Разработка микропроцессорной техники в начале 1970-х годов выявила ограничения масочных ПЗУ. Изменение кода требовало изготовления новой партии кристаллов, а однократно программируемые PROM не допускали исправления ошибок. Задача создания электрически программируемой и при этом стираемой памяти была решена с помощью структуры с двойным затвором.
Базовая ячейка EPROM представляет собой полевой транзистор, в диэлектрике под управляющим затвором которого сформирован изолированный плавающий затвор. Запись информации осуществляется инжекцией горячих электронов. При подаче высокого напряжения на сток и управляющий затвор носители заряда приобретают энергию, достаточную для преодоления барьера оксида кремния, и фиксируются на плавающем затворе. Накопленный отрицательный заряд изменяет пороговое напряжение транзистора, что регистрируется при считывании как изменение логического состояния.
Инжектированные электроны окружены диэлектриком и не могут покинуть плавающий затвор электрическим путем. Для восстановления исходного состояния ячейки требуется дать заряду дополнительную энергию извне. Механизм стирания основан на фотоэлектрическом эффекте — фотоны ультрафиолетового излучения возбуждают электроны, позволяя им преодолеть потенциальный барьер и стечь с плавающего затвора в подложку.
Эпоксидные и металлокерамические корпуса стандартных микросхем непрозрачны для УФ-диапазона. По этой причине в конструкцию был введен оптический «порт». Окно изготавливалось из плавленого кварца, пропускающего излучение с длиной волны порядка 253,7 нм, необходимое для эффективного стирания. Кварцевая пластина герметично закреплялась над кристаллом, обеспечивая доступ УФ-лучей непосредственно к матрице памяти.
Операция стирания производилась вне схемы, в специализированном приборе с ртутной лампой. Продолжительность процесса составляла от 10 до 40 минут при типовых параметрах излучателя. Полный цикл возвращал все ячейки микросхемы в состояние логической единицы.
Открытая кварцевая поверхность создавала риск непреднамеренного стирания. Прямой солнечный свет вызывал потерю информации за несколько суток, излучение люминесцентных ламп — в течение нескольких лет. Для предотвращения деградации после программирования окно заклеивалось светонепроницаемой этикеткой, как правило, металлизированной.
Металлокерамический корпус с кварцевым окном был наиболее дорогим компонентом микросхемы EPROM. Для крупносерийных изделий, где код не подлежал изменению, применялись OTP-версии (One-Time Programmable). Кристалл EPROM в этом случае запрессовывался в стандартный пластиковый корпус без окна, что исключало стирание и существенно снижало себестоимость.
Переход к технологиям EEPROM и flash-памяти был связан с внедрением механизма туннелирования Фаулера-Нордхейма. Новая структура диэлектрика позволила снимать заряд с плавающего затвора подачей напряжения, без участия внешнего источника фотонов. Это привело к исчезновению кварцевого окна из конструкции корпусов. Тем не менее на протяжении длительного периода EPROM сохраняли преимущество по стабильности хранения данных: инжектированный горячими электронами заряд демонстрирует пренебрежимо малую утечку, что подтверждается сохранностью информации на образцах с возрастом более четырех десятилетий.
А знали ли вы это? А кто-то вообще работал с такими?