Lze vymazat paměť EPROM pomocí UV-LED?

      16.6.2010 V jedné diskusi padl tento dotaz, zda-li je možné vymazat EPROMku běžnou UV-LEDkou. Já jsem byl přesvědčen, že to během rozumné doby není možné, protože výkon UV-LED je více jak 100x menší než u mazací zářivky a taktéž vlnová délka vyzařovaného světla běžně dostupných UV-LED je mnohem delší, než předepsaných 254 nm. Na netu jsem dokonce našel, že už to nějaký pokusník zkoušel a bez úspěchu. Jeden z diskutujících mě však výsledkem svého pokusu zviklal a tak sem si to chtěl sám ověřit.
      Nejprve bych ještě stručně připomněl princip paměti EPROM. Paměťová buňka je tvořena tranzistorem MOSFET s izolovaným plovoucím hradlem. Pokud je hradlo bez náboje, je tranzistor zavřený a z buňky čteme úroveň log. 1. Pokud je hradlo nabité tak, že je překonáno prahové napětí, je tranzistor otevřený a z buňky čteme úroveň log. 0. Při programování se pomocí vyššího napětí (typ. 12 - 25 V) protuneluje náboj z přívodu hradla skrz izolační oxidovou vrstvu na plovoucí hradlo a tam bez rušivých okolních vlivů vydrží usazen desítky let. Mazání se pak provádí ozářením UV-C světlem skrze okénko z křemičitého skla nad čipem v keramickém pouzdru. Standardně se k mazaní používají nízkotlaké rtuťové výbojky a doba osvitu je asi 15 minut. Potřebná dávka ozáření je asi 6 - 25 J/cm². Výbojka musí být umístěna blízko paměti, protože okolní vzduch se ionizuje a tlumí UV záření. Existují taky levné verze OTP (One Time Programming) EPROM v plastovém pouzdru bez okénka, které běžně mazat nelze. Avšak v dřívějších dobách nouze byly konány pokusy o výmaz OTP EPROM pomocí rentgenového záření, což je sice spolehlivě vymaže, ale může také poškodit jejich jemnou strukturu.


      v GM sem koupil tuto UV-LED s maximem vyzařování na 385 - 390 nm za 10,- Kč. Napájecí proud jsem nastavil na 24 mA při úbytku 3,34 V. Vzhledem k typické účinnosti těchto UV-LED necelých 15%, lze z ní dostat asi 10 mW optického výkonu. Jako pokusnou paměť jsem vytáhnul z šuplíku NM27C512Q-150 s kapacitou 64 kB od National Semiconductors. Vymazal jsem ji výbojkou a v programátoru naprogramoval obsah samé 0. Ke skleněnému okénku jsem přilepil papírovou ruličku a do ni zasadil UV-LED tak, že se přímo dotýkala skla. Pak už jsem to jen nechal svítit a občas obsah paměti přečetl. Jednoduchým prográmkem jsem spočítal počet všech 0 a 1 bitů. Ze začátku se dlouho nic nedělo, ale si po 8 hodinách začly padat první bity. Zde je graf, jak se vyvíjel počet smazaných bitů v čase:

      Jak je vidět, nejvíce se obsah paměti měnil po 10 - 30 hodinách, k plnému výmazu však došlo až po 70 hodinách osvitu. Napadlo mě také přečtená data z paměti reprezentovat graficky. Zde je obraz paměti vymazané na 90%, černá odpovídá bajtu s hodnotou 00h a bílá odpovídá hodnotě FFh. Jak je vidět, obrazec zdaleka není čistě náhodný šum. To je dáno nehomogenním ozářením v ploše čipu odpovídajícím vyzařovací charakteristice UV-LED.


      Závěrem lze tedy říci, že mazání pomocí běžné UV-LED je sice možné, ale extrémně zdlouhavé a neefektivní. To už lépe poslouží ostré letní slunce, kde stačí expozice pár hodin. Polovodiče však neřekly své poslední slovo. Na světě už existují krátkovlnné UV-LED do 240 nm s kterými by mazání trvalo určitě kratší dobu, jejich výkon je ale oproti výbojkám pořád dost malý.

      7.4.2020 Po letech jsem znovu oprášil pokusy s mazáním EPROM, když jsem si chtěl ověřit jednu teorii. Na hubení mikroorganismů se používají speciální germicidní nízkotlaké rtuťové trubice, které generují vysokoenergetické UV-C záření o vlnových délkách 254 a 185 nm (jejich spektrum je čárové). Jsou vyrobené ze speciálního křemenného skla, které tyto krátké vlnové délky propouští. Na vlnové délce 185 nm dochází k intenzivnímu generování ozónu, což je někdy žádoucí a někdy ne, pro tyto účely se vyrábí trubice s potlačeným spektrem 185 nm. Oproti středotlakým rtuťovým výbojkám s převážně spojitým spektrem (využívajících navíc konverzi pomocí luminoforu) používaných ve veřejném osvětlení, pracují tyto trubice s asi 100x menší hustotou energie a 1000x nižším tlakem. Pracovní teplota plynové náplně s Hg parami je jen 30 - 50°C, zatím co u středotlakých výbojek 600 - 800°C. Pozor, UV-C záření z germicidních trubic je schopné způsobit zánět spojivek už po pár vteřinách expozice z blízka!


      Napadlo mě tedy vyzkoušet, jak se zachová hořák ze středotlaké výbojky za sníženého příkonu. Pokud se hustota energie a tlak náležitě sníží, měly by uvnitř panovat stejné podmínky, jako u germicidních trubic (ze spojitého spektra se stane čárové). Dosažitelný výkon však bude řádově menší protože i velikost hořáku z výbojky je neporovnatelně menší oproti dlouhým trubicím. Jelikož nemám žádný detektor UV záření, který by uměl rozlišit různé vlnové délky, zkusil jsem nepřímo zkoumat vliv UV záření na dobu potřebnou k vymazání paměti EPROM ST M27C256B. Jak už jsem zmínil výše, tyto paměti potřebují k výmazu UV-C záření optimálně o vlnové délce 254 nm. Doba výmazu pak závisí na intenzitě a převládající vlnové délce. Hořák ze rtuťové výbojky jsem umístil ve výšce 44mm nad povrchem paměti, kterou jsem zastrčil do programátoru, naprogramoval do ní samé 0 a v pravidelných intervalech ji během osvitu vyčítal. Napřed jsem hořák krmil ze sítě přes 70W tlumivku, jenž odebíral proud 1,4 A při napětí 38 V, tedy reálný příkon 53,2 W. První smazaný bit jsem zaznamenal po 5 minutách a 50 s. Kompletní výmaz paměti trval 15 minut a spotřebovaná energie byla 47880 J. Pak jsem pokus opakoval při napájení hořáku ze sítě přes 10W tlumivku pro kompaktní zářivky, jenž odebíral proud 0,226 A při napětí 27,3 V, tedy reálný příkon 6,17 W. První smazaný bit jsem zaznamenal po 10 minutách a 20 s. Kompletní výmaz paměti trval 35 minut a spotřebovaná energie byla 12957 J. Tzn. při 8,6x menším příkonu se doba výmazu prodloužila jen 2,3x a stačila 3,7x menší energie. Z toho podle mě jasně plyne, že se muselo relativně zvýšit generování kratších vlnových délek, které paměť mažou intenzivněji. Také ozón byl při menším příkonu více a déle cítit, zatím co při větším příkonu jen krátkou dobu po zapálení hořáku a pak už vůbec.

      Pro představu jsem dohledal, že na likvidaci chřipkového viru H1N1 stačí ozáření dávkou 2 mJ/cm² při vlnové délce 222 nm. V případě výkonné germicidní trubice s intenzitou záření 500 µW/cm² ze vzdálenosti 1 m tak stačí krátká 4s expozice. Dávky pro jiné breberky mohou být až o několik řádů vyšší, např. plísně. Pokud vyjdu z předpokladu, že na smazání EPROM je potřeba dávka cca 15 J/cm², tak hořák z mé výbojky vyzařuje intenzitou cca 7 mW/cm² ze vzdálenosti 44 mm (při napájení 10W tlumivkou), což po přepočtení na 1m vzdálenost činí pouhých 13,8 µW/cm², takže bych musel svítit asi 2,5 minuty místo 4 s.