EEPROM：电可擦写只读存储器的工作原理与技术解析(上)

在嵌入式系统与电子设备中，有一种特殊的存储介质既能像ROM一样长期保存数据，又能通过电信号灵活改写内容，这就是EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦写可编程只读存储器）。从智能手表的用户设置到汽车ECU的校准参数，EEPROM凭借其“断电不丢失数据”且“可重复修改”的特性，成为存储关键信息的核心组件。深入探究EEPROM的工作原理，不仅能理解数据如何在半导体中实现电擦写，更能洞察其在电子设备中的不可替代价值。

EEPROM的核心存储单元由一只特殊的“浮栅场效应晶体管”（Floating Gate Field-Effect Transistor，简称浮栅管）构成，其精妙之处在于通过栅极结构的设计，实现电荷的“捕获”与“释放”，从而稳定存储二进制数据。 

浮栅管的结构包含两个栅极——控制栅（Control Gate）和浮栅（Floating Gate），两者之间被一层极薄的氧化层（通常为二氧化硅，厚度仅5-10纳米）分隔，浮栅下方则通过另一层氧化层与半导体衬底（通常为P型硅）隔离。这种结构让浮栅成为一个被绝缘层包裹的“电荷陷阱”：当电子被注入浮栅后，会被氧化层的绝缘特性禁锢其中，即使断电也能长期保留；而通过特定的电信号刺激，这些电子又能被“引诱”离开浮栅，实现数据的擦除。 

在初始状态下，浮栅中没有额外电子，此时在控制栅施加电压，晶体管会导通，对应二进制数据“1”；当需要写入“0”时，通过电信号将电子注入浮栅，负电荷会削弱控制栅的电场，使晶体管导通所需的电压升高（即阈值电压上升），此时即使施加常规电压，晶体管也保持截止状态。通过检测晶体管的导通状态，就能判断存储的是“0”还是“1”，这就是EEPROM存储数据的基本原理。 

与早期的EPROM（紫外线可擦除ROM）相比，EEPROM的浮栅与衬底之间的氧化层更薄，且控制栅的电压控制方式更精细，这使得它无需依赖紫外线照射，仅通过电信号就能完成擦写，为在线编程提供了可能。

EEPROM的工作过程围绕“电荷迁移”展开，写入、擦除和读取三个操作分别对应不同的电信号施加方式，每个环节都需要精确控制电压、时间和电流，以确保数据的稳定性与可靠性。 

写入操作的核心是将电子注入浮栅，主要通过“热电子注入”或“Fowler-Nordheim隧道效应”两种方式实现。热电子注入时，控制栅被施加高电压（通常12-20V），同时源极接地、漏极施加中等电压，此时沟道中的电子获得足够能量（“热电子”），会冲破浮栅下方的氧化层进入浮栅；隧道效应法则是在控制栅施加负电压、衬底施加正电压，使浮栅与衬底之间形成强电场，电子在电场作用下通过量子隧道效应穿过氧化层进入浮栅。现代EEPROM多采用隧道效应，因其对氧化层的损伤更小，能延长器件寿命。写入过程通常需要几微秒到几十微秒，且每个字节可独立写入，这与需要按块操作的Flash存储器形成显著区别。 

擦除操作则是让浮栅中的电子释放，本质是写入的逆过程。此时控制栅施加正电压，衬底接地（或施加负电压），浮栅与衬底之间的强电场使电子从浮栅通过隧道效应回到衬底，浮栅恢复无额外电荷的状态，晶体管的阈值电压降低，回到“1”的状态。与写入相同，EEPROM支持字节级擦除，无需像Flash那样整体擦除一块数据，这使其在需要频繁修改少量数据的场景中极具优势——例如修改传感器的校准参数时，只需擦除对应字节再重新写入，无需动及其他数据。