电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）是一种非易失性存储器，用户可以通过施加电压脉冲来重复存储和擦除少量数据。EEPROM 通常被用作计算机和移动设备的存储介质，并在微控制器等设备中有应用。工程师可以借助半导体仿真分析和优化 EEPROM 器件的设计。
改进存储设备: 从 ROM 到 EEPROM
EEPROM 来自存储设备的不断改进。例如，这种类型的内存的早期版本是只读存储器（ROM）。ROM 虽然有其优势，但它的一个主要缺点是不能被重新编程或重写。
为了解决这个问题以及其他缺点，科学家们创造了可编程只读存储器(PROM)，可以在创建后用特殊的工具对其进行编程。然而，工程师只能对一个 PROM 设备编程一次。这个问题是通过可擦除可编程只读存储器(EPROM)设计迭代解决的，工程师可以使用紫外光自行擦除数据。虽然这是一次实质性的进步，但必须从设备中取出 EPROM 芯片才能重新编程。
为了解决这个问题，EEPROM 诞生了。与 EPROM 相比，EEPROM 性能更加优越，因为它可以用电压脉冲重新编程，并且在此过程中不需要移除芯片。但是，EEPROM 往往运行很慢，所以一种被称为闪存的更快的 EEPROM 也被开发出来了。
EEPROM 的一些缺点是它只能被重写有限的次数，并且当从电源中移除时，它不能无限期地存储数据。
一种贴片式 EEPROM 设备。图片由 Micah Elizabeth Scott 提供自己的作品。通过Flickr Creative Commons在CC BY-SA 2.0下获得许可。
要研究一个EEPROM 设备，包括其写入周期、擦除周期及其电流和电荷特性，我们可以通过 COMSOL Multiphysics 软件和附加的半导体模块进行模拟。下面我们将举例详细说明。
用半导体仿真分析 EEPROM 设备
本文讨论的浮栅 EEPROM 例子是基于A. Concannon，S. Keeney，A. Mathewson 和 C. Lombardi 的工作(EEPROM 案例教程文档中的参考文献2)。模型的几何形状如下图所示，总长度为1.8 μm，包括两个电隔离栅:一个浮栅和一个控制栅。
EEPROM 模型几何。
简单来说，写入和擦除周期从施加初始电压脉冲开始对EEPROM器件进行编程。使用这个模型，我们可以看到这个脉冲导致电子隧穿隧道势垒，并积累在存储电荷的浮栅上。
对 EEPROM 设备进行写入的控制电压脉冲期间的电场。可以看到电场集中在隧道势垒内。
为了从 EEPROM 设备中擦除数据，施加了一个负脉冲，使电子隧穿出去，并使浮动栅返回到接近其原始状态。使用 COMSOL 软件，我们可以模拟这个写入和擦除过程，并计算多种不同 EEPROM 器件的特性。
检查 EEPROM 设备
首先，我们可以查看一项静态研究的结果，该研究比较了带电(写入状态)和不带电(擦除状态)浮栅的电流-电压(I-V)特性。正如预期的那样，在器件未达到阈值“导通”控制栅之前，源极和漏极之间没有电流流动。当控制电压超过该阈值时，对于给定的源极-漏极电压，更多的电流可以流动。储存的电荷会改变阈值电压，进而改变源极-漏极伏安曲线，如下图所示。
使用从这项研究中获得的源电流信息，可以确定浮栅是否存储电荷。例如，1V 的控制电压在擦除配置中不会产生电流，当充电至 -2×10-15μA 时，电流约为 0.5 C。
当固定漏极电压为 10mV 时，源极电流与控制电压的关系。蓝线表示处于擦除状态的器件，绿线表示处于写入状态的器件。
接下来的两幅图显示了与时间相关的研究结果，工程师能够分析瞬态电压脉冲的影响，这些脉冲允许器件随着时间的推移进行写入和擦除。
在下图中，我们可以看到写入和擦除过程的隧道电流随时间的变化。在写入过程中，电子隧穿到浮动栅极中，并引起负的常规电流。在擦除过程中，这些电子隧穿出浮动栅极，产生与写入过程大小相等的正电流。
下图显示了两种情况下浮栅上存储的电荷(由电子隧穿隧道势垒引起)与时间的函数关系。这里，写入过程导致负电荷在浮动栅极上累积，而擦除过程将电荷返回到零。这些结果是预期的，并有助于确认半导体仿真的有效性。
对于写入(蓝色)和擦除(绿色)过程，隧道电流(左)和浮动栅极中的电荷(右)是时间的函数。
后续步骤
如本例中所示，结合 COMSOL Multiphysics 软件和半导体模块，我们可以精确计算和可视化浮栅 EEPROM 器件的电流和电荷特性。想尝试自己动手模拟这个例子吗？点击下面的按钮前往 COMSOL 案例库下载与这个案例和相关的 MPH 文件。
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