!!忆阻器的发展与应用.ppt

忆阻器的发展与应用2010年12月29号Contents概念产生与发展1忆阻器元件的实现2忆阻器的应用前景3总结4概念产生与发展v什么是忆阻器？ § 忆阻器（Memristor）的概念由加州大学 伯克利分校的蔡少棠（Chua）在1971年 提出忆阻器是一类具有电阻记忆行为 的非线性电路元件，被认为是除电阻、 电容、电感外的第四个基本电路元件概念产生与发展v忆阻器的定义 § 由电路理论可知，三个传统的二端口电 路元件电阻（R）、电容（C）、电感（ L）建立了四个电路变量电压（V）、电 流（I）、磁通量（φ）和电荷量（Q）间 的联系上述四个电路变量两两之间可 以建立六个数学关系式，其中五对关系 式已经为大家所熟知——分别来自R、C 、L、Q 的定义和法拉第电磁感应定律（ 如图1所示），但φ、Q 间的关系却一直 没被揭示概念产生与发展v忆阻器的定义§ 图1概念产生与发展v忆阻器的定义Chua从电路变量关系完整性角度，定义了 增量忆阻M（Q）来描述φ、Q 间的这一 关系：M（Q）=dφ（Q）/dQ （1） 满足公式（1）所定义关系的电路元件被称为忆阻器 同时，由dφ=Vdt，dQ=Idt 可得：M（Q）=V/I （2） 因此，增量忆阻具有与电阻相同的量纲。

忆阻器元件的实现v实现忆阻器的模型和机理§ 随着人们对于忆阻概念理解的深入，实 现忆阻性能的多种物理模型与机理在各 研究领域被相继提出，真正意义上的忆 阻器件成为现实LOGO丝电导 机制边界迁移模型电子自旋 阻塞模型氧化还 原反应v主要的忆阻器实现模型和机理忆阻器元件的实现——模型和机理Ø边界迁移模型 边界迁移模型最初用于实现忆阻器具有的电路特性，如 图所示该模型由位于两端的金属电极和电极间的掺杂半导 体薄膜组成§ 电极间的半导体薄膜由于基体中载流子浓度不同而分为 低电阻的高掺杂浓度区和高电阻的低掺杂浓度区，结构两 端加载的偏电压驱使高、低掺杂浓度区间的边界发生迁移 ，致使结构对外呈现随外加电压时间作用而变化的电阻 该结构呈现忆阻现象的物理机制是电场作用下氧空位缺陷 的迁移忆阻器元件的实现——模型和机理Ø电子自旋阻塞模型 利用半导体/半金属（或铁磁材料）接触界面附 近与自旋自由度相关的电子迁移受限现象，设计了 基于自旋阻塞（Spin blockade）效应的忆阻器 ，其结构如下图所示忆阻器元件的实现——模型和机理Ø丝导电机制 下列图所示十字交叉杆结构由相互垂直的两层导电纳米线 和中间的电解质层构成。

外界施加的激励诱发电解质中导电 丝的形成，此结构中，导电丝的增长等效于金属粒子在微观 距离上的跳跃，可以引起结构电阻的指数衰减，使器件发生 从高电阻状态向低电阻状态的转变，促使忆阻现象发生I-V 曲线体现出的电阻滞后转换 具有忆阻现象的十字交叉阵忆阻器元件的实现——模型和机理Ø氧化还原反应 氧化还原反应的发生，往往伴随着反应物质化学状态的改 变因为物质在不同化学状态时对外界呈现的电阻往往又有 差异，因此氧化还原反应引起的这种变化可以用来实现器件 的忆阻效应Berzina等通过设计下图所示的结构实现了基 于有机材料（PANI）氧化还原反应的忆阻效应忆阻器元件的实现——模型和机理Ø其他相关机理由忆阻器和忆阻系统的理论可知，外加激励能够 引起导电状态发生变化的系统和器件都有被用来实 现忆阻效应的可能从这种角度讲，忆阻器的实现 机理与模型有更广阔的研究范围，如电子隧穿效应 、渗流理论、材料内陷阱的碰撞电离与重填等关 于阻值转换行为和模型的讨论也已在各种材料体系 中被广泛涉及，并将引起更广泛的影响忆阻器元件的实现——模型和机理忆阻器元件的实现v忆阻器的存在§ 借助于现代纳 米技术中突破性 的成果，惠普实 验室于2008年证 明了忆阻器的存 在。

忆阻器元件的实现 ——忆阻器的存在 ØHP 的 Crossbar Latch研究 Crossbar Latch技术的原理是由一排横向和一排纵向的 电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连 结一条横向和纵向的电线如果能让这两条电线控制这个开 关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的 数据这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，但 是什么样的材料能当这个开关？HP 的工程师当时并不知道要 寻找的这种材料正是忆阻器Crossbar Latch 的试作品结果忆阻器元件的实现 ——忆阻器的存在 ØHP 的 Crossbar Latch研究 • 二氧化钛的忆阻器作用HP从二氧化钛研究中发现忆阻器：一块极薄的二氧化钛被夹在 两个电极（上图是铂）中间，这块钛又被分成两个部份，一半是正 常的二氧化钛，另一半稍微缺氧，少了几个氧原子缺氧的那一半 带正电，因此电流通过时电阻比较小，而且当电流从缺氧的一边通 向正常的一边时，在电场的影响之下缺氧的洞会逐渐往正常的一侧 游移，使得以整块材料来言，缺气的部份会占比较高的比重，整体 的电阻也就会降低反之，当电流从正常的一侧流向缺氧的一侧时 ，电场会把缺氧的洞从回推，电阻就会跟着增加。

忆阻器元件的应用基础电基础电 路设计路设计模型模型 分析分析生物记忆生物记忆 行为仿真行为仿真电路器电路器 件设计件设计Ø模型分析作为基本电路元件之一，忆阻器在电路模型分 析中 有着广泛的应用在忆阻器和忆阻系统的概 念提出之前，多种系统已被观察到存在忆阻行为， 如阈值开关、电热调节器、神经突触的离子传递系 统、放电管等 Ø基础电路设计忆阻器的出现不仅丰富了现有的电路元件类型， 而且补充了目前的RC、RL、LC、RLC电路设计方 案，将其扩展到所有可能由电路的四个基本元件与 电压源组成的电路范围忆阻器元件的应用Ø电路器件设计忆阻器以其独特的记忆性能和电路特性，在电路 器件设计方面给人们提供了新的思路如依赖其记 忆性能的高密度非易失性存储器，基于忆阻器电学 性能的参考接收机、调幅器 Ø生物记忆行为仿真对生物记忆行为的电路仿真，是忆阻器另一个极 具吸引力的用途忆阻器参与组成的电路已被 Pershin 等用于对多头绒泡菌对环境刺激学习行为 的电路仿真，他们成功地用电路对外加激励的电学 响应模仿了生物对外界环境刺激的响应行为忆阻器元件的应用总结作为一种新型的无源电子元件，忆阻器的出 现为电子电路行为提供了新的调制手段和新的功 能。

随着研究的不深入，实现忆阻行为的模型与 机理正在被不断提出迄今，这一元件已在模型 分析、基础电路设计、电子器件和集成电路设计 以及生物神经系统仿真等领域崭露头角可以预 期，忆阻器件将可望在电子电路系统中获得应用 ，并成为电子信息技术的进一步发展的新契机参考文献v [1]蔡坤鹏，王睿，第四种无源电子元件忆阻器的研究及应用进展， 电子元件与材料，2010 .4，第29 卷 第4 期 v [2] Ralph Raiola,忆阻器的应用,今日电子无源器件特刊， 2008.11，总第183期 v [3]向辉,存储芯片设计实现新突破，世界科学，2008.7 v [4]于京生, 刘振永，关于忆阻器的一些思考，石家庄师范专科学校 学报，2003.5，第5卷第3期 v [5] CHUA L O. Memristor - the missing circuit element [J]. IEEE Trans Circuit Theory, 1971, 18(5): 507-519 v [6] Andy Yang,忆阻器,瘾科学,2010.3。