可擦可编程ROM：不再是束缚

1.EPROM的原理

如图7.2.3所示是SIMOS（Stacked-gate Injection Metal-Oxide-Semiconductor）管的结构及存储单元。它是N沟道增强型MOS管，有两个重叠的栅极──控制栅Gc和浮置栅Gf。控制栅Gc用于读出和写入控制，浮置栅Gf被埋于SiO2绝缘层中。

浮置栅Gf上未注入电子以前，在控制栅GC上加正常的高电平将产生一个正向电场，导致D、S之间形成导电沟道，使SIMOS管导通。但是当浮置栅Gf上注入了电子后，在控制栅GC上加正常的高电平就不能使D、S之间形成导电沟道，因为浮置栅Gf上的电子会产生一个反向电场，抵消控制栅GC上加正常的高电平所形成的正向电场。

当D、S两极之间加较高电压（约＋25 V）时，在P型半导体中会产生大量的空隙-电子对，此时对于要写入1的那些存储单元，在控制栅加高压脉冲（幅度约＋25 V，宽度约50 ms），电子在栅极电场的作用下向栅极方向漂移，其中动能较大的电子能够穿越薄薄的SiO2绝缘层（0.05～0.1 μm）的势垒到达浮置栅。当控制栅的高压脉冲撤销后，浮置栅上累积的电子不能突破SiO2绝缘层的包围而长期存在。若定义浮置栅上累积了电子的SIMOS管存储的是1，浮置栅上未累积电子的SIMOS管存储的是0，那么芯片是可写入的。

图7.2.3　SIMOS管的结构及存储单元

EPROM芯片上有一个透明的石英窗口，通常石英窗口被非透明不干胶商标遮住。石英晶体对紫外线的吸收率很低，普通玻璃则不然。当用紫外线、X射线等（只要频率比紫外线高）照射石英窗口十多分钟，浮置栅上的一个电子俘获一个光子（光电子的能量为hν）后足以穿越SiO2绝缘层的势垒而逃逸，则芯片被擦除。擦除后各存储单元的状态均为0。

2.EEPROM的原理

虽然EPROM具备可擦除重写的功能，但用紫外线擦除费时且麻烦。用电信号擦除的EEPROM芯片的擦除写入操作方便得多。

EEPROM的存储单元采用一种叫作浮置栅隧道氧化层MOS管（Floating-gate Tunnel Oxide，简称Flotox管），其基本结构与SIMOS管相似，不同的是Flotox管在浮置栅与D极的N＋区之间被一个极薄的氧化层（＜20 nm）隔离，而浮置栅与S极的N＋区之间仍然是SiO2绝缘层。(www.xing528.com)

擦除状态下，在控制栅加约＋20 V（脉宽约10 ms）的电压，即Gc极对D极的电压为 ＋20 V，使氧化层的电场强度高达107V/cm以上，被此电场加速的D极N＋区电子会穿越氧化层的势垒到达浮置栅，即产生电子隧道效应，从而使浮置栅上累积电子。擦除后各存储单元的状态均为1。

写入状态下，对于写入0的那些存储单元，在其位线（D极与位线连接）加＋20 V电压，即Gc极对D极的电压变为－20 V（脉宽10 ms），在反向电场的作用下，浮置栅上累积的电子统统穿越氧化层的势垒向D极的N＋区漂移。浮置栅上累积电子流失，即写入0。

我们使用的U盘（Flash Memory）就是一种高速EEPROM，因读/写速度远高于硬盘、光盘等辅助存储设备，所以又称之为闪速存储器。尽管EEPROM的读出速度已经非常接近RAM的读出速度了，但是EEPROM还是不能代替RAM成为PC机的主存。因为RAM的读和写是等时的，其读/写速度（存储周期）只有几十纳秒，而对EEPROM写入信息须经历先擦除后写入的过程，耗时长达毫秒级，这样长的写入操作是无法与高速的CPU同步的。当然我们期待既有RAM的读/写速度，又有ROM掉电后信息不丢失的那样一种存储器问世。

【说明】有了EEPROM只读存储器并非意味着PROM存储器就无用了。一般同型号单片机的程序存储器有EEPROM和PROM两种。在单片机的新产品研发阶段，因为程序要反复擦写调试，使用带EEPROM程序存储器的单片机才方便。但是PROM存储器结构简单，带PROM程序存储器的单片机芯片非常便宜。一旦研发成功需要大批量生产，则选用带PROM程序存储器的单片机芯片固化程序，可降低产品的硬件成本。

【例7.2.1】 某工业流水线上有Ⅰ，Ⅱ两只机械手需进行群控操作，它们要完成平伸、平缩、上升、下降、左旋、右旋、握紧和松开共8个动作的循环。要求Ⅰ，Ⅱ两只机械手分时操作，即Ⅰ动作时Ⅱ停止，Ⅱ动作时Ⅰ停止，每种动作由开关量控制且动作时间为1 s。试用计数器和存储器设计其控制电路。

解：用EPROM芯片Intel2716（2 K×8 bit）的8位数据输出端D7～D0来产生8种动作的开关量，即各个动作的编码分别为：平伸（01H）、平缩（02H）、上升（04H）、下降（08H）、左旋（10H）、右旋（20H）、握紧（40H）和松开（80H），如表7.2.1所示是两只机械手动作的秩序安排。将表7.2.1的代码写入Intel2716Ⅰ和Intel2716Ⅱ中。用4位同步计数器74LS161提供存储地址，即其计数输出端Q3Q2Q1Q0与2716的地址端A3A2A1A0对应连接，如图7.2.4所示。Intel2716其余的地址线和编程控制线均接地，CP端输入秒脉冲。

图7.2.4　例7.2.1的电路

表7.2.1　机械手动作代码次序表