EPROM

Una EPROM (rara vez EROM ), o memoria de solo lectura programable y borrable , es un tipo de chip de memoria de solo lectura programable (PROM) que conserva sus datos cuando se apaga la fuente de alimentación. La memoria de computadora que puede recuperar los datos almacenados después de apagar y volver a encender la fuente de alimentación se llama no volátil . Es una matriz de transistores de puerta flotante programados individualmente por un dispositivo electrónico que suministra voltajes más altos que los que se usan normalmente en los circuitos digitales. Una vez programada, una EPROM se puede borrar exponiéndola a una fuente de luz ultravioleta (UV) intensa (como la de una lámpara de vapor de mercurio ). Las EPROM se reconocen fácilmente por la ventana transparente de cuarzo fundido (o, en modelos posteriores, de resina) en la parte superior del encapsulado, 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 donde las conexiones de puerta de los transistores se habían roto. La carga almacenada en estas puertas aisladas cambia su voltaje umbral .

Tras la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en los Laboratorios Bell , presentada en 1960, Frank Wanlass estudió las estructuras de los MOSFET a principios de la década de 1960. En 1963, observó el movimiento de carga a través del óxido hacia una compuerta . Si bien no profundizó en el tema, esta idea se convertiría más tarde en la base de la tecnología EPROM. ^{[ 4 ]}

En 1967, Dawon Kahng y Simon Min Sze, de Bell Labs, propusieron que la puerta flotante de un MOSFET podría utilizarse como celda de una ROM reprogramable (memoria de solo lectura). ^{[ 3 ]} Partiendo de este concepto, Dov Frohman, de Intel, inventó la EPROM en 1971, ^{[ 3 ]} y obtuvo la patente estadounidense 3,660,819 en 1972. Frohman diseñó la Intel 1702, una EPROM de 2048 bits, que Intel anunció 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 regiones al final del canal. Se deposita una capa aislante de óxido sobre el canal, luego se deposita un electrodo de puerta conductor (silicio o aluminio) y, sobre este, se deposita otra capa gruesa de óxido. El electrodo de puerta 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 puerta de control y se cubre con más óxido. ^{[ 5 ]}

Para recuperar datos de la EPROM, se decodifica la dirección representada por los valores en los pines de dirección de la EPROM 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, en conducción o sin conducción.

El estado de conmutación del transistor de efecto de campo se controla mediante la tensión aplicada a la compuerta de control del transistor. La presencia de tensión en esta compuerta crea un canal conductor en el transistor, activándolo. 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 específica y aplicar un voltaje elevado a los transistores. Esto genera una descarga en cascada de electrones, que poseen la energía suficiente para atravesar la capa de óxido aislante y acumularse en el electrodo de puerta. Al retirar el alto voltaje, los electrones quedan atrapados en el electrodo. ^{[ 6 ]} Gracias al alto valor de aislamiento del óxido de silicio que rodea la puerta, la carga almacenada no se disipa fácilmente y los datos pueden conservarse durante décadas.

El proceso de programación no es reversible eléctricamente. Para borrar los datos almacenados en la matriz de transistores, se dirige luz ultravioleta al chip . Los fotones de la luz UV provocan la ionización del óxido de silicio, lo que permite que la carga almacenada en la puerta flotante se disipe. Dado que toda la matriz de memoria queda expuesta, toda la memoria se borra al mismo tiempo. El proceso tarda varios minutos con lámparas UV de tamaño adecuado; la luz solar 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 no suele ser práctico incorporar una lámpara UV para borrar componentes 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 gran medida a los componentes borrados con luz ultravioleta.

Dado que la ventana de cuarzo es costosa de fabricar, se introdujeron los chips OTP (programables una sola vez). En estos chips, el chip se monta en un encapsulado opaco, por lo que no se puede borrar después de la programación; esto también elimina la necesidad de probar la función de borrado, reduciendo aún más el costo. Se fabrican versiones OTP tanto de EPROM como de microcontroladores basados ​​en EPROM. Sin embargo, la EPROM OTP (ya sea independiente o integrada en un chip más grande) está siendo reemplazada progresivamente por EEPROM para tamaños pequeños, donde el costo de la celda no es tan importante, y por memoria flash para tamaños más grandes.

Una EPROM programada conserva sus datos durante un mínimo de diez a veinte años, ^{[ 8 ]} y muchas aún conservan datos después de 35 años o más, y se puede leer un número ilimitado de veces sin que afecte su vida útil. La ventana de borrado debe mantenerse cubierta con una etiqueta opaca para evitar el borrado accidental por la radiación UV presente en la luz solar o los flashes de las cámaras. Los chips BIOS de las PC antiguas a menudo eran 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 reverso de aluminio para garantizar su opacidad a la radiación UV.

El borrado de la EPROM comienza a producirse con longitudes de onda inferiores a 400 nm . Una exposición a la luz solar durante una semana o tres años a la iluminación fluorescente de una habitación pueden provocar el borrado. El procedimiento de borrado recomendado consiste en la exposición a luz ultravioleta a 253,7  nm con una intensidad mínima de 15 Ws/cm² ^, que suele alcanzarse en 20 a 30 minutos con la lámpara a una distancia de unos 2,5  cm. ^{[ 9 ]}

El borrado también puede realizarse 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 encapsular, se genera una fotocorriente que fluye desde la puerta flotante hacia el sustrato de silicio, descargando así la puerta a su estado inicial sin carga ( efecto fotoeléctrico ). Este método de borrado permite probar y corregir completamente una matriz de memoria compleja antes de que el encapsulado se selle definitivamente. Una vez sellado el encapsulado, la información aún puede borrarse exponiéndola a radiación X superior a 5 × 10⁴ ^rads , [ ^{a ] una} dosis que se alcanza fácilmente con generadores de rayos X comerciales. ^{[ 10 ]}

En otras palabras, para borrar la EPROM, primero habría que radiografiarla y luego meterla 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 del componente habrían requerido pruebas exhaustivas, por lo que optaron por la ventana. ^{[ 11 ]}

Las EPROM tienen un número limitado pero elevado de ciclos de borrado; el dióxido de silicio alrededor de las compuertas acumula daños con cada ciclo, lo que hace que el chip sea poco fiable después de varios miles de ciclos. La programación de EPROM es lenta en comparación con otros tipos de memoria. Debido a que los componentes de mayor densidad tienen poco óxido expuesto entre las capas de interconexiones y compuertas, el borrado ultravioleta resulta menos práctico para memorias muy grandes. Incluso el polvo dentro del encapsulado puede impedir que se borren algunas celdas. ^{[ 12 ]}

Para grandes volúmenes de componentes (miles de piezas o más), las ROM programadas mediante máscara son los dispositivos de menor coste de producción. Sin embargo, su fabricación requiere varias semanas de plazo, ya que el diseño o la imagen en la capa de máscara del circuito integrado o en la fotomáscara deben modificarse para almacenar datos en las ROM. Inicialmente, se pensó que la EPROM sería demasiado cara para la producción en masa y que su uso se limitaría al desarrollo. Pronto se comprobó que la producción en pequeños volúmenes resultaba económica con componentes EPROM, sobre todo teniendo en cuenta la ventaja de las rápidas actualizaciones de firmware.

Algunos microcontroladores , anteriores a la era de las EEPROM y la memoria flash , utilizan una EPROM integrada para almacenar su programa. Entre estos microcontroladores se incluyen algunas versiones del Intel 8048 , el Freescale 68HC11 y las versiones "C" del microcontrolador PIC . Al igual que los chips EPROM, estos microcontroladores se fabricaban en versiones con ventana (caras) que se utilizaban para la depuración y el desarrollo de programas. El mismo chip se fabricaba en encapsulados OTP opacos (algo más económicos) para la producción. Dejar el chip expuesto a la luz también puede alterar su comportamiento de forma inesperada al pasar de una versión con ventana utilizada para el desarrollo a una versión sin ventana para la 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. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Los dispositivos 2704/2708 de segunda generación cambiaron a tecnología n-MOS y a una fuente de alimentación de tres rieles 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.   

Los dispositivos 2716/2732 de tercera generación se actualizaron a una tecnología n-MOS evolucionada que requería solo una fuente de alimentación de un solo riel V _CC = +5  V para operaciones de lectura y un único voltaje de programación V _PP = +25  V ^{[ 15 ]} sin pulso. Los pines V _BB y V _DD innecesarios se reutilizaron para bits de dirección adicionales, lo que permitió mayores capacidades (2716/2732) en el mismo paquete de 24 pines, e incluso mayores capacidades con paquetes más grandes. Posteriormente, la disminución del costo de la tecnología CMOS permitió fabricar los mismos dispositivos utilizando esta tecnología, agregando la letra "C" a los números de dispositivo (27xx(x) son n-MOS y 27Cxx(x) son CMOS).

Mientras la industria se encaminaba hacia una arquitectura y configuración de pines estándar para las EPROM 27xx, Texas Instruments (TI) introdujo algunos tipos que ahora se consideran no estándar. Si bien la TMS2716 era un dispositivo de tres rieles como los tipos anteriores, su TMS2516 era una EPROM de +5 V simple, como la 2716 que ofrecían otros fabricantes de chips. Posteriormente, TI lanzó la TMS2532 y la TMS2564, ambas dispositivos de +5 V simple, pero con configuraciones de pines incompatibles con las de la 2732 y la 2764.

Si bien las piezas del mismo tamaño de diferentes fabricantes son compatibles en modo de lectura, cada fabricante añadió modos de programación distintos, e incluso múltiples, lo que generó sutiles diferencias en el proceso de programación. Esto impulsó a los dispositivos de mayor capacidad a introducir un "modo de firma", que permitía al programador de EPROM identificar al fabricante y al dispositivo. Este modo se implementaba aplicando +12  V al pin A9 y leyendo dos bytes de datos. Sin embargo, dado que este modo no era universal, el software del programador también permitía configurar manualmente el fabricante y el tipo de dispositivo del chip para garantizar una programación correcta. ^{[ 16 ]}

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

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

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

• Hojas de datos de EPROM de Intel - intel-vintage.info
• Libro de datos de Intel de 1976, incluye hojas de datos de los procesadores 1702, 2704 y 2708 - archive.org
• Información detallada sobre los tipos de EPROM y la programación de EPROM.
• Vídeo de la EPROM Intel 1702