EEPROM（Electrically Erasable Programmable read only memory）即電可擦可編程只讀存儲器，是一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失（不揮發(fā)）存儲芯片。

EERPOM的基本結(jié)構(gòu)有幾種，這里講解比較常用的FLOTOX管結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

FLOTOX（Floating Gate Tunneling Oxide）MOS管即浮柵隧道氧化層晶體管，它是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的基礎(chǔ)上衍生的技術(shù)。

如上圖所示，在傳統(tǒng)的MOS管控制柵下插入一層多晶硅浮柵，浮柵周圍的氧化層與絕緣層將其與各電極相互隔離，這些氧化物的電阻非常高，而且電子從浮柵的導(dǎo)帶向周圍氧化物導(dǎo)帶的移動需要克服較高的勢疊，因此，浮柵中的電子泄漏速度很慢，在非熱平衡的亞穩(wěn)態(tài)下可保持?jǐn)?shù)十年。

浮柵延長區(qū)的下方有個薄氧區(qū)小窗口，在外加強(qiáng)電場的作用下漏極與浮柵之間可以進(jìn)行雙向電子流動，繼而達(dá)到對存儲單元的“擦除”與“寫入”操作。

為強(qiáng)調(diào)浮柵周圍氧化物的絕緣效果，我們把絕緣層去掉，如下圖所示，其中的“電子”就是我們需要存儲的數(shù)據(jù)：

其原理圖符號如下所示：

我們通常利用F-N隧道效應(yīng)（Fowler-Nordheim tunneling）對EEPROM存儲單元進(jìn)行“擦除”或“寫入”操作，簡單地說，即FLOTOX管的控制柵極與漏極在強(qiáng)電場的作用下（正向或負(fù)向），浮柵中的電子獲得足夠的能量后，穿過二氧化硅層的禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，這樣電子可自由向襯底移動（具體細(xì)節(jié)可自行參考相關(guān)資料，此處不贅述）。

對EEPROM存儲單元進(jìn)行“擦除”操作，就是將電子注入到浮柵中的過程（不要將此處的“擦除”操作與FLASH存儲單元中的“擦除”操作弄反了，具體參考FLASH對應(yīng)文章），如下圖所示：

如上圖所示，將FLOTOX管的源極與漏極接地，而控制柵極接高壓（不小于12V），浮柵與漏極之間形成正向強(qiáng)電場，電子從漏極通過隧道氧化層進(jìn)入浮柵。

為防止存儲單元“擦除”（或“寫入”操作）對其它單元產(chǎn)生影響，每個FLOTOX管均與一個選通管配對（按照制造工藝可分為N管與P管，這里我們以N管為例進(jìn)行講解，P管是類似的），前者就是存儲電子的單元，而后者用來選擇相應(yīng)的存儲單元的控制位，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致單位存儲面積比較大，因此，EEPROM存儲芯片的容量通常都不會很大。

一個bit位的存儲單元電路狀態(tài)如下圖所示：

其中，SG表示選通管的選通柵（Select Gate），CG表示FLOTOX管的控制柵（Control Gate），VPP表示外接高壓，此處以12V為例

對EEPROM存儲單元進(jìn)行“寫入”操作，就是將浮柵中電子釋放的過程（不要把“寫入”與“擦除”操作弄反了），如下圖所示：

如上圖所示，將FLOTOX管的源極懸空，漏極接高壓（不小于12V），而控制柵極接地，則浮柵與漏極之間形成負(fù)向強(qiáng)電場，電子從浮柵通過隧道氧化層回到漏極放電。

配合對應(yīng)的選通管，則一個bit位的存儲單元電路狀態(tài)如下圖所示：

多個bit位組成的存儲單元陣列如下圖所示：

當(dāng)進(jìn)行存儲單元的“擦除”操作時，源線（Sources Lines,?SL）與位線（Bit Lines,?BL）均為低電平，而控制柵線（CL）為高電平（不小于12V），當(dāng)對應(yīng)存儲單元的選通管打開時（Word Line,?WL=VPP），如下圖所示：

當(dāng)進(jìn)行存儲單元的“寫”操作時，位線為高電平（不小于12V），而源線懸空且比Program Gate Line為低電平，當(dāng)對應(yīng)存儲單元的選通管打開時（SG=VPP），如下圖所示：

每8個存儲單元配置一個高壓傳輸管，則一個字節(jié)的存儲陣列如下圖所示：

很明顯，EEPROM的“擦除”與“寫入”操作均需要高壓（強(qiáng)電場）進(jìn)行浮柵電子的注入或釋放，而一般的EEPROM芯片為5V供電，那么這些高壓從何而來？對于并行EEPROM芯片，有專用的引腳可作為擦除功能的高壓供電端，下圖來自ATMEL并行EEPROM型號AT28C16數(shù)據(jù)手冊：

可以看到，在進(jìn)行“擦除”操作時，需要在OE（Output Enable）引腳接入12V的高壓。

但是串行EEPROM就沒這么幸運(yùn)了，比如我們最常用的AT24CXX系列EEPROM芯片，通常是3.3V或5V供電的，而且對外的接口通常是I2C串行總線那樣的兩根線，那高壓從何而來？有人想到了升壓電路，沒錯，下圖來自ATMEL串行EEPROM型號AT24C02數(shù)據(jù)手冊：

其中，H.V. PUMP（High Voltage Pump）就是高壓泵（升壓）電路，升壓電路有很多種，比如整流倍壓、變壓器升壓、BOOST升壓、電荷泵等，但是，在集成電路設(shè)計中無法做成大容量電容與電感，因此，只有電荷泵電路比較適合片內(nèi)升壓，它的基本電路如下圖所示：

我們分析其中一級就明白其升壓原理了，如下圖所示（原理與“整流倍壓電路”類似，可參考《整流電路》文章）：

在時鐘周期CLKa期間，開關(guān)S1閉合，S2與地相連接，此時電容充電至VDD。

在時鐘周期CLKb期間，開關(guān)S1打開，S2與電源VDD連接，此時電源VDD與電容C的電壓串聯(lián)起來對外供電，此時VOUT=為時源VDD的兩倍，即2×VDD。

在集成電路設(shè)計中，可以使用NMOS或PMOS實現(xiàn)開關(guān)功能，電容則可使用MOS電容（即柵極作為一個極，而源極與漏極連接作為另一個極板），而二極管則用MOS管代替，如下圖所示：

實際的電荷泵電路有很多種結(jié)構(gòu)，如多相時鐘電荷泵、CTS電荷泵、柵交叉耦合襯底偏置電荷泵等等，讀者可自行參考相關(guān)文檔，此處不再贅述。

那怎么樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“讀取”操作呢？當(dāng)浮柵中注入（充電狀態(tài)）或釋放電子（放電狀態(tài)）時，存儲單元的閥值電壓會發(fā)生改變，如下圖所示：

在讀取存儲單元時，我們可以在控制柵上加一個中間電平，其值介于兩個閥值Vth之間，這樣浮柵有電子的高開啟管不能導(dǎo)通，而浮柵放電后的低開啟管能正常導(dǎo)通，由此分辨出單元存儲的數(shù)據(jù)是“1”還是“0”。

審核編輯：湯梓紅