- 存储器件选型——EEPROM
概要：本文详细介绍了 EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）的结构、原理、工作机制、关键特性及其应用场景。通过图文结合的方式，讲解了 EEPROM 的写入、读取、擦除过程，并对其与 Flash 存储器的区别进行了对比说明。
1. EEPROM
FG（多晶硅等）放在 CG 与 MOSFET 通道之间。由于这个 FG 在电气上是受绝缘层独立的，所以进入的电子会被困在里面。在一般的条件下电荷经过多年都不会逸散。
一般 EEPROM 采用堆栈型单元构造。通过控制存储单元的浮栅（FG）中电荷量来实现数据的保持。
EEPROM 仅通过电信号就可擦除被选择部分的内容，而且擦除的时候不需要从回路中取出。特定的存储单元的擦写次数的限制，一般可擦写 1 万到 10 万次。
以浮栅中是否存有电子来区分逻辑状态 0 和 1（也会以电荷多少来区分多个逻辑状态，比如 00、01、10、11 等）。
- 写：当漏极接地，控制栅加上足够高的电压时（大于正常工作电压），交叠区将产生一个很强的电场，在强电场的作用下，电子通过绝缘层到达浮栅，使浮栅带负电荷。
- 读：在读取存储单元时，我们可以在控制栅上加一个中间电平，其值介于两个阀值 Vth 之间，这样浮栅有电子的高开启管不能导通，而浮栅放电后的低开启管能正常导通，由此分辨出单元存储的数据是“1”还是“0”。
- 擦：当控制栅接地，漏极加正电压，则浮栅放电。
对 EEPROM 存储单元进行“擦除”操作，就是将电子注入到浮栅中的过程。
对 EEPROM 存储单元进行“写入”操作，就是将浮栅中电子释放的过程（不要把“写入”与“擦除”操作弄反了）。
此处的写入就是写 0。
没有使用过的 EEPROM 读取时全为 FF。
1.1 什么是 EEPROM？
EEPROM 的全称是 电可擦除可编程只读存储器。它是一种非易失性存储器，断电后数据不会丢失。
关键特点：
- 电可擦除：使用电信号即可擦除数据。
- 可编程：可用电信号写入新数据。
- 字节级操作：支持逐字节读取、擦除和写入，灵活性高。
1.2 核心工作原理：浮栅晶体管 (Floating Gate Transistor)
EEPROM 的核心为一个特殊的 MOS 晶体管，具备两个栅极：
- 控制栅 (Control Gate, CG)：控制导通与否。
- 浮栅 (Floating Gate, FG)：被二氧化硅绝缘层包围的“悬浮”结构，可捕获并保存电子。
浮栅中电子的存在与否决定了存储单元的状态（1 或 0）。
1.3 信息的存储：如何写入（编程）？
写入过程（编程）：
- 步骤：在源极和漏极之间施加高电压（+12V ~ +20V）。
- 原理：高电场使沟道电子变为“热电子”，通过 Fowler-Nordheim 隧穿效应注入浮栅。
- 结果：浮栅带负电，晶体管阈值电压升高，无法导通，存储状态为
0。
1.4 信息的读取：如何判断状态？
读取过程：
- 浮栅无电子（存储
1）：- 阈值低，晶体管导通，有电流 → 判为
1。
- 阈值低，晶体管导通，有电流 → 判为
- 浮栅有电子（存储
0）：- 阈值高，晶体管截止，无电流 → 判为
0。
- 阈值高，晶体管截止，无电流 → 判为
1.5 信息的清除：如何擦除？
擦除过程：
- 在源极施加高电压（+12V ~ +20V），控制栅接地。
- 浮栅中电子通过 Fowler-Nordheim 隧穿回到源极。
- 浮栅恢复电中性，状态恢复为
1。
2. EEPROM 的关键特性
- 非易失性 (Non-Volatile)：断电后数据保存 10 年至 100 年。
- 字节级擦写：支持单字节操作，灵活性高。
- 有限擦写次数：擦写寿命约为 10 万至 100 万次。
- 写入速度慢：写入时间为毫秒级（如 3ms ~ 10ms）。
- 数据保持期长：浮栅电子泄漏率低，可长期保存数据。
3. EEPROM vs. Flash
| 属性 | EEPROM | Flash |
|---|---|---|
| 擦除方式 | 字节擦除 | 块/扇区擦除 |
| 成本 | 高 | 低 |
| 容量 | 小 | 大 |
| 灵活性 | 高 | 较低 |
| 结构复杂度 | 高（需选择晶体管） | 低 |
Flash 是 EEPROM 的一种高密度变体，适合大容量存储；EEPROM 适用于小量、频繁修改的数据存储。
4. 常见应用
EEPROM 适合存储需要频繁修改但不能丢失的小量数据：
- 单片机 / MCU：存储系统参数、设定、密码等。
- BIOS / UEFI CMOS 设置
- 智能卡、RFID 标签
- 家电设备：如电视、洗衣机等用户设定。
- I²C 接口芯片：如 24C02、24C64 等常见于电子项目。
5. 总结
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 全称 | 电可擦除可编程只读存储器 |
| 核心元件 | 浮栅晶体管 (Floating Gate Transistor) |
| 写入原理 | 热电子注入 / Fowler-Nordheim 隧穿 |
| 擦除原理 | Fowler-Nordheim 隧穿 |
| 读取原理 | 检测浮栅是否有电子 |
| 主要优点 | 非易失、字节级擦写、无需外部擦除设备 |
| 主要缺点 | 写入慢、擦写次数有限、容量小、成本高 |
| 典型应用 | 存储小量且需频繁修改的数据 |
6. EEPROM 接口种类
主流串口 EEPROM 分为以下三种接口方式：
- Microwire
- I²C
- SPI
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