrado/escritura por byte hasta 10.000 veces. [32] Pero este dispositivo requería un suministro de tensión de polarización adicional de 20–22 V V PP para el borrado de bytes, excepto para las operaciones de lectura de 5 V. [33] : 5–86 En 1981, Perlegos y otros dos miembros dejaron Intel para formar Seeq Technology , [34] que utilizaba bombas de carga en el dispositivo para suministrar los altos voltajes necesarios para programar las PROM E 2. En 1984, Perlogos dejó Seeq Technology para fundar Atmel , luego Seeq Technology fue adquirida por Atmel. [35] [36]
La memoria de solo lectura eléctricamente modificable (EAROM) es un tipo de EEPROM que se puede modificar uno o unos pocos bits a la vez. [37] 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. Las EAROM están diseñadas para aplicaciones que requieren una reescritura poco frecuente y solo parcial.
Como se describe en la sección anterior, las EEPROM antiguas se basan en la inyección de portadores calientes basada en ruptura por avalancha con alto voltaje de ruptura inversa . Pero la base teórica de FLOTOX es la inyección de portadores calientes mediante túnel de Fowler-Nordheim a través de una fina capa de dióxido de silicio entre la compuerta flotante y la oblea. En otras palabras, utiliza una unión túnel . [38]
La base teórica del fenómeno físico en sí es la misma que la de la memoria flash actual , pero cada estructura FLOTOX está en conjunción con otro transistor de control de lectura porque la propia compuerta flotante simplemente programa y borra un bit de datos. [39]
La estructura del dispositivo FLOTOX de Intel mejoró la confiabilidad de la EEPROM, es decir, la resistencia de los ciclos de escritura y borrado y el período de retención de datos. Hay disponible un material de estudio sobre el efecto de un solo evento sobre FLOTOX. [40]
Hoy en día, se puede encontrar una explicación académica de la estructura del dispositivo FLOTOX en varias fuentes. [41] [42] [43]
En la actualidad, la EEPROM se utiliza para microcontroladores integrados , así como para productos EEPROM estándar. La 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. [44]
Debido a que la tecnología EEPROM se utiliza 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 copia. [44] [45]
Los dispositivos EEPROM utilizan una interfaz serial o paralela para la entrada/salida de datos.
Las interfaces seriales más comunes son SPI , I²C , Microwire , UNI/O y 1-Wire . Estas utilizan de 1 a 4 pines de dispositivo y permiten que los dispositivos utilicen 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 serial del dispositivo EEPROM (o con la mayoría de los dispositivos I²C, es implícito); seguido de 8 a 24 bits de direccionamiento, según la profundidad del dispositivo, y 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 EEPROM SPI son:
Otras operaciones admitidas por algunos dispositivos EEPROM son:
Los dispositivos con EEPROM paralela suelen tener un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones lo suficientemente amplio como para cubrir toda la memoria. La mayoría de los dispositivos tienen pines de selección de chip y de protección contra escritura. Algunos microcontroladores también tienen EEPROM paralela integrada.
El funcionamiento de una EEPROM paralela es simple y rápido en comparación con una EEPROM serial, pero estos dispositivos son más grandes debido al mayor número de pines (28 pines o más) y su popularidad ha ido disminuyendo en favor de la EEPROM serial o flash.
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 utilizaba en cartuchos de videojuegos para guardar el progreso y las configuraciones del juego, antes del uso de memorias flash externas e internas.
Existen dos limitaciones de la información almacenada: la durabilidad y la retención de datos.
Durante las reescrituras, el óxido de la compuerta en los transistores de compuerta flotante acumula gradualmente electrones atrapados. El campo eléctrico de los electrones atrapados se suma a los electrones en la compuerta flotante, lo que reduce la ventana entre los voltajes de umbral para ceros y unos. Después de una cantidad suficiente de ciclos de reescritura, la diferencia se vuelve demasiado pequeña para ser reconocible, la celda se queda atascada en el estado programado y se produce una falla de resistencia. Los fabricantes generalmente especifican que la cantidad máxima de reescrituras es de 1 millón o más. [46]
Durante el almacenamiento, los electrones inyectados en la compuerta flotante pueden desplazarse a través del aislante, especialmente a temperaturas elevadas, y provocar una pérdida de carga, con lo que la celda vuelve a su estado de borrado. Los fabricantes suelen garantizar la conservación de los datos durante 10 años o más. [47]
La memoria flash es una forma posterior de EEPROM. En la industria, existe una convención para reservar el término EEPROM para memorias borrables byte a byte en comparación con memorias flash borrables bloque a bloque. La EEPROM ocupa más área de chip que la memoria flash para la misma capacidad, porque cada celda generalmente necesita un transistor de lectura, uno de escritura y uno de borrado , mientras que los circuitos de borrado de la memoria flash son compartidos por grandes bloques de celdas (a menudo 512×8).
Las tecnologías de memoria no volátil más nuevas, 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 se programa y borra. La EEPROM se puede programar y borrar eléctricamente mediante emisión de electrones de campo (más comúnmente conocida en la industria como "tunelización de Fowler-Nordheim").
Las EPROM no se pueden borrar eléctricamente y se programan mediante la inyección de un 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 portadora activa y el borrado se realiza mediante tunelización de Fowler-Nordheim .
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )El 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 compuerta de polisilicio flotante y la región N+ como se muestra en la Figura 1.