憶阻器的發(fā)展與應(yīng)用

憶阻器的發(fā)展與應(yīng)用

2010年12月29號

Contents概念產(chǎn)生與發(fā)展1憶阻器元件的實現(xiàn)2憶阻器的應(yīng)用前景3總結(jié)4概念產(chǎn)生與發(fā)展什么是憶阻器？

憶阻器（Memristor）的概念由加州大學伯克利分校的蔡少棠（Chua）在1971年提出。憶阻器是一類具有電阻記憶行為的非線性電路元件，被認為是除電阻、電容、電感外的第四個基本電路元件。

概念產(chǎn)生與發(fā)展憶阻器的定義由電路理論可知，三個傳統(tǒng)的二端口電路元件電阻（R）、電容（C）、電感（L）建立了四個電路變量電壓（V）、電流（I）、磁通量（φ）和電荷量（Q）間的聯(lián)系。上述四個電路變量兩兩之間可以建立六個數(shù)學關(guān)系式，其中五對關(guān)系式已經(jīng)為大家所熟知——分別來自R、C、L、Q的定義和法拉第電磁感應(yīng)定律（如圖1所示），但φ、Q間的關(guān)系卻一直沒被揭示。概念產(chǎn)生與發(fā)展憶阻器的定義圖1概念產(chǎn)生與發(fā)展憶阻器的定義Chua從電路變量關(guān)系完整性角度，定義了增量憶阻M（Q）來描述φ、Q間的這一關(guān)系：M（Q）=dφ（Q）/dQ（1）滿足公式（1）所定義關(guān)系的電路元件被稱為憶阻器。同時，由dφ=Vdt，dQ=Idt可得：M（Q）=V/I（2）因此，增量憶阻具有與電阻相同的量綱。憶阻器元件的實現(xiàn)實現(xiàn)憶阻器的模型和機理隨著人們對于憶阻概念理解的深入，實現(xiàn)憶阻性能的多種物理模型與機理在各研究領(lǐng)域被相繼提出，真正意義上的憶阻器件成為現(xiàn)實。LOGO絲電導機制邊界遷移模型電子自旋阻塞模型氧化還原反應(yīng)主要的憶阻器實現(xiàn)模型和機理憶阻器元件的實現(xiàn)

——模型和機理邊界遷移模型邊界遷移模型最初用于實現(xiàn)憶阻器具有的電路特性，如圖所示該模型由位于兩端的金屬電極和電極間的摻雜半導體薄膜組成。電極間的半導體薄膜由于基體中載流子濃度不同而分為低電阻的高摻雜濃度區(qū)和高電阻的低摻雜濃度區(qū)，結(jié)構(gòu)兩端加載的偏電壓驅(qū)使高、低摻雜濃度區(qū)間的邊界發(fā)生遷移，致使結(jié)構(gòu)對外呈現(xiàn)隨外加電壓時間作用而變化的電阻。該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)憶阻現(xiàn)象的物理機制是電場作用下氧空位缺陷的遷移。憶阻器元件的實現(xiàn)

——模型和機理電子自旋阻塞模型利用半導體/半金屬（或鐵磁材料）接觸界面附近與自旋自由度相關(guān)的電子遷移受限現(xiàn)象，設(shè)計了基于自旋阻塞（Spinblockade）效應(yīng)的憶阻器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。憶阻器元件的實現(xiàn)

——模型和機理絲導電機制下列圖所示十字交叉桿結(jié)構(gòu)由相互垂直的兩層導電納米線和中間的電解質(zhì)層構(gòu)成。外界施加的激勵誘發(fā)電解質(zhì)中導電絲的形成，此結(jié)構(gòu)中，導電絲的增長等效于金屬粒子在微觀距離上的跳躍，可以引起結(jié)構(gòu)電阻的指數(shù)衰減，使器件發(fā)生從高電阻狀態(tài)向低電阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，促使憶阻現(xiàn)象發(fā)生。I-V曲線體現(xiàn)出的電阻滯后轉(zhuǎn)換具有憶阻現(xiàn)象的十字交叉陣憶阻器元件的實現(xiàn)

——模型和機理氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，往往伴隨著反應(yīng)物質(zhì)化學狀態(tài)的改變。因為物質(zhì)在不同化學狀態(tài)時對外界呈現(xiàn)的電阻往往又有差異，因此氧化還原反應(yīng)引起的這種變化可以用來實現(xiàn)器件的憶阻效應(yīng)。Berzina等通過設(shè)計下圖所示的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了基于有機材料（PANI）氧化還原反應(yīng)的憶阻效應(yīng)。憶阻器元件的實現(xiàn)

——模型和機理其他相關(guān)機理由憶阻器和憶阻系統(tǒng)的理論可知，外加激勵能夠引起導電狀態(tài)發(fā)生變化的系統(tǒng)和器件都有被用來實現(xiàn)憶阻效應(yīng)的可能。從這種角度講，憶阻器的實現(xiàn)機理與模型有更廣闊的研究范圍，如電子隧穿效應(yīng)、滲流理論、材料內(nèi)陷阱的碰撞電離與重填等。關(guān)于阻值轉(zhuǎn)換行為和模型的討論也已在各種材料體系中被廣泛涉及，并將引起更廣泛的影響。憶阻器元件的實現(xiàn)

——模型和機理憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器的存在借助于現(xiàn)代納米技術(shù)中突破性的成果，惠普實驗室于2008年證明了憶阻器的存在。憶阻器元件的實現(xiàn)

——憶阻器的存在HP的CrossbarLatch研究CrossbarLatch技術(shù)的原理是由一排橫向和一排縱向的電線組成的網(wǎng)格，在每一個交叉點上，要放一個「開關(guān)」連結(jié)一條橫向和縱向的電線。如果能讓這兩條電線控制這個開關(guān)的狀態(tài)的話，那網(wǎng)格上的每一個交叉點都能儲存一個位的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)下數(shù)據(jù)密度和存取速度都是前所未聞的，但是什么樣的材料能當這個開關(guān)？HP的工程師當時并不知道要尋找的這種材料正是憶阻器。CrossbarLatch的試作品結(jié)果憶阻器元件的實現(xiàn)

——憶阻器的存在HP的CrossbarLatch研究二氧化鈦的憶阻器作用HP從二氧化鈦研究中發(fā)現(xiàn)憶阻器：一塊極薄的二氧化鈦被夾在兩個電極（上圖是鉑）中間，這塊鈦又被分成兩個部份，一半是正常的二氧化鈦，另一半稍微缺氧，少了幾個氧原子。缺氧的那一半帶正電，因此電流通過時電阻比較小，而且當電流從缺氧的一邊通向正常的一邊時，在電場的影響之下缺氧的洞會逐漸往正常的一側(cè)游移，使得以整塊材料來言，缺氣的部份會占比較高的比重，整體的電阻也就會降低。反之，當電流從正常的一側(cè)流向缺氧的一側(cè)時，電場會把缺氧的洞從回推，電阻就會跟著增加。憶阻器元件的應(yīng)用基礎(chǔ)電路設(shè)計模型分析生物記憶行為仿真電路器件設(shè)計模型分析作為基本電路元件之一，憶阻器在電路模型分析中有著廣泛的應(yīng)用。在憶阻器和憶阻系統(tǒng)的概念提出之前，多種系統(tǒng)已被觀察到存在憶阻行為，如閾值開關(guān)、電熱調(diào)節(jié)器、神經(jīng)突觸的離子傳遞系統(tǒng)、放電管等基礎(chǔ)電路設(shè)計憶阻器的出現(xiàn)不僅豐富了現(xiàn)有的電路元件類型，而且補充了目前的RC、RL、LC、RLC電路設(shè)計方案，將其擴展到所有可能由電路的四個基本元件與電壓源組成的電路范圍。

憶阻器元件的應(yīng)用電路器件設(shè)計憶阻器以其獨特的記憶性能和電路特性，在電路器件設(shè)計方面給人們提供了新的思路。如依賴其記憶性能的高密度非易失性存儲器，基于憶阻器電學性能的參考接收機、調(diào)幅器。生物記憶行為仿真對生物記憶行為的電路仿真，是憶阻器另一個極具吸引力的用途。憶阻器參與組成的電路已被Pershin等用于對多頭絨泡菌對環(huán)境刺激學習行為的電路仿真，他們成功地用電路對外加激勵的電學響應(yīng)模仿了生物對外界環(huán)境刺激的響應(yīng)行為。憶阻器元件的應(yīng)用

總結(jié)作為一種新型的無源電子元件，憶阻器的出現(xiàn)為電子電路行為提供了新的調(diào)制手段和新的功能。隨著研究的不深入，實現(xiàn)憶阻行為的模型與機理正在被不斷提出。迄今，這一元件已在模型分析、基礎(chǔ)電路設(shè)計、電子器件和集成電路設(shè)計以及生物神經(jīng)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域嶄露頭角?？梢灶A(yù)期，憶阻器件將可望在電子電路系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，并成為電子信息技術(shù)的進一步發(fā)展的新契機。參考文獻[1]蔡坤鵬，王睿，第四種無源電子元件憶阻器的研究及應(yīng)用進展，電子元件與材料，2010.4，第29卷第4期[2]RalphRaiola,憶阻器的應(yīng)用,今日電子無源器件特刊，2008.11，總第183期[3]向輝,存儲芯片設(shè)計實現(xiàn)新突破，世界科學，2008.7[4]于京生,劉振永，關(guān)于憶阻器的一些思考，石家莊師范?？茖W校學報