憶阻器


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一、百度百科

http://baike.baidu.com/link?url=mB6IlNH4_cjeL6vPHuki7RmKOyRqGGzZ1-ty7xsCgbpuh_7g1H6UPUuZwdG7vc_OHpHADp2MUvsWiFo1VDWmWa

1.英文 :Memristor, Memory Resistor,

2.效果:這種組件的效果,就是它的電阻會隨着通過的電流量而改變,而且就算電流停止了,它的電阻仍然會停留在之前的值,直到接受到反向的電流它才會被推回去。

3.優點:由於憶阻器尺寸小、能耗低,所以能很好地儲存和處理信息。一個憶阻器的工作量,相當於一枚CPU芯片中十幾個晶體管共同產生的效用。

4.2012年,美國電氣和電子工程協會邀約3位國際知名學者共同撰寫了一篇長文《超越摩爾》,其中專章講述了憶阻器。這引起了中科院計算技術研究所研究員閔應驊的注意,他在科學網上連續發表5篇博文進行譯介。

二、wikipedia

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三、兩篇憶阻器論文的閱讀梗概

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 論文1

Memristor-The Missing Circuit Element

第一部分:introduction & abstract 提出了憶阻器的概念,對全文每個部分做了簡要的概述。
第二部分:介紹了作者提出憶阻器的物理理論依據,並詳細的用物理知識對四種基本元件的屬性做了對比和說明。並展示它在實驗室里的一個有源電路實現形式。
第三部分:憶阻器的阻抗特性方程及其他性質。其中最重要的應該要算是其物理實體器件存在性的基本電路性能——也就是它的無源性。
第四部分:憶阻器的電磁特性,利用麥克斯韋方程的准靜態延伸式對憶阻器在電磁場里的性能作一番解釋。
第五部分:憶阻器可能的一些新穎的應用。
第六部分:對全文的總結和對憶阻器存在,應用等方面的展望。


具體摘要:
I. introduction
本文展示了一種叫作憶阻器(記憶電阻器的簡稱) 的新型二端電子器件存在的邏輯和科學基礎,它完全可以像電阻,電容,電感那樣,作為一個基本的元器件。

II. MEMRISTOR-THE FOURTH BASIC CIRCUIT ELEMENT
1.電磁學具有四個基本量:電荷q,電壓u,電流i,磁鏈(磁通) 。任意取其中兩個量可以定義六個關系式,其中五個已經為我們熟知,分別是:
電流的定義:
電壓的定義:  
另外三個分別定義了電路中常見的三種無源器件R,L,C,分別:
電阻 R 由電壓和電流的比值定義;
電容 C 由電壓和電荷的比值定義;
電感 L 由磁通和電流的比值定義。
唯獨還漏了一組關系式,那就是 磁通  和 電荷q 。作者認為,毫無疑問地,有必要從這個比值出發定義一個假設的第四器件。而這也就是本文論述的 憶阻器,這么命名是因為從下文我們可以看到,它看起來多少像一個帶記憶的非線性電阻。
2.三種轉換器,分別是M-R,M-L,M-C轉換器,再分別接上一個對應的非線性電阻,電容,電感,則可以把相應的 -q特征曲線轉換成相應的u-i特征曲線(對於M-R的非線性電阻,對M-L,M-C則是相應的 -i曲線,q-v曲線)。接着論文給出了一張表,分別列舉了以上三種轉換器的兩種受控源電路模型,借由這些模擬電路,只要針對特定的 -q特征曲線,選擇具有相應u-i特征曲線的非線性電阻(這里以M-R為例,事實上,本文也是以它為例展開的,作者只做了M-R的模擬電路。),就可以很 輕易地實現憶阻器的模擬。所以,文章還附上了一幅具體的M-R轉換器的電路。(圖Fig.2)為了驗證該轉換電路真的可以實現憶阻器的功能,需要做一個示蹤器來檢驗。(附圖Fig.3也在文章中。)圖Fig.4的三組圖(對應不同的 -q特征曲線),很好地說明了該轉換電路的確可以實現憶阻器的功能模擬。特別地,如圖Fig.5所示,,我們給一個很簡單的憶阻器電路(該電路為Fig.5(a)所示),加上一個交流電壓源(本例中,分別給以63Hz的正弦波 源或者三角波源)。對於三組不同的,但都很平滑的 -q特征曲線,但我們仍然可以觀察到憶阻器兩端的電壓和電流波形顯得“相當地特殊”。作者認為“對此我們不該感到奇怪,我們由此會發現 憶阻器 具有其他三種RLC元件所無法具備的功能。事實上,正是這些特性讓我們相信憶阻器將會在電路領域起到很重要的作用,特別是在模擬器件的領域和一些非常規波 形發生器方面的應用,這些將會在第五部分展示。”

III.CIRCUIT-THEORETIC PROPERTIES OF MEMRISTORS
首先給出了 憶阻器 的阻抗特性:
經過物理推導:憶阻值(或者電導值)在任何時刻,都是電流(或電壓)對時間的導數,所以,對於任意的一個特定時刻,它就像一個普普通通的電阻(電導)。
進一步推出:當電流(或者電壓)恆定的時候,它就是一個線性單調增加的電阻(或電導)。
在最特殊的情況下,當電流或者電壓是0時,我們得到一個定值的電阻(或電導)。

但是,作者也提到,在線性網絡理論里討論一個線性憶阻器是沒意義的。接下來的這些無源性質將表明:在現實中,我們可能會找到什么種類的,純粹自然形式存在的實體器件,而無需帶外加電源

憶阻器的其他性質:
性質1:由一條可微 -q曲線特性決定的一個憶阻器,其阻值能且只能是一個非負阻值。
性質2:(封閉定理)一個純粹憶阻器單端口網絡對外表現為一個憶阻器。
性質3: 存在和唯一性
性質4:性質4是在性質3證明過程中,兩個定義基礎上的延伸,出於同樣的限制原因,無法總結,表過不提。
性質5:復雜度


IV. AN ELECTROMAGNETIC INTERPRETATION OF MEMRISTOR CHARACTERIZATION
眾所周知,電路理論是電磁理論一個有限制的特定部分。特別地,用麥克斯韋方程的准靜態式可以完美地解釋三大無源器件RLC的特性。在這一部分里,我們的目的是,給出了類似的憶阻器的特性描述。盡管這個理解並不是建立在不帶外部供電的實際憶阻器器件的基礎上,但是它很大程度上描述了那樣一個將有一天會被發現 的器件(憶阻器)。許多電磁現象和電磁系統可以用零次,一次的麥克斯韋方程滿意地得到分析。相應的解法成為准靜態分析。這表明電路理論屬於准靜態場,所以可以通過麥克斯韋方程的准靜態形式的得到研究。經過推導證明: 
憶阻器器件一定對一次電場和一次磁場具有記憶性。

V. SOME NOVEL APPLICATIONS OF MEMRISTORS
A 憶阻器用於器件模擬
1模擬OTS
2模擬E-Cell
B非常規信號的發生器

VI. CONCLUDINGREMARKS
憶阻器作為第四器件,三種由有源電路模擬的相應的轉換器。這些轉換器通過適當的連接,將產生更高階的電路。論文只展示了實驗室里做的一個憶阻器模型的特殊信號產生能力,而憶阻器用於模擬一些新穎的設備器件,即使只是作為一個概念性的工具分析也是很有用的。
因為我們只是展示了,M-R的電路,我們完全有理由相信當電路包含了電阻,電感和電容以及憶阻器的時候,將會有更多有趣的性質。最后,作者認為,雖然憶阻器的自然存在形式並沒有被發現。如果沒有被偶然發現的話,按照文中第三,四部分中,揭示出的有關的電氣性能以及准靜態解都預示着一個具有單調遞增 -q曲線特性的憶阻器將被發明。

 

論文2

The missing memristor found

(ABSTRACT)
  有些電氣知識的人,都知道基本元件有:電阻、電容、電感。然而,1971年,蔡少棠教授認為應該有RLC以外的第四器件 憶阻器 的存在,並且給出了很多很有趣和有用的電氣性能,但是,直到現在沒有人能展示一個有用的憶阻器的物理模型或者實物。在這里,我們(HP實驗室)展示了一個簡單的分析實例,在一個外加偏置電壓下,固態電子和粒子傳輸的納米級系統中,出現了純自然的 憶阻性。這些結果提供了一個理論基礎,幫助我們去理解在許多納米尺度的電子設備中發現的很寬范圍的電流電壓遲滯現象。納米尺度的電子系統包含了帶電粒子或者分子,特別是某些二氧化鈦的交叉點陣開關。

(正文)
  具體而言,蔡教授注意到電磁學的四個基本變量兩兩組合而成的六組數學關系式中,一個是電荷是電流對時間的積分;另一個是磁通是電動勢(或者電壓)對時間的 積分,這是由法拉第的電磁感應定律而定義的。所以,應該四個基本電路器件被描述,只有一個關系不存在,那就是消失的第四器件,憶阻器,由電荷和磁通的關系式dø=Mdq定義。
  在線性器件的情況中,M是一個常數,憶阻器阻值是一個普通電阻,所以,沒有什么特別讓人感興趣的。
但是,如果M是q的一個函數,變成一個非線性器件,則情況會變得更有趣。同時,它指出,非線性憶阻器的特性是非線性RLC器件的組合所無法取代的(雖然有源電路比如放大器可以實現)。因為很多有價值的電路功能得益於非線性器件的特性,所以如果讓集成電路集成了憶阻器,則可以產生很多新的電路功能,比如極高集成密度的二端電子電阻開關器件。但是,直到現在,仍然沒有任何材料可以做成一個憶阻器。
  為了做電路分析,我們可以寫出 電流控制模式下 憶阻器 的最基本數學定義式,用微分形式:V=R(w) i
  其中,w是一個狀態變量,用來描述器件的總阻值,它決定於器件的外部狀態。在這種情況下,這個狀態變量只是電荷,但是,沒有人可以提供一個適當的物理模型滿足這些簡單的方程。1976年,蔡少棠教授和KANG一般化了憶阻器的概念,使它成為一個更廣范圍的非線性動力系統,他們稱之為 憶阻系統,由兩個方程描述V=R(w,i)i和dw/dt=f(w,i) 其中w是一系列狀態變量,一般情況下,R和f可以寫成一個明確的關於時間的函數。然后,文章分析了在電流控制模式下的簡單情形。

  文章假設一個二端物理電子器件模型,(在限制了部分狀態變量的情況下),讓它看起來像一個理想的憶阻器。
作為一個憶阻系統,更寬的w范圍,這個靠直覺提出的模型可以產生受其本身內在的非線性M和邊界條件w而產生豐富的延遲動作。這個結果為過去觀測到的一些反常現象提供了一個簡單的解釋,比如電流-電壓的一些反常現象,包括關斷和延遲的電導性。而這些反常現象特別容易出現子一些薄膜,二端的納米尺度的器件中,這些在文獻記錄中已經出現了超過50年。
  電子開關在薄膜器件里再次引起注意。因為這些技術可以使現有的MOS器件的尺寸做得更小。至今為止,電阻開關和電荷轉移的微觀實質仍然在討論中。但是,其中一個建議的理解是延遲需要若干種原子的重新分布來調制電流。
基於這個理解,基於這些,文章做了一些公式推導。
  從推導的阻抗公式,我們可以知道更大的 和更小的薄膜晶體管厚度D會使憶阻器阻值更大。此外,對於任何材料而言,納米級別的時候這個值會比毫米級別大上一百萬倍。而此時,憶阻值也會表現地更為顯著。所以,這有助於我們理解任何器件的臨界尺寸縮小到納米尺度時的電氣特性。

  這些方程采用的是標准的電流控制模式。磁場在憶阻器的工作機制中並沒有起一個我們明確了解的作用,這也就是為什么這個現象隱藏了這么久。對 憶阻器 感興趣的人們的研究可能是走錯了路,其數學需要的是一個 電流和電壓各自的積分之間的一個非線性關系,而這些已經在方程5,6中實現了。(文中編號)另一個重要的問題是,在蔡少棠教授的論文中沒有提及w這個狀態變量,在上述(這個假設的薄膜半導體)的情況中,這個指的是由器件中的摻雜區造成的影響。並分析了外加不同形式的電壓時,w的變化,同時給出了當外加一個對稱的交流電壓和非對稱的交流電壓時產生的電流波形。見文中的圖Fig.2。

  先說明一下上文中提到的一個下文特別提到的一個概念:“強制關斷”,論文中解釋為:在大電壓偏移或者長時間處於偏置電壓的情況下。不同的“強制關斷”狀態由不同的邊界條件決定。文中給了兩種不同的情況分析,給憶阻器設備加上兩個本質上不一樣的i-v特征曲線,並詳細了分析其對應的變化圖像。最終得出的結論是:任何正電壓加到一個處於關斷狀態的憶阻器件時,會在一個確定的延遲時間后,使器件從關斷狀態翻轉到導通狀態,並且會一直保持下去,除非加了一個負向電壓,哪怕多小都好。
  在納米尺度的器件中,很小的電壓都能產生巨大的電場,所以可以在離子傳輸中可以產生很顯著的非線性特性。Fig 3c圖解了這樣一個情形,如方程6的右邊所示那樣。這種情況下,這個開關動作需要多得多的電荷,或者一個閥值電壓,以便讓w到達邊界的兩個端點之一。所以,這個開關是二進制的,因為,開和關的狀態可以保持很長時間,除非獲得一個特定的翻轉電壓。
  推導過程的方程還展示出許多特性,可以認為這是一個雙極性開關,而且是,在欲使開關狀態從導通狀態轉換到關斷狀態時,需要的是一個正電壓。這一類的特性在許多不同種類的材料中都能觀察到:文中提及有有機薄膜,硫化物,還有金屬氧化物,特別是二氧化鈦以及各種鈦礦化合物。在這些材料中觀察到的特性曲線與上述分析的Fig2,3非常相似。然后特別說明了(HP實驗室)他們自己研究的鈦的氧化物的器件,他們表示,類似於Fig2b,2c,Fig3c的圖像經常可以觀察到。Fig3解釋了一個他們做的一個由氧化鈦做成的一個電子設備。並詳細介紹了他的結構和相關的微觀結構。
  在這些許多薄膜,二端器件觀察到的這些許多的i-v延遲,現在可以理解為由一些方程定義的憶阻行為。當電子器件的尺寸被逐步縮小到只有幾個納米的時候,這 些現象日益增多,所以只需一個很小的電壓就可以產生一個很巨大的電場,引起特定的電子移動,而這些區域的電子移動可以使器件的阻值發生戲劇性的變化。如果憶阻器的特性被理解和合理運用,就可以作出集成憶阻器或者憶阻系統的集成電路,它們將具有擴展電路功能的極大潛力。相關的重要的應用包括 半非易失性存儲器,還有學習網絡需要的一個突觸類功能。

 


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