ROM学习笔记1-ROM、PROM、EPROM、EEPROM_掩膜rom

1 只读存储器（ROM）

半导体存储器的两大类之二：ROM(read only memory)，是一种永久性的数据存储器，其中的数据一旦写入，就不能随意更改；切断电源之后，数据也不会丢失。（早期设计时是没有修改数据功能的，只是后来随着科技的进步可读可写了，等于只是保留了ROM的名字来代表一类存储器）

1.1 掩膜只读存储器（Mask ROM）

早期采用掩膜工艺制作ROM集成电路芯片时，其中存储的数据是由制作过程中的掩膜板决定的。
下图为一个掩膜ROM。与之前的存储器类似，也是由译码器、存储矩阵、输出缓冲器组成（实际上大部分存储器的区别只是存储位元有所不同）。例如查地址为01，读到的数据为0010，再经反相器输出1101。有二极管则读出0，没有则读出1。显然，这样的存储器难以修改，只能在特殊需求下使用。

这类存储器的存储单元不仅可以是二极管，还可以是MOS管、BJT管。

（mos管构成的存储单元）

1.2 可编程只读存储器（PROM）

可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory）是一次可编程的，它在掩膜ROM的基础上加了一根熔断丝，如果想在这个存储单元上写入0，则先字线选中，然后在Vcc上接20V高压，同时位线上产生一个。在这个脉冲内，Uds很大，熔丝上流过大电流，被融断。

1.3 可擦除可编程只读存储器（EPROM）

EPROM的英文全称是Erasable Programmable Read Only Memory，与PROM不同，其存储位元采用了浮栅MOS管中的叠栅注入MOS管（Stacked-gate Injection MOS），又称SIMOS管。

这种MOS管与普通的MOS管不同，在设计上多了一个浮栅gf，由高度参杂的多晶硅（poly-Si）构成，被SiO2绝缘层包围着。
编程前，浮栅上没有电荷，其与普通NMOS一样，其开启电压为VT1。
编程时，会在漏源之间施加一个几十V的正向电压，使得漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，如果此时在控制栅上施加一个正向脉冲，雪崩产生的高能电子就会在栅极电场的作用下，穿过SiO2层进入浮栅。编程电压撤除后，电子由于被绝缘层包围无放电通路，会留在浮栅上。浮栅上的电子在浮栅与衬底之间的SiO2绝缘层上产生了一个向上的电场，与导通条件下的栅极电场方向相反，开启电压变为了VT2。实际使用中，往往由于开启电压的增大导致原本的栅极电压不能使SIMOS管导通来区分0和1。
擦除时，需要用高能量光子（如紫外灯）照射SIMOS 20min，使SiO2中产生电子-空穴对，为浮栅上的电子提供泄放通道。

下图是存储单元在实际使用中的状态。
读过程：Wj为字线，Yj为位线，上管常通，且Ron（T1）＞Ron（T2）。当要读这个存储单元时，字线选中存储单元，给高电平，MOS管导通，将Yj拉低，然后经反相器后输出1；若浮栅中带电荷，字线给高电平，字线上的电压无法使MOS管导通，Yj仍为高电平，经反相器后输出0。
写过程：对于要写0的存储单元，先在位线的VDD上施加一个几十V的高电压。随后，在字线上施加一个几十ms的脉冲，使SIMOS进入编程状态；写1时存储单元无需操作。

擦除：EPROM的die会漏在外面，如下图所示。擦除时，只需要用如紫外灯照射20min即可。

1.4 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）

EEPROM全称Electricially Erasable Programmable Read Only Memory， 通过分析EPROM的原理可知，SIMOS的二氧化硅层比较厚，势垒比较高，所以不管是往浮栅中充入电子还是擦除电子，都需要给电子充较大的能量，使用上的体现就是较高的电压和长时间的光照擦除。后来科学家门对其结构进行改进，在浮栅和漏区设置了一个极薄的氧化层区域，如下图所示。这样的mos管学名叫浮栅隧道氧化层MOS管（Floating-gate Tunnel Oxide MOS），又称Flotox管。

Flotox管的工作原理与SIMOS类似，只是给浮栅充电方式是隧穿（Fowler-Nordheim隧穿），而不是热电子注入。当隧道区的电场足够大时，电子就能在电场的作用下通过隧道形成隧道电流，这种现象叫隧道效应。

编程前，浮栅上没有电荷，就是一个普通NMOS。
编程时，漏源均接地，控制栅上施加一个20V的脉冲。此时，隧道区产生强电场，吸引漏极的电子穿过隧道到达浮栅。撤除电压后，浮栅上的电子可以永久保留（通常可达十年以上）。
擦除时，源极与控制栅接地，在漏极上施加一个20V的脉冲。类似编程，隧道区产生一个反向的强电场，浮栅上的电子又被吸引回漏极，从而擦除信息。

EEPROM的存储单元由两个MOS管组成，T1为Flotox管，T2为普通mos管。
读过程：当要读这个存储单元时，首先给字线施加一个高电平，选通T2。如果T1管未经过编程，浮栅上不带电，在控制栅上施加正电压可以导通T1，位线上读到0；若浮栅中带电荷，控制栅上给高电平无法使T1管导通，位线上读到1（位线上有未画出的上拉到高电平的部分，常态读取时将电压拉高）。
擦除（相当于写1）：擦除时，在字线和控制栅线上施加一个高电平脉冲，同时将位线拉低。在脉冲时间内，T2导通，T1的Ugd之间为20V高压，T1管被编程，浮栅上带了电荷。
写过程：对于要写0的存储单元，在字线和位线上施加一个高电平脉冲，同时将控制栅线拉低。在脉冲时间内，T2导通，T1的Ugd之间为-20V高压，T1管浮栅上的电荷被释放（如果有电荷的话）。