EPROM

EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）とは

EPROMは、電気的に書き込み可能で、紫外線照射によって記憶内容を消去できる不揮発性半導体メモリです。電源を切ってもデータが保持されるため、コンピュータや制御機器のファームウェア、BIOS ROMなどに広く利用されました。EPROMは、フローティングゲートMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）をアレイ状に配置した構造を持ち、専用の書き込み装置を使用して各MOSFETにデータを書き込みます。書き込まれたデータは、強い紫外線を照射することで消去できます。パッケージ中央上部には石英ガラスの窓があり、内部のシリコンチップが見えるのが特徴です。この窓を通して紫外線照射を行うため、特にUV-EPROMと呼ばれることもあります。

EPROMの動作原理

EPROMメモリセルの開発は、トランジスタのゲート配線が破損した集積回路の調査から始まりました。配線のない孤立したゲートに電荷が蓄積すると、トランジスタの特性が変化することを発見したのがきっかけです。EPROMは1971年にインテルのドブ・フローマンによって発明されました。

EPROMの1ビットのデータは、1個の電界効果トランジスタに格納されます。トランジスタは、半導体本体のチャネル、ソース、ドレイン、絶縁酸化層、ゲート電極で構成されています。フローティングゲートは絶縁層で完全に覆われており、他の部品とは電気的に絶縁されています。コントロールゲートはフローティングゲートの上に配置され、さらに酸化層で覆われています。

データの読み出しでは、まずアドレスピンにアドレス値を入力すると、EPROM内部でデコード処理が行われ、対応するメモリセルが選択されます。選択されたメモリセルのトランジスタがオン状態かオフ状態かによって、1または0のデータが出力されます。

トランジスタのスイッチング状態は、コントロールゲートにかかる電圧で制御されます。フローティングゲートに電荷を蓄積すると、ゲートに電圧をかけるのと同様の効果が得られ、これによりデータを記憶します。データの書き込みでは、通常よりも高い電圧を印加し、電子をフローティングゲートに注入します。注入された電子は絶縁層に閉じ込められ、数十年間データを保持できます。ただし、書き込み時の高電圧はトランジスタにストレスを与えるため、書き換え可能な回数は限られています。

EPROMのデータ消去は、[紫外線]をダイに直接照射して行います。UV光の光子が酸化ケイ素中で電離を発生させ、フローティングゲートに蓄積された電荷が拡散することで、データが消去されます。紫外線照射はメモリ全体に対して行われるため、一部のみを選択的に消去することはできません。消去には数分から数週間かかります。EPROMを使用する回路にUVランプを組み込むことは現実的ではないため、通常は装置から取り外して消去を行います。

EPROMの種類

EPROMには、消去方式の違いから、いくつかの種類があります。

UV-EPROM: 紫外線で消去を行うタイプで、パッケージに石英ガラスの窓があるのが特徴です。
OTP-EPROM: (One-Time Programmable ROM) 紫外線による消去ができないタイプで、廉価版として窓のないパッケージに収められています。

また、電気的に消去可能なEEPROM（Electrically Erasable PROM）もあります。EEPROMは、紫外線を使わずに電気的に消去・書き込みが可能で、より柔軟なデータの更新ができます。

EPROMの詳細

石英ガラスの窓は製造コストが高いため、廉価版としてOTP-EPROMが製造されました。OTP-EPROMは一度書き込むと消去できないため、大量生産向きではありません。EPROMは書き込まれた内容を約10年から20年保持できるとされています。また、読み出し回数に制限はありません。

EPROMの消去は400nmより短い波長の光によって起こります。太陽光では1週間から3週間、室内の蛍光灯では3年ほどでデータが消去されることがあります。推奨される消去方法は、波長 253.7 nm の紫外線ランプを20から30分照射することです。X線でも記憶内容を消去できますが、半導体への影響があるため、一般的には紫外線による消去が用いられます。

EPROMの消去は何度も可能ですが、消去のたびにゲート周りの酸化ケイ素が劣化し、信頼性が低下します。また、集積度を高めると紫外線が届きにくくなり、消去が難しくなります。

EPROMの用途

EPROMは、初期のコンピュータや制御機器の試作品、ファームウェア、BIOS ROMなどに広く利用されました。マスクROMに比べて少量生産に対応しやすく、ファームウェアの更新が容易なため、開発段階で重宝されました。また、EPROMを内蔵したマイクロコントローラも存在し、開発時のプログラム書き込みに利用されました。近年では、フラッシュメモリに置き換えられる傾向にあります。

EPROMの容量と機種

EPROMにはさまざまな容量と機種があり、メーカーが異なっていても機種番号が同じものであれば、読み出しに関しては互換性があるものが多く存在します。ただし、書き込み方法はメーカーによって異なる場合があります。

多くのEPROMは、A9ピンに12Vを印加することで、2バイトの識別データを読み出せる「signature mode」があります。ただし、この機能はすべてのEPROMで共通ではないため、メーカーと機種を事前に確認する必要があります。

初期のEPROMは、Intel 1702AなどP-MOS構造で、負電圧が必要で使いにくいものでした。その後、2716以降、5V単一電源となり使いやすさが向上しました。以降は、ピン配置の互換性を保ちながら、容量を増やしたものが提供されています。

EEPROMとの違い

EEPROMは、電気的な操作のみで消去を行う不揮発性メモリです。EPROMとは異なり、紫外線照射は不要です。EEPROMは回路基板に実装したままで書き換えが可能なため、機器の設定データやユーザー固有の情報の保存に適しています。

まとめ

EPROMは、紫外線で消去可能な不揮発性メモリとして、初期のコンピュータや制御機器の発展に大きく貢献しました。しかし、より柔軟にデータの更新が可能なEEPROMやフラッシュメモリが登場したことにより、その役割は縮小しつつあります。それでもなお、EPROMはメモリ技術の歴史において重要な役割を果たしたと言えるでしょう。