1、 憶阻器的發(fā)展與應(yīng)用憶阻器的發(fā)展與應(yīng)用 2010年年12月月29號號 Contents概念產(chǎn)生與發(fā)展概念產(chǎn)生與發(fā)展1憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn)2憶阻器的應(yīng)用前景憶阻器的應(yīng)用前景3總結(jié)總結(jié)4概念產(chǎn)生與發(fā)展概念產(chǎn)生與發(fā)展v什么是憶阻器？什么是憶阻器？ 憶阻器（憶阻器（Memristor）的概念由加州大學(xué)）的概念由加州大學(xué)伯克利分校的蔡少棠伯克利分校的蔡少棠（Chua）在在1971年年提出提出。憶阻器是一類具有電阻記憶行為。憶阻器是一類具有電阻記憶行為的非線性電路元件，被認(rèn)為是除電阻、的非線性電路元件，被認(rèn)為是除電阻、電容、電感外的電容、電感外的第四個基本電路元件第四個基本電路元件。概念產(chǎn)生與

2、發(fā)展概念產(chǎn)生與發(fā)展v憶阻器的定義憶阻器的定義 由電路理論可知，三個傳統(tǒng)的二端口電由電路理論可知，三個傳統(tǒng)的二端口電路元件電阻（路元件電阻（R）、電容（）、電容（C）、電感）、電感（L）建立了四個電路變量電壓（）建立了四個電路變量電壓（V）、）、電流（電流（I）、磁通量（）、磁通量（）和電荷量（）和電荷量（Q）間的聯(lián)系。上述四個電路變量兩兩之間間的聯(lián)系。上述四個電路變量兩兩之間可以建立六個數(shù)學(xué)關(guān)系式，其中五對關(guān)可以建立六個數(shù)學(xué)關(guān)系式，其中五對關(guān)系式已經(jīng)為大家所熟知系式已經(jīng)為大家所熟知分別來自分別來自R、C、L、Q 的定義和法拉第電磁感應(yīng)定律的定義和法拉第電磁感應(yīng)定律（如圖（如圖1所示），但所示）

3、，但、Q 間的關(guān)系卻一間的關(guān)系卻一直沒被揭示。直沒被揭示。概念產(chǎn)生與發(fā)展概念產(chǎn)生與發(fā)展v憶阻器的定義憶阻器的定義 圖圖1概念產(chǎn)生與發(fā)展概念產(chǎn)生與發(fā)展v憶阻器的定義憶阻器的定義Chua從電路變量關(guān)系完整性角度，定義了從電路變量關(guān)系完整性角度，定義了增量憶阻增量憶阻M（Q）來描述）來描述、Q 間的這一間的這一關(guān)系：關(guān)系： M（Q）=d（Q）/dQ （1）滿足公式（滿足公式（1）所定義關(guān)系的電路元件被稱為憶阻器。）所定義關(guān)系的電路元件被稱為憶阻器。同時，由同時，由d=Vdt，dQ=Idt 可得：可得： M（Q）=V/I （2）因此，增量憶阻具有與電阻相同的量綱。因此，增量憶阻具有與電阻相同的量綱。憶

4、阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn)v實現(xiàn)憶阻器的模型和機(jī)理實現(xiàn)憶阻器的模型和機(jī)理 隨著人們對于憶阻概念理解的深入，實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(jī)理在各現(xiàn)憶阻性能的多種物理模型與機(jī)理在各研究領(lǐng)域被相繼提出，真正意義上的憶研究領(lǐng)域被相繼提出，真正意義上的憶阻器件成為現(xiàn)實。阻器件成為現(xiàn)實。LOGO絲電導(dǎo)絲電導(dǎo)機(jī)制機(jī)制邊界遷移模型邊界遷移模型電子自旋電子自旋阻塞模型阻塞模型氧化還氧化還原反應(yīng)原反應(yīng)v主要的憶阻器實現(xiàn)模型和機(jī)理主要的憶阻器實現(xiàn)模型和機(jī)理憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn) 模型和機(jī)理模型和機(jī)理邊界遷移模型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，

5、如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(dǎo)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(dǎo)體薄膜組成。體薄膜組成。 電極間的半導(dǎo)體薄膜由于基體中載流子濃度不同而分為電極間的半導(dǎo)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，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。該該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)憶阻現(xiàn)象的物理機(jī)制

6、是電場作用下氧空位缺陷的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)憶阻現(xiàn)象的物理機(jī)制是電場作用下氧空位缺陷的遷移遷移。憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn) 模型和機(jī)理模型和機(jī)理電子自旋阻塞模型電子自旋阻塞模型利用半導(dǎo)體利用半導(dǎo)體/半金屬（或鐵磁材料）接觸界面附半金屬（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（基于自旋阻塞（Spin blockade）效應(yīng)的憶阻器，）效應(yīng)的憶阻器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn) 模型和機(jī)理模型和機(jī)理絲導(dǎo)電機(jī)制絲導(dǎo)電機(jī)制下列圖所示十字交叉桿結(jié)構(gòu)由相互垂直的兩層導(dǎo)電納米線下列圖所示十字

7、交叉桿結(jié)構(gòu)由相互垂直的兩層導(dǎo)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(dǎo)電和中間的電解質(zhì)層構(gòu)成。外界施加的激勵誘發(fā)電解質(zhì)中導(dǎo)電絲的形成，此結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電絲的增長等效于金屬粒子在微觀絲的形成，此結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)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。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)憶阻器元件的實現(xiàn) 模型和機(jī)理模型和機(jī)理氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)的發(fā)

8、生，往往伴隨著反應(yīng)物質(zhì)化學(xué)狀態(tài)的改氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，往往伴隨著反應(yīng)物質(zhì)化學(xué)狀態(tài)的改變。因為物質(zhì)在不同化學(xué)狀態(tài)時對外界呈現(xiàn)的電阻往往又有變。因為物質(zhì)在不同化學(xué)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)。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)了基等通過設(shè)計下圖所示的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了基于有機(jī)材料（于有機(jī)材料（PANI）氧化還原反應(yīng)的憶阻效應(yīng)。）氧化還原反應(yīng)的憶阻效應(yīng)。憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn) 模型和機(jī)理模型和機(jī)理其他相關(guān)機(jī)理其他相關(guān)機(jī)理由憶阻器和憶阻系統(tǒng)的理論可知，外加激勵能夠由

9、憶阻器和憶阻系統(tǒng)的理論可知，外加激勵能夠引起導(dǎo)電狀態(tài)發(fā)生變化的系統(tǒng)和器件都有被用來實引起導(dǎo)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)現(xiàn)憶阻效應(yīng)的可能。從這種角度講，憶阻器的實現(xiàn)機(jī)理與模型有更廣闊的研究范圍，如電子隧穿效應(yīng)、機(jī)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。被廣泛涉及，并將引起更廣泛的影響。憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn) 模型和機(jī)理模型

10、和機(jī)理憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn)v憶阻器的存在憶阻器的存在 借助于現(xiàn)代納借助于現(xiàn)代納米技術(shù)中突破性米技術(shù)中突破性的成果，惠普實的成果，惠普實驗室于驗室于2008年證年證明了憶阻器的存明了憶阻器的存在。在。憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器的存在憶阻器的存在HP 的的 Crossbar Latch研究研究Crossbar Latch技術(shù)的原理是由一排橫向和一排縱向的技術(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結(jié)一條橫向和縱向的電線。如果能讓這兩條電線

11、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，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，但但是是什么樣的材料能當(dāng)這個開關(guān)？什么樣的材料能當(dāng)這個開關(guān)？HP 的工程師當(dāng)時并不知道的工程師當(dāng)時并不知道要尋找的這種材料正是憶阻器。要尋找的這種材料正是憶阻器。 Crossbar Latch 的試作品結(jié)果的試作品結(jié)果憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器元件的實現(xiàn)憶阻器的存在憶阻器的存在HP 的的 Crossbar Latch研究研究 二氧化鈦的憶阻器作用二氧化鈦的憶阻器作用HP從二氧化鈦研究中發(fā)

12、現(xiàn)憶阻器：一塊極薄的二氧化鈦被夾在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(dāng)電流從缺氧的一邊通帶正電，因此電流通過時電阻比較小，而且當(dāng)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)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

13、重，整體游移，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(dāng)電流從正常的一側(cè)流向缺氧的一側(cè)時，的電阻也就會降低。反之，當(dāng)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。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)用憶阻器元件的應(yīng)用模型分析模型分析 作為基本電路元件之一，憶阻器在電路模型分作為基本電路元件之一，憶阻器在電路模型分析中析中 有著廣泛的應(yīng)用。在憶阻器和憶阻系統(tǒng)的概有著廣泛的應(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，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

14、經(jīng)突觸的離子傳遞系如閾值開關(guān)、電熱調(diào)節(jié)器、神經(jīng)突觸的離子傳遞系統(tǒng)、放電管等統(tǒng)、放電管等基礎(chǔ)電路設(shè)計基礎(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，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(bǔ)充了目前的而且補(bǔ)充了目前的RC、RL、LC、RLC電路設(shè)計方電路設(shè)計方案，將其擴(kuò)展到所有可能由電路的四個基本元件與案，將其擴(kuò)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。電壓源組成的電路范圍。 憶阻器元件的應(yīng)用憶阻器元件的應(yīng)用電路器件設(shè)計電路器件設(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。如依賴其記器件設(shè)

15、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(xué)憶性能的高密度非易失性存儲器，基于憶阻器電學(xué)性能的參考接收機(jī)、調(diào)幅器。性能的參考接收機(jī)、調(diào)幅器。生物記憶行為仿真生物記憶行為仿真 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(xué)習(xí)行為等用于對多頭絨泡菌對環(huán)境刺激學(xué)習(xí)行為的電路仿真，他們成功地用電路對外加激勵的電學(xué)的電路仿真，他們成功地用電路對外加激勵的電學(xué)響應(yīng)模仿了生物對外界環(huán)境刺激的響應(yīng)行為。響應(yīng)模仿

16、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)用憶阻器元件的應(yīng)用 總結(jié)總結(jié) 作為一種新型的無源電子元件，憶阻器的出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)憶阻行為的模型與能。隨著研究的不深入，實現(xiàn)憶阻行為的模型與機(jī)理正在被不斷提出。迄今，這一元件已在模型機(jī)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。可以預(yù)以及生物神經(jīng)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域嶄露頭角。可以預(yù)期，憶阻器件將可望在電子電路系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，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(jìn)一步發(fā)展的新契機(jī)。并成為電子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展的新契機(jī)。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)v 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(jìn)展，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(jìn)展，電子元件與材料，電子元件與材料，2010 .4，第，第29 卷卷 第第4 期期v 2 Ralph Raiola,憶阻器的應(yīng)用憶阻器的應(yīng)用,今日電子無源器件特刊，今日電子無源器件特刊，2008.11，總第，總第183期期v 3向