Memoria EPROM

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 computadora que puede recuperar datos almacenados después de que se haya apagado y encendido una fuente de alimentación se llama no volátil . Es un conjunto de transistores de compuerta flotante programados individualmente por un dispositivo electrónico que suministra voltajes más altos que los que se usan normalmente en circuitos digitales. Una vez programada, una EPROM se puede borrar exponiéndola a una fuente de luz ultravioleta (UV) fuerte (como una lámpara de vapor de mercurio ). Las EPROM son fácilmente reconocibles por la ventana de cuarzo fundido transparente (o resina en los 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. ^[2] Fue inventada por Dov Frohman en 1971. ^[3]

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 las puertas de los transistores. La carga almacenada en estas puertas aisladas cambia su voltaje umbral .

En 1957, Frosch y Derick lograron fabricar los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio en Bell Labs , los primeros transistores en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la superficie. ^[4] Tras la invención del MOSFET en Bell Labs, Frank Wanlass estudió las estructuras de los MOSFET a principios de los años 1960. En 1963, observó el movimiento de carga a través del óxido sobre una compuerta . Si bien no lo persiguió, esta idea se convertiría más tarde en la base de la tecnología EPROM. ^[5]

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 reprogramable (memoria de solo lectura). ^[3] Basándose en este concepto, Dov Frohman de Intel inventó la EPROM en 1971, ^[3] y recibió la patente estadounidense 3.660.819 en 1972. Frohman diseñó la Intel 1702, una EPROM de 2048 bits, que fue anunciada por Intel en 1971. ^[3]

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 las regiones al final del canal. Se forma 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 más óxido lo cubre. ^[6]

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 (normalmente 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, si es conductor o no conductor.

El estado de conmutación del transistor de efecto de campo se controla mediante la tensión en la compuerta de control del transistor. La presencia de una tensión en esta compuerta crea un canal conductor en el transistor, que lo activa. En efecto, la carga almacenada en la compuerta flotante permite programar la tensión umbral del transistor.

Para almacenar datos en la memoria es necesario 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 la compuerta. Cuando se elimina el alto voltaje, los electrones quedan atrapados en el electrodo. ^[7] Debido al alto valor de aislamiento del óxido de silicio que rodea la compuerta, 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 chip . Los fotones de la luz ultravioleta provocan ionización dentro del óxido de silicio, lo que permite que la carga almacenada en la compuerta flotante se disipe. Dado que toda la matriz de memoria está expuesta, toda la memoria se borra al mismo tiempo. El proceso tarda varios minutos para lámparas UV de tamaños convenientes; la luz solar borraría un chip en semanas y la iluminación fluorescente de interiores en varios años. ^[8] Generalmente, las EPROM deben retirarse del equipo para ser borradas, ya que no suele ser práctico incorporar una lámpara UV para borrar partes en el circuito. La memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) se desarrolló para proporcionar una función de borrado eléctrico y ahora ha reemplazado en su mayoría a las partes borradas por ultravioleta.

Como la ventana de cuarzo es cara de fabricar, se introdujeron los chips OTP (programables una sola vez); en este caso, la matriz se monta en un encapsulado opaco, de modo que no se puede borrar después de la programación; esto también elimina la necesidad de probar la función de borrado, lo que reduce aún más el coste. Se fabrican versiones OTP tanto de EPROM como de microcontroladores basados ​​en EPROM. Sin embargo, las EPROM OTP (ya sean independientes o parte de un chip más grande) se están sustituyendo cada vez más por EEPROM para tamaños pequeños, donde el coste de la celda no es demasiado importante, y por flash para tamaños más grandes.

Una EPROM programada conserva sus datos durante un mínimo de diez a veinte años ^[9] , y muchas siguen conservando datos después de 35 años o más, y se puede leer un número ilimitado de veces sin que esto afecte a su 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 en los flashes de las cámaras. Los chips de BIOS de PC antiguos solían ser EPROM y la ventana de borrado solía estar cubierta con una etiqueta adhesiva que contenía el nombre del editor de la BIOS, la revisión de la BIOS y un aviso de derechos de autor. A menudo, esta etiqueta tenía un respaldo de aluminio para garantizar su opacidad a los rayos ultravioleta.

El borrado de la EPROM comienza a producirse con longitudes de onda inferiores a 400 nm . El tiempo de exposición a la luz solar de una semana o tres años a la iluminación fluorescente ambiental puede provocar el borrado. El procedimiento de borrado recomendado es la exposición a la luz ultravioleta a 253,7 nm de al menos 15 Ws/cm ² , que normalmente se consigue en 20 a 30 minutos con la lámpara a una distancia de unos 2,5 cm. ^[10]

El borrado también se puede realizar con rayos X :

Sin embargo, el borrado debe realizarse por métodos no eléctricos, ya que el electrodo de la compuerta no es accesible eléctricamente. Al proyectar luz ultravioleta sobre cualquier parte de un dispositivo sin encapsular, se hace que fluya una fotocorriente desde la compuerta flotante de regreso al sustrato de silicio, descargando así la compuerta a su estado inicial, sin carga ( efecto fotoeléctrico ). Este método de borrado permite realizar pruebas y correcciones completas de una matriz de memoria compleja antes de que el paquete se selle finalmente. Una vez que el paquete está sellado, la información aún se puede borrar exponiéndola a una radiación X superior a 5*10 ⁴ rads , ^[a] una dosis que se alcanza fácilmente con generadores de rayos X comerciales. ^[11]

En otras palabras, para borrar la EPROM, primero habría que hacerle una radiografía y luego ponerla en un horno a unos 600 grados Celsius (para recocer las alteraciones del semiconductor causadas por los rayos X). Los efectos de este proceso en la fiabilidad de la pieza habrían requerido pruebas exhaustivas, por lo que decidieron utilizar la ventana en su lugar. ^[12]

Las EPROM tienen un número limitado pero grande de ciclos de borrado; el dióxido de silicio alrededor de las compuertas 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 piezas de mayor densidad tienen poco óxido expuesto entre las capas de interconexiones y compuerta, el borrado ultravioleta se vuelve menos práctico para memorias muy grandes. Incluso el polvo dentro del encapsulado puede evitar que se borren algunas celdas. ^[13]

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, requieren muchas semanas de tiempo de fabricación, ya que el diseño de una capa de máscara de CI o fotomáscara debe modificarse para almacenar datos en las ROM. Inicialmente, se pensó que la EPROM sería demasiado cara para su uso en producción en masa y que se limitaría únicamente al desarrollo. Pronto se descubrió que la producción en pequeños volúmenes era económica con piezas EPROM, en particular cuando se consideraba la ventaja de las actualizaciones rápidas del firmware.

Algunos microcontroladores , de antes de la era de las EEPROM y la memoria flash , utilizan una EPROM en 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, dichos microcontroladores venían en versiones con ventanas (caras) que se usaban para depuración y desarrollo de programas. El mismo chip venía en paquetes OTP opacos (algo más baratos) para producción. Dejar el chip de un chip de este tipo expuesto a la luz también puede cambiar el comportamiento de formas inesperadas cuando se pasa de una parte con ventanas utilizada para el desarrollo a una parte sin ventanas para producción.

Los dispositivos 1702 de primera generación se fabricaron con tecnología p-MOS . Se alimentaban con V _CC = V _BB = +5 V y V _DD = V _GG = -9 V en modo de lectura, y con V _DD = V _GG = -47 V en modo de programación. ^{[14] [15]}

Los dispositivos 2704/2708 de segunda generación cambiaron a tecnología n-MOS y a fuente de alimentación de tres carriles V _CC = +5 V, V _BB = -5 V, V _{DD = +12 V con V PP} = 12 V y un pulso de +25 V en modo de programación.

La evolución de la tecnología n-MOS introdujo una fuente de alimentación de un solo carril V _CC = +5 V y una tensión de programación única V _PP = +25 V ^{[16] 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 encapsulado de 24 pines, e incluso capacidades mayores con encapsulados más grandes. Más tarde, la disminución del costo de la tecnología CMOS permitió fabricar los mismos dispositivos utilizándola, agregando la letra "C" a los números de dispositivo (27xx(x) son n-MOS y 27Cxx(x) son CMOS).

Aunque las piezas del mismo tamaño de diferentes fabricantes son compatibles en modo de lectura, los distintos fabricantes añadieron modos de programación diferentes y, a veces, múltiples, lo que dio lugar a diferencias sutiles en el proceso de programación. Esto llevó a los dispositivos de mayor capacidad a introducir un "modo de firma", que permitía al programador de 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 del programador también permitiría la configuración manual del fabricante y el tipo de dispositivo del chip para garantizar una programación adecuada. ^[17]

• 
  Una EPROM de 32 KB (256 Kbit). El -12sufijo indica que este dispositivo tiene un tiempo de acceso de 120 nanosegundos.
• 
  Este microcontrolador 8749 almacena su programa en EPROM interna.
• 
  NEC 02716, EPROM de 16 KBit

• ROM programable
• Memoria EEPROM
• Memoria flash
• Intel HEX : formato de archivo
• SREC - Formato de archivo
• Programador (hardware)

• Sah, Chih-Tang (1991), Fundamentos de la electrónica de estado sólido , World Scientific, ISBN 981-02-0637-2.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con EPROM .

• Fichas técnicas de Intel EPROM Archivado el 19 de marzo de 2022 en Wayback Machine - intel-vintage.info
• Libro de datos de Intel de 1976, incluye hojas de datos de los modelos 1702, 2704 y 2708 - archive.org
• Información detallada sobre los tipos de EPROM y la programación de EPROM
• Vídeo de la EPROM Intel 1702