2.2.4.1 Энергонезависимая память e2prom: историческая справка

В 1974 году в Intel пришел Джордж Перлегос (George Perlegos), грек по

происхождению и будущий основатель компании Atmel. Под его руководством

в 1983 была разработана микросхема EEPROM (кодовое название 2816).

Основой EEPROM стал транзистор с плавающим затвором, изобретенный в той

же Intel Доном Фрохманом (Don Frohman). И в дальнейшем, несмотря на смены

технологических эпох, принцип устройства ячейки энергонезависимой памяти

остался неизменным – какой бы способ стирания и записи ни использовался.

Ячейка памяти представляет собой МОП-транзистор с плавающим

затвором, который окружен диоксидом кремния. Сток транзистора соединен с

«землей», а исток подключен к напряжению питания с помощью резистора. В

стертом состоянии (до записи) плавающий затвор не содержит заряда, и МОП-

транзистор закрыт. В этом случае на истоке поддерживается высокий

потенциал, и при обращении к ячейке считывается логическая единица.

Программирование памяти сводится к записи в соответствующую ячейки

логических нулей. Программирование осуществляется путем подачи на

управляющий затвор высокого напряжения. Этого напряжения должно быть

достаточно, чтобы обеспечить пробой между управляющим и плавающим

затвором, после чего заряд с управляющего затвора переносится на плавающий.

МОП-транзистор переключается в открытое состояние, закорачивается исток с

землей. В этом случае при обращении к ячейке считывается логический нуль.

Такой метод записи называется «инжекцией горячих электронов», слой окисла

между плавающим затвором и подложкой при этом составляет 50 нм. Стирание

содержимого

ячейки

происходит

путем

электрического

соединения

плавающего затвора с «землей».

Таким образом, в EEPROM образца 1980-х запись производилась «горячей

инжекцией», а стирание – «квантовым туннелированием». Оттого микросхемы

эти были довольно сложны в эксплуатации и требовали два, а то и три

питающих напряжения, причем подавать их при записи и стирании требовалось

в определенной последовательности.

Позже, в электрически стираемой памяти Джордж Перлегос предложил

использовать "квантовый эффект туннелирования Фаулера-Нордхейма". За

этим непонятным названием кроется довольно простое по сути (но очень

сложное с физической точки зрения) явление: при достаточно тонкой пленке

изолятора (в пределах 10 нм) электроны, если их слегка подтолкнуть подачей

58

не слишком высокого напряжения в нужном направлении, могут просачиваться

через барьер, не перепрыгивая его.

Основным преимуществом использования памяти EEPROM заключается в

возможности ее многократного перепрограммирования без удаления из платы.

Такой способ программирования получил название «In-System Programming»

или «ISP». При этом сокращаются затраты на программирование.

В процессе перезаписи, слой окисла постепенно накапливает захваченные

электроны, которые со временем могут переходить в плавающий затвор. Тем

самым

уменьшается

различие

между

пороговыми

напряжениями

соответствующими лог. «1» и «0». После достаточного количества циклов

перезаписи, различие становится слишком маленьким для распознания. Как

правило, минимальное число перезаписей доходит до сотен тысяч и миллиона

раз.

Во время записи, электроны, инжектируясь в плавающий затвор, могут

дрейфовать через изолятор, особенно при повышении температуры, и при этом

возможна потеря заряда, то есть информация ячейки стирается. Производители

обычно гарантируют, что данные будут храниться не менее 10 лет.

Далее будет рассматриваться память EEPROM AT24Cxx (Atmel) [18],

которая установлена в учебном стенде SDK-1.1. Архитектура этот стенда –

пример простейшего контроллера встраиваемых систем.