EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）的核心是浮柵晶體管（Floating-Gate Transistor），其物理結構和工作機制決定了讀寫過程的獨特性。以下從元件級深入解析其原理。

一、EEPROM的物理結構：浮柵晶體管

1. 浮柵晶體管的結構

• 組成：
  浮柵晶體管基于MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），但多了一個浮柵（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。

• 關鍵特性：
  浮柵中的電荷可長期存儲（非易失性），通過隧道效應（Fowler-Nordheim tunneling）注入或移除電子。

2. 浮柵晶體管的工作狀態

• 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）。

二、EEPROM的寫入機制（編程）

1. 寫入“0”的過程

• 步驟：

• 在控制柵施加高電壓（如12V~20V），漏極接地，源極浮空。

• 高電場引發隧道效應，電子從襯底穿過氧化層注入浮柵。

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. 閾值電壓升高：
   浮柵帶負電，晶體管需要更高的柵極電壓才能導通（邏輯“0”）。

• 關鍵點：

• 隧道效應：電子通過量子隧穿穿過極薄的氧化層（通常為10nm左右）。

• 寫入時間：約5ms（受限于隧道效應速度和電荷注入量）。

2. 寫入“1”的過程（擦除）

• 步驟：

• 控制柵接地，漏極或源極施加高電壓（如12V~20V）。

• 電子從浮柵通過隧道效應移出到襯底。

1. 施加反向高壓：

2. 閾值電壓降低：
   浮柵恢復無電子狀態，晶體管恢復默認導通特性（邏輯“1”）。

• 關鍵點：

• EEPROM通常以字節為單位擦除（部分型號支持塊擦除）。

• 擦除時間與寫入時間相近（約5ms）。

3. 頁寫入模式

• 原理：
  部分EEPROM支持頁寫入（如8字節或16字節），在單次寫入周期內可修改多個字節。

• 優勢：總寫入時間不變（如5ms），但數據量更大，效率提升。

• 限制：頁內所有字節需連續寫入，不能跳過。

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：

• 關鍵點：

• 讀取電壓需低于寫入/擦除電壓，避免誤觸發隧道效應。

• 讀取速度快（μs級），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的元件級特性總結

六、EEPROM與其他存儲器的對比

七、元件級設計建議

1. 寫入優化：

• 使用頁寫入模式減少總寫入時間。

• 結合緩存機制，批量寫入數據。

2. 壽命管理：

• 避免頻繁寫入同一地址（如使用磨損均衡算法）。

• 監控寫入次數，提前預警壽命耗盡。

3. 電源穩定性：

• 寫入時確保電源電壓穩定，避免寫入失敗。

• 使用超級電容或備用電源防止寫入中斷。

八、總結與核心結論

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。

2. 讀寫機制：

• 寫入慢（5ms/字節），讀取快（μs級），支持單字節或頁寫入。

• 寫入“0”需注入電子，寫入“1”需移除電子（擦除）。

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）。

通過理解EEPROM的元件級原理，可更高效地設計硬件電路和軟件邏輯，避免常見問題（如寫入超時、地址越界、壽命耗盡等）。