Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory


Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
Ein Flash-EEPROM (links) und ein EPROM (rechts).

EEPROM (engl. Abk. für electrically erasable programmable read-only memory, wörtlich: elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher, auch E2PROM) ist ein nichtflüchtiger, elektronischer Speicherbaustein, der unter anderem in der Computertechnik und dort hauptsächlich in eingebetteten Systemen eingesetzt wird. Ursprünglich wurde dieser Bausteintyp mittels eines Programmiergerätes mit beliebigen Daten gefüllt, inzwischen kann das auch von der angeschlossenen CPU im System bewerkstelligt werden. Das EEPROM stellt eine Fortentwicklung des EPROMs dar, bei dem ein Löschvorgang noch mit UV-Licht durchgeführt werden muss.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise

Ein EEPROM besteht aus einer Feldeffekt-Transistorenmatrix mit isoliertem Floating Gate, in der jeder Transistor ein Bit repräsentiert. Beim Programmiervorgang wird auf das Floating Gate eine Ladung gespeichert (der Transistor sperrt). Beim Löschen wird diese Ladung wieder entfernt. Das geschieht wie das Programmieren mit einem hohen Spannungspuls am Control Gate, wobei ein Tunnelstrom von diesem durch das isolierende Dielektrikum auf das Floating Gate fließt. Schematische Darstellung Dieser Löschvorgang kann entweder durch ein Programmiergerät oder auch direkt im System erfolgen. Bei EPROMs ist hingegen zum Löschen UV-Licht nötig. Um den gesamten Inhalt eines EEPROMs zu löschen, werden deshalb nur einige Sekunden benötigt - verglichen mit 10 bis 30 Minuten beim EPROM.

Nach dem „Brennvorgang“ des EEPROMs werden die geschriebenen Daten durch ein Bitmuster geladener/ungeladener Transistoren repräsentiert. Diese Daten lassen sich nun beliebig oft auslesen. Die Lesespannung liegt dabei unterhalb der Programmierspannung. Die Anzahl der möglichen Schreibvorgänge ist allerdings begrenzt. Die Hersteller garantieren typischerweise mindestens 1.000.000 Schreibzyklen (Stand 2006). Früher war zum Programmieren das Anlegen einer höheren Spannung erforderlich, diese wird inzwischen bausteinintern erzeugt.

Anwendungsgebiete

EEPROMs können im Unterschied zu Flash-EEPROMs byteweise beschrieben und gelöscht werden. Im Vergleich zu Flash-EEPROMs, die zwischen 1 μs und 1 ms für einen Schreibzyklus benötigen, sind herkömmliche EEPROMs mit 1 ms bis 10 ms erheblich langsamer. EEPROMs verwendet man deshalb bevorzugt, wenn einzelne Datenbytes in größeren Zeitabständen verändert und netzausfallsicher gespeichert werden müssen, wie zum Beispiel bei Konfigurationsdaten oder Betriebsstundenzähler.

Als Ersatz für die früher als Programm- oder Tabellenspeicher dienenden ROMs oder EPROMs eignete sich das EEPROM aufgrund der deutlich höheren Herstellungskosten nicht, diese Rolle wurde später durch die Flash-Speicher übernommen. Die höheren Kosten der EEPROM-Technologie führten dazu, dass zunächst eigenständige EEPROM-Bausteine zumeist über ein serielles Interface an die Mikrocontroller abgeschlossen wurden. Später wurden dann bei etlichen Mikrocontrollern auch on-chip EEPROMS angeboten. Da Mikrocontroller heute meist sowieso in robusten Flashtechnologien hergestellt werden, die ein häufigeres Löschen und Programmieren erlauben, kann meist auch ein Bereich des Flash-Speichers für veränderliche Daten verwendet werden. Dazu wird ein Teilbereich des Flashspeichers reserviert und z. T. mit speziellen Algorithmen beschrieben und gelesen[1]. Dabei muss eine Page vor der Löschung, ebenso wie der gesamte reservierte Bereich, erst komplett ausgenutzt sein, bevor sie neu beschrieben wird. Dieses Verfahren macht in vielen Fällen das EEPROM in Mikrocontrollern überflüssig.

Allerdings lässt sich ein EEPROM nicht in allen Anwendungen durch Flash ersetzen. Momentan ist es noch nicht möglich, Flash über einen so weiten Temperaturbereich wie EEPROM zuverlässig zu beschreiben, allerdings macht hier die Prozesstechnik Fortschritte und Temperaturkompensation beim Schreiben verbessert das Verhalten. Zudem kann es in bestimmten Anwendungen problematisch sein, eine nicht deterministische Schreibzeit zu haben, die sich bei EEPROM-Emulation mittels Flash ergeben kann, wenn eine Page gelöscht werden muss.

SDRAM-Modul, 8-Pin I²C-EEPROM am rechten Rand

Neben Bausteinen mit parallel herausgeführten Adress- und Datenbussen gibt es auch EEPROMs in Gehäusen mit z. B. nur 8 Anschlüssen, bei denen Adressen und Daten über einen seriellen Bus wie I²C ausgetauscht werden. Derartige EEPROMs werden z. B. auf SDRAM-Modulen vom Hersteller zur Speicherung von Produktparametern verwendet, die dann von der CPU ausgelesen werden können. Mit dieser Information im SPD-EEPROM können die Speichermodule im PC dann automatisch konfiguriert werden.

Ausfallerscheinungen und Lebensdauer

In EEPROMs gespeicherte Daten können von zwei Arten von Ausfallerscheinungen betroffen sein, der begrenzten Lebensdauer bzw. Beschreibbarkeit und dem begrenztem Erhaltungsvermögen des Speicherzustands der einzelnen Speicherplätze im EEPROM.

In der Oxidschicht des Gates der in EEPROMs eingesetzten Floating-Gate-Transistoren sammeln sich eingefangene Elektronen an. Das elektrische Feld der eingefangenen Elektronen summiert sich zu dem Feld des Floating Gates und schmälert so das Fenster zwischen den Schwellenspannungen, die für die Speicherzustände Eins bzw. Null stehen. Nach einer bestimmten Anzahl von Schreibvorgängen wird die Differenz zu klein, um unterscheidbar zu bleiben, und die Speicherstelle bleibt dauerhaft auf dem programmierten Wert stehen. Hersteller geben üblicherweise die maximale Anzahl von Schreibvorgängen mit 106 oder mehr an.

Die während der Speicherung in das Floating Gate eingebrachten Elektronen können durch die Isolierschicht lecken, dies vor allem bei erhöhten Temperaturen, dadurch einen Verlust des Ladungszustands verursachen und die Speicherstelle so in den gelöschten Zustand zurückversetzen. Hersteller gewährleisten üblicherweise die Beständigkeit gespeicherter Daten für einen Zeitraum von 10 Jahren[2].

EEPROM-Hersteller

Quellen

  1. Algorithmus zum Ersatz von EEPROM durch Flash-Speicher
  2. System Integration - From Transistor Design to Large Scale Integrated Circuits

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