EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是一種非易失性存儲器，支持電擦除和重寫，廣泛應用于參數存儲、配置保存等場景。其讀寫原理基于浮柵晶體管的物理特性，以下從核心機制、操作流程、接口實現等角度深入解析。

一、EEPROM的核心存儲單元：浮柵晶體管

1. 浮柵晶體管的結構

• 組成：
  浮柵晶體管在普通MOSFET基礎上增加了一個浮柵（Floating Gate）層，被絕緣層（如氧化硅）完全包裹，與外界無電氣連接。

• 控制柵（Control Gate）：外部施加電壓，控制浮柵的電荷狀態。

• 浮柵（Floating Gate）：存儲電荷，改變晶體管的閾值電壓（Vth）。

• 源極（Source）和漏極（Drain）：電流通道的兩端。

• 工作原理：

• 邏輯“1”狀態：浮柵無電子，晶體管閾值電壓低（默認狀態，無需額外操作）。

• 邏輯“0”狀態：浮柵有電子，晶體管閾值電壓高（需通過寫入操作注入電子）。

2. 浮柵晶體管的電荷存儲

• 電荷注入（寫入“0”）：
  在控制柵施加高電壓（如12V~20V），通過隧道效應（Fowler-Nordheim tunneling）將電子注入浮柵，使晶體管更難導通（邏輯“0”）。

• 電荷移除（寫入“1”）：
  反向施加電壓，將浮柵中的電子移出，恢復默認導通特性（邏輯“1”）。

二、EEPROM的寫入機制

1. 寫入過程

• 步驟：

• 寫入“0”：控制柵接高電壓（如12V~20V），漏極接地，源極浮空。

• 寫入“1”：控制柵接地，漏極或源極接高電壓（擦除操作）。

1. 行/列尋址：通過行解碼器和列解碼器定位目標浮柵晶體管。

2. 施加高壓：

3. 驗證寫入：讀取目標單元，確認寫入是否成功。

• 關鍵特性：

• 單字節寫入：每次操作僅修改一個字節，耗時約5ms（受限于隧道效應速度）。

• 頁寫入模式：部分EEPROM支持頁寫入（如8字節或16字節），總寫入時間不變，效率提升。

2. 寫入限制

• 壽命：
  浮柵晶體管的氧化層在反復擦寫后會逐漸退化，典型壽命為10萬次~100萬次寫入。

• 寫保護：
  EEPROM通常提供硬件寫保護引腳（WP），拉高時可禁止寫入操作，防止誤修改。

三、EEPROM的讀取機制

1. 讀取過程

• 步驟：

• 導通電流大：邏輯“0”（浮柵有電子，閾值電壓高）。

• 導通電流小：邏輯“1”（浮柵無電子，閾值電壓低）。

• 在控制柵施加較低電壓（如1V~3V），漏極接恒定電流源，源極接地。

• 檢測漏極電壓（或電流）判斷晶體管狀態。

1. 行/列尋址：定位目標浮柵晶體管。

2. 施加讀取電壓：

3. 判斷邏輯值：

• 關鍵特性：

• 讀取速度快：通常為μs級（遠快于寫入）。

• 無磨損：讀取操作不會改變浮柵電荷狀態，無壽命限制。

2. 讀取干擾與防護

• 讀取干擾：
  極少數情況下，長時間讀取可能導致浮柵電荷微小變化（如電子泄漏）。

• 防護措施：

• 限制單字節讀取頻率（如每秒不超過10萬次）。

• 使用硬件或軟件濾波算法（如多次讀取取平均）。

四、EEPROM的接口與操作流程

EEPROM通過I2C、SPI或并行接口與單片機通信，以下以I2C為例說明讀寫流程。

1. I2C接口EEPROM（如AT24C系列）

• 寫入流程：

1. 起始條件：單片機拉低SDA，同時SCL保持高電平。

2. 設備地址：7位地址 + 寫標志位（0），如0xA0。

3. 字地址：指定目標存儲單元的地址（如2字節地址0x0000）。

4. 數據寫入：逐字節寫入數據（單字節或頁寫入）。

5. 停止條件：單片機釋放SDA，結束通信。

• 讀取流程：

• 單片機從EEPROM讀取數據（可發送NACK終止讀取）。

• 起始條件 + 設備地址（讀）。

• 起始條件 + 設備地址（寫） + 字地址。

1. 寫入目標地址：

2. 重新發起起始條件：

3. 數據讀取：

2. 寫入時序與注意事項

• 時序要求：

• 寫入操作需遵循EEPROM的時序規范（如最大寫入周期時間）。

• 寫入過程中需等待EEPROM內部操作完成（如5ms），否則可能寫入失敗。

• 寫保護：

• 部分EEPROM提供硬件寫保護引腳（WP），拉高時可禁止寫入操作。

五、EEPROM與其他存儲器的對比

六、EEPROM的核心原理總結

1. 物理基礎：

• EEPROM的核心是浮柵晶體管，通過隧道效應實現電擦除和重寫。

• 浮柵中的電荷狀態決定邏輯值（0或1）。

2. 讀寫機制：

• 寫入：通過高壓注入或移除電子，單字節寫入約5ms，支持頁寫入。

• 讀取：通過檢測晶體管導通狀態判斷邏輯值，讀取速度快（μs級），無壽命限制。

3. 接口與操作：

• 通過I2C/SPI接口通信，需遵循時序規范，注意寫保護和等待時間。

4. 應用場景：

• 適合小容量、頻繁更新的場景（如參數存儲、校準值保存）。

七、常見問題與解決方案

1. 寫入失敗：

• 原因：未等待寫入完成（如未滿足5ms延遲）。

• 解決方案：在寫入后添加延時或輪詢“忙”狀態位。

2. 壽命耗盡：

• 原因：頻繁寫入同一地址。

• 解決方案：使用磨損均衡算法，分散寫入操作。

3. 數據丟失：

• 原因：電源中斷導致寫入中斷。

• 解決方案：使用超級電容或備用電源保護寫入過程。

八、總結

EEPROM的讀寫原理基于浮柵晶體管的電荷存儲特性，通過隧道效應實現電擦除和重寫。其特點是單字節寫入慢但可靠，讀取快且無壽命限制，適合小容量、頻繁更新的應用場景。理解其物理機制和操作流程，可更高效地設計硬件電路和軟件邏輯，避免常見問題。