Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое мемристор , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое мемристор , пизастор, четвёртый пассивный элемент электротехники , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
не путать с мемистром!
пизастор ( мемристор ) ( / мɛмгɪстər / , резистора памяти ) представляет собой нелинейный двухполюсник электрического компонента , относящийся электрический заряд и магнитное потокосцепление . Он был описан и назван в 1971 году Леоном Чуа , завершив теоретический квартет основных электрических компонентов, который также включает в себя резистор , конденсатор и индуктор . Никакой физический мемристорный компонент еще не был продемонстрирован.
Чуа и Канг позже обобщили эту концепцию на системы памяти . Такая система содержит схему из нескольких обычных компонентов, которая имитирует ключевые свойства идеального мемристорного компонента и также обычно упоминается как мемристор. Было разработано несколько таких систем мемристорных систем, в частности, ReRAM .
Идентификация подлинных мемристивных свойств как в теоретических, так и в практических приемах вызывает споры.
Электронный символ
Концептуальные симметрии резистора, конденсатора, индуктора и мемристора.
Чуа в своей работе 1971 года идентифицировал теоретическую симметрию между нелинейным резистором (напряжение против тока), нелинейным конденсатором (напряжение против заряда) и нелинейным индуктором (связь магнитного потока против тока). Из этой симметрии он вывел характеристики четвертого фундаментального нелинейного элемента цепи, связывающего магнитный поток и заряд, который он назвал мемристором. В отличие от линейного (или нелинейного) резистора, мемристор имеет динамическое соотношение между током и напряжением, включая память прошлых напряжений или токов. Другие ученые предложили резисторы с динамической памятью, такие как меморист Бернарда Уидроу, но Чуа ввел математическую общность.
Мемристор был первоначально определен в терминах нелинейной функциональной зависимости между магнитной магнитной связью Φ m ( t ) и количеством электрического заряда, который протекал, q ( t ):
Магнитное потокосцепление , Φ м , обобщаются от схемы характеристики индуктора. Это не представляет магнитное поле здесь. Его физический смысл обсуждается ниже. Символ Φ m может рассматриваться как интеграл напряжения во времени.
В отношении между Φ m и q, производная одного по другому зависит от значения одного или другого, и поэтому каждый мемристор характеризуется своей функцией мемристанса, описывающей зависящую от заряда скорость изменения потока с зарядом ,
Подставляя поток в качестве интеграла времени от напряжения и заряда в качестве интеграла времени от тока, более удобными формами являются:
Чтобы связать мемристор с резистором, конденсатором и индуктором, полезно выделить член M ( q ), который характеризует устройство, и записать его в виде дифференциального уравнения.
| устройство | Характеристическое свойство (единицы) | Дифференциальное уравнение |
|---|---|---|
| Резистор (R) | Сопротивление ( В / А или Ом , Ом) | R = dV / dI |
| Конденсатор (С) | Емкость ( C / V , или Фарад ) | C = dq / dV |
| Индуктор (L) | Индуктивность ( Wb / A , или Генри ) | L = dΦ m / dI |
| Мемристор (М) | Мемристанс ( Wb / C , или Ом) | M = dΦ m / dq |
Выше таблица охватывает все значимые отношения дифференциалов I , Q , Φ м , и V . Ни одно устройство не может относиться dì к DQ , или d ^ м к д , потому что я есть производная от Q и Φ т является интегралом V .
Из этого можно сделать вывод, что мемристанс является зависимым от заряда сопротивлением . Если M ( q ( t )) является константой, то мы получаем закон Ома R ( t ) = V ( t ) / I ( t ). Однако если M ( q ( t )) нетривиально, уравнение не эквивалентно, поскольку q ( t ) и M ( q ( t )) могут изменяться со временем. Решение для напряжения в зависимости от времени производит
Это уравнение показывает, что мемристанс определяет линейную зависимость между током и напряжением, если М не зависит от заряда. Ненулевой ток подразумевает изменяющийся во времени заряд. Переменный ток , однако, может выявить линейную зависимость в работе схемы, вызывая измеримое напряжение без чистого движения , как-заряда пор , пока изменение максимума в д не вызывает особые изменения в М .
Кроме того, мемристор статичен, если ток не подается. Если I ( t ) = 0, мы находим V ( t ) = 0 и M ( t ) постоянна. Это суть эффекта памяти.
Аналогично, мы можем определить 
в качестве несчастного случая.
Энергопотребление характерно напоминает , что из резистора, I 2 R .
Пока M ( q ( t )) мало изменяется, например, при переменном токе, мемристор будет выглядеть как постоянный резистор. Однако, если M ( q ( t )) быстро увеличивается, ток и потребление энергии быстро прекратятся.
M ( q ) физически ограничен, чтобы быть положительным для всех значений q (при условии, что устройство пассивно и не становится сверхпроводящим при некотором q ). Отрицательное значение будет означать, что оно будет постоянно поставлять энергию при работе с переменным током.
Чтобы понять природу функции мемристора, полезны некоторые знания фундаментальных теоретических схем, начиная с концепции моделирования устройства.
Инженеры и ученые редко анализируют физическую систему в ее первоначальном виде. Вместо этого они строят модель, которая приближается к поведению системы. Анализируя поведение модели, они надеются предсказать поведение реальной системы. Основная причина построения моделей заключается в том, что физические системы обычно слишком сложны, чтобы их можно было подвергнуть практическому анализу.
В 20-м веке, работа была сделана на устройствах, где исследователи не распознавали мемристивные характеристики. Это породило предположение, что такие устройства должны распознаваться как мемристоры. Першин и Ди Вентра предложили тест, который может помочь разрешить некоторые давние споры о том, действительно ли идеальный мемристор существует или является чисто математическим понятием.
В остальной части этой статьи в основном рассматриваются мемристоры, связанные с устройствами ReRAM , поскольку большая часть работы с 2008 года была сосредоточена в этой области.
Доктор Пол Пенфилд в техническом отчете MIT 1974 года упоминает мемристор в связи с джозефсоновскими контактами. Это было раннее использование слова «мемристор» в контексте схемотехники.
Один из членов в потоке через Джозефсоновский переход имеет вид:
где 
постоянная на основе физических сверхпроводящих материалов, 
это напряжение на соединении и 
это ток через соединение.
В конце 20-го века проводились исследования этой фазозависимой проводимости в джозефсоновских контактах. [10] Более комплексный подход к извлечению этой фазозависимой проводимости появился с оригинальной статьей Peotta и DiVentra в 2014 году. [11]
Из-за практической сложности изучения идеального мемристора, мы обсудим другие электрические устройства, которые могут быть смоделированы с использованием мемристоров. Математическое описание мемристивного устройства (систем) см . В разделе « Теория» .
Газоразрядная трубка может быть смоделирована как запоминающее устройство с сопротивлением, являющимся функцией числа электронов проводимости 
,
напряжение на разрядной трубке, ток течет через него и число электронов проводимости. Простая мемристансная функци
, 
и 
параметры в зависимости от размеров трубки и газовых заправок. Экспериментальная идентификация memristive поведения является «зажата петлей гистерезиса» в 
самолет. Для эксперимента, который показывает такую характеристику для обычной газоразрядной трубки, см. «Физическая мемристорная фигура Лиссажу» (YouTube) . Видео также показывает, как понять отклонения в ограниченных гистерезисных характеристиках физических мемристоров. [12] [13]
Термисторы могут быть смоделированы как запоминающие устройства. [13]
материальная постоянная, 
абсолютная температура тела термистора, 
температура окружающей среды (обе температуры в градусах Кельвина) 
обозначает сопротивление холодной температуре при 
, 
это тепловая емкость и 
постоянная рассеяния для термистора.
Фундаментальное явление, которое едва изучено, - это мемристивное поведение в pn-переходах. [14] Мемристор играет ключевую роль в имитации эффекта накопления заряда в диодной базе, а также отвечает за явление модуляции проводимости (что очень важно при переходных процессах в прямом направлении).
Наличие экспериментальных данных, подтверждающих локальность резистивного переключения, стимулировало в научном сообществе в дополнение к механизму изменения валентности материала диэлектрика по всей площади структуры (рисунок 4), разработку модели переключения на основе образования локальных проводящих каналов (филаментов) Ошибка! Источник ссылки не найден.. Так, принимая во внимание важность генерации кислородных вакансий для процессов резистивного переключения, была предложена модель резистивного переключения, объясняющая, в том числе, и возможность получения целого набора промежуточных сопротивлений МДМ-структуры в зависимости от прикладываемого к ней напряжения (собственно мемристивный эффект) (рисунок 4).
В 2008 год команда в HP Labs утверждала, что нашла недостающее пизастор Чу на основе анализа тонкой пленки из диоксида титана , таким образом , соединяющего работу ReRAM устройств к концепции мемристора. Согласно лабораториям HP, мемристор будет работать следующим образом: электрическое сопротивление мемристора не является постоянным, а зависит от предыстории тока, который ранее протекал через устройство, т. Е. Его нынешнее сопротивление зависит от того, сколько электрического заряда протекло в каком направлении через это в прошлом; устройство запоминает свою историю - так называемое свойство энергонезависимости . [15]Когда электропитание отключено, мемристор запоминает свое самое последнее сопротивление, пока он не включится снова.
Результат HP был опубликован в научном журнале Nature . Следуя этому утверждению, Леон Чуа утверждал, что определение мемристора может быть обобщено для охвата всех форм двухполюсных энергонезависимых устройств памяти на основе эффектов переключения сопротивления. [15] Чуа также утверждал, что мемристор является самым старым из известных элементов схемы , его эффекты предшествуют резистору , конденсатору и индуктору . [19]
Однако существуют серьезные сомнения относительно того, может ли настоящий мемристор действительно существовать в физической реальности. Кроме того, некоторые экспериментальные данные противоречат обобщению Чуа, поскольку в памяти с переключением сопротивления наблюдается непассивный эффект нанобатареи .Першин и Ди Вентра предложили простой тест для анализа того, существует ли на самом деле такой идеальный или универсальный мемристор или является чисто математическим понятием. До сих пор, похоже, нет экспериментального устройства переключения сопротивления ( ReRAM ), которое могло бы пройти испытание.
Эти устройства предназначены для применения в наноэлектронной памяти, компьютерной логике и нейроморфной / нейромемистической компьютерной архитектуре. В 2013 году технический директор Hewlett-Packard Мартин Финк предположил, что память мемристоров может стать коммерчески доступной уже в 2018 году. [30] В марте 2012 года группа исследователей из Лабораторий HRL и Мичиганского университета анонсировал первый функционирующий мемристорный массив, построенный на чипе CMOS .
Массив из 17 специально сконструированных кислородно- обедненных мемристоров на основе диоксида титана, созданных в лаборатории HP , с помощью атомно-силового микроскопа . Провода имеют ширину около 50 нм или 150 атомов. [32] Электрический ток через мемристоры сдвигает кислородные вакансии, вызывая постепенное и постоянное изменение электрического сопротивления . [33]
Согласно первоначальному определению 1971 года, мемристор был четвертым элементом фундаментальной цепи, формируя нелинейную связь между электрическим зарядом и связью магнитного потока. В 2011 году Чуа выступил за более широкое определение, которое включало в себя все энергонезависимые устройства памяти с 2 терминалами, основанные на резистивном переключении. [15] Уильямс утверждал, что MRAM , фазовая память и ReRAM были мемристорными технологиями. [34] Некоторые исследователи утверждали, что биологические структуры, такие как кровь [35] и кожа [36] [37], соответствуют определению. Другие утверждали, что устройство памяти разрабатывается HP Labsи другие формы ReRAM были не мемристорами, а скорее частью более широкого класса систем с переменным сопротивлением [38], и что более широкое определение мемристора является научно неоправданным захватом земли, который одобрил патенты HP на мемристоры. [39]
В 2011 году Меуффелс и Шредер отметили, что одна из ранних мемристорных работ содержала ошибочное предположение относительно ионной проводимости. [40] В 2012 году Меуффелс и Сони обсудили некоторые фундаментальные вопросы и проблемы в реализации мемристоров. [20] Они указали на недостатки в электрохимическом моделировании, представленном в статье « Природа, обнаруженный недостающий мемристор» [16], поскольку влияние концентрационных поляризационных эффектов на поведение структур металл- TiO 2- x- металл при напряжении или напряжении тока было не считается. На эту критику ссылались Valov et al. [25] в 2013 году.
В своеобразном мысленном эксперименте , Meuffels и Soni [20] Кроме того , выявлены серьезные несоответствия: Если управляемый ток мемристор с так называемой энергонезависимостью собственностью [15] существует в физической реальности, ее поведение нарушало бы принцип ландауэра из минимальное количество энергии, необходимое для изменения «информационных» состояний системы. Эта критика была окончательно принята Ди Вентрой и Першиным [21] в 2013 году.
В этом контексте Меуффелс и Сони [20] указали на фундаментальный термодинамический принцип: энергонезависимое хранение информации требует существования барьеров свободной энергии, которые отделяют различные состояния внутренней памяти системы друг от друга; в противном случае можно столкнуться с «безразличной» ситуацией, и система будет произвольно колебаться от одного состояния памяти к другому только под влиянием тепловых колебаний . При отсутствии защиты от тепловых флуктуаций состояния внутренней памяти проявляют некоторую диффузионную динамику, которая вызывает ухудшение состояния. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . [21] Поэтому барьеры свободной энергии должны быть достаточно высокими, чтобы обеспечить низкую вероятность битовой ошибкибитовая операция. [41] Следовательно, всегда есть нижний предел потребности в энергии - в зависимости от требуемой вероятности битовой ошибки - для преднамеренного изменения битового значения в любом устройстве памяти.
В общей концепции мемристической системы определяющими уравнениями являются (см. Теория ):
где u ( t ) - входной сигнал, а y ( t ) - выходной сигнал. Вектор x представляет собой набор из n переменных состояния, описывающих различные состояния внутренней памяти устройства. ẋ - зависящая от времени скорость изменения вектора состояния x со временем.
Когда кто-то хочет выйти за рамки простого подбора кривой и стремится к реальному физическому моделированию энергонезависимых элементов памяти, например резистивных устройств памяти с произвольным доступом , он должен следить за вышеупомянутыми физическими корреляциями. Для проверки адекватности предлагаемой модели и получающихся в результате уравнений состояния входной сигнал u ( t ) может быть наложен на стохастический член ξ ( t ), который учитывает наличие неизбежных тепловых флуктуаций . Уравнение динамического состояния в его общем виде, наконец, выглядит следующим образом:
где ξ ( t ), например, белый гауссовский ток или шум напряжения . На основе аналитического или численного анализа зависящего от времени отклика системы на шум можно принять решение о физической достоверности подхода моделирования, например, сможет ли система сохранить свои состояния памяти при отключении питания Режим?
Такой анализ был проведен Ди Вентрой и Першиным [21] в отношении настоящего мемристора с контролем тока. Поскольку предлагаемое уравнение динамического состояния не обеспечивает физического механизма, позволяющего такому мемристору справляться с неизбежными тепловыми флуктуациями, управляемый током мемристор со временем будет беспорядочно менять свое состояние под влиянием текущего шума. [21] [43] Ди Вентра и Першин [21], таким образом, пришли к выводу, что мемристоры, чьи состояния сопротивления (памяти) зависят исключительно от истории тока или напряжения, не смогут защитить свои состояния памяти от неизбежного шума Джонсона-Найквиста.и постоянно страдают от потери информации, так называемой "стохастической катастрофы". Таким образом, управляемый током мемристор не может существовать как физическое устройство в физической реальности.
Вышеупомянутый термодинамический принцип, кроме того, подразумевает, что работа 2-контактных энергонезависимых запоминающих устройств (например, запоминающих устройств с «резистивным переключением» ( ReRAM )) не может быть связана с концепцией мемристора, то есть такие устройства сами по себе не могут помнить свои история тока или напряжения. Переходы между различными состояниями внутренней памяти или сопротивления имеют вероятностный характер. Вероятность перехода из состояния { i } в состояние { j } зависит от высоты барьера свободной энергии между обоими состояниями. Таким образом, на вероятность перехода можно повлиять, управляя соответствующим образом запоминающим устройством, то есть «понижая» барьер свободной энергии для перехода { i } → { j} посредством, например, внешнего воздействия.
Событие «переключения сопротивления» можно просто принудительно установить, установив для внешнего смещения значение выше определенного порогового значения. Это тривиальный случай, т. Е. Барьер свободной энергии для перехода { i } → { j } сводится к нулю. В случае применения смещений ниже порогового значения все еще существует конечная вероятность того, что устройство переключится с течением времени (вызванное случайными тепловыми флуктуациями), но - поскольку каждый имеет дело с вероятностными процессами - невозможно предсказать, когда произойдет событие переключения. Это является основной причиной стохастической природы всех наблюдаемых процессов переключения сопротивления ( ReRAM ). Если барьеры свободной энергии недостаточно высоки, запоминающее устройство может даже переключаться без каких-либо действий.
Когда обнаружено, что энергонезависимое запоминающее устройство с 2 выводами находится в отличном состоянии сопротивления { j }, следовательно, не существует физической взаимно-однозначной связи между его текущим состоянием и его предшествующей историей напряжения. Таким образом, поведение переключения отдельных энергонезависимых запоминающих устройств не может быть описано в математической структуре, предложенной для мемристорных / мемристивных систем.
Дополнительное термодинамическое любопытство вытекает из определения, что мемристоры / мемристивные устройства должны энергетически действовать как резисторы. Мгновенная электрическая мощность, поступающая в такое устройство, полностью рассеивается в виде джоулева тепла на окружающую среду, поэтому в системе не остается никакой дополнительной энергии после того, как она была переведена из одного состояния сопротивления x i в другое x j . Таким образом, внутренняя энергия мемристорного устройства в состоянии x i , U ( V , T , x i ) будет такой же, как в состоянии x j , U ( V), T , x j ), даже если эти разные состояния будут вызывать различные сопротивления устройства, что само должно быть вызвано физическими изменениями материала устройства.
Другие исследователи отметили, что модели мемристоров, основанные на предположении о линейном ионном дрейфе , не учитывают асимметрию между установленным временем (переключение с высокого на низкое сопротивление) и временем сброса (переключение с низкого на высокое сопротивление) и не обеспечивают значения ионной подвижности. в соответствии с экспериментальными данными. Для компенсации этого недостатка были предложены нелинейные модели ионного дрейфа. [44]
В статье 2014 года исследователи ReRAM пришли к выводу, что начальные / основные уравнения моделирования мемористоров Струкова (HP) не отражают реальную физику устройства, в то время как последующие (основанные на физике) модели, такие как модель Пикетта или модель ECM Мензеля (Menzel является со автора этой статьи) имеют адекватную предсказуемость, но вычислительно непомерно. С 2014 года продолжается поиск модели, которая уравновешивает эти проблемы; В статье рассматриваются модели Чанга и Якопчича как потенциально хорошие компромиссы. [45]
Мартин Рейнольдс, аналитик в области электротехники из исследовательского подразделения Gartner , отметил, что, хотя HP неуклюже называет свое устройство мемристором, критики педантично говорят, что это не мемристор. [46]
В статье «Отсутствующий мемристор не был найден», опубликованной в научных отчетах в 2015 году Вонгером и Менгом [23], было показано, что настоящий мемристор, определенный в 1971 году, невозможен без использования магнитной индукции. Это было проиллюстрировано построением механического аналога мемристора и последующим аналитическим показом того, что механический мемристор не может быть построен без использования инерционной массы. Поскольку хорошо известно, что механическим эквивалентом электрического индуктора является масса, это доказывает, что мемристоры невозможны без использования магнитной индукции. Таким образом, можно утверждать, что устройства с переменным сопротивлением, такие как ReRAM и концептуальные мемристоры, могут вообще не иметь эквивалента. [23] [47]
Чуа предложил провести экспериментальные испытания, чтобы определить, можно ли правильно классифицировать устройство как мемристор:
Согласно Чуа [48] [49], все резистивные переключающие запоминающие устройства, включая ReRAM , MRAM и память с фазовым переходом, соответствуют этим критериям и являются мемристорами. Однако отсутствие данных для кривых Лиссажу в диапазоне начальных условий или в диапазоне частот усложняет оценку этого утверждения.
Экспериментальные данные показывают, что память сопротивления на основе окислительно-восстановительного потенциала ( ReRAM ) включает эффект нанобатареи, который противоречит модели мемристора Чуа. Это указывает на то, что теория мемристоров должна быть расширена или исправлена для обеспечения точного моделирования ReRAM. [25]
В 2008 году исследователи из HP Labs представили модель для функции мемристанса на основе тонких пленок диоксида титана . [16] Для 
функция мемристанса была определена как
где R OFF представляет состояние с высоким сопротивлением, R ON представляет состояние с низким сопротивлением, μ v представляет подвижность легирующих примесей в тонкой пленке и D представляет толщину пленки. Группа HP Labs отметила, что «оконные функции» необходимы для компенсации различий между экспериментальными измерениями и их мемристорной моделью из-за нелинейного ионного дрейфа и граничных эффектов.
Для некоторых мемристоров приложенный ток или напряжение вызывают существенное изменение сопротивления. Такие устройства могут быть охарактеризованы как переключатели путем исследования времени и энергии, которые должны быть потрачены для достижения желаемого изменения сопротивления. Это предполагает, что приложенное напряжение остается постоянным. Решение для рассеивания энергии во время одного события переключения показывает , что для пизастора , чтобы перейти от R на к R выкл во время Т на к Т выкла , заряд должен измениться = & delta ; q Q на - Q выкл .
Подстановка V = I ( q ) M ( q ), а затем ∫d q / V = ∆ Q / V для константы V To дает окончательное выражение. Эта характеристика мощности принципиально отличается от характеристики полупроводникового транзистора на основе оксида металла на конденсаторной основе. В отличие от транзистора, конечное состояние мемристора с точки зрения заряда не зависит от напряжения смещения.
Тип мемристора, описанный Уильямсом, перестает быть идеальным после переключения во всем диапазоне сопротивлений, создавая гистерезис , также называемый «режимом жесткого переключения». [16] Другой вид переключатель будет иметь циклическую M ( Q ) так , чтобы каждый выкл - на мероприятии будет сопровождаться на - выкл случае при постоянном смещении. Такое устройство будет действовать как мемристор при любых условиях, но будет менее практичным.
В более общей концепции мемристивной системы n-го порядка определяющие уравнения
где u ( t ) - входной сигнал, y ( t ) - выходной сигнал, вектор x представляет набор из n переменных состояния, описывающих устройство, а g и f - непрерывные функции . Для управляемой током мемристивной системы сигнал u ( t ) представляет текущий сигнал i ( t ), а сигнал y ( t ) представляет сигнал напряжения v ( t ). Для управляемой
продолжение следует...
Часть 1 Мемристор (Пизастор ) теория и реализация четвёртый пассивный элемент электротехники
Часть 2 4. Реализации мемристра - Мемристор (Пизастор ) теория и реализация
Часть 3 - Мемристор (Пизастор ) теория и реализация четвёртый пассивный элемент
резистор , переменный резистор , подстроечный резистор , варистор ,
электрический конденсатор , конденсатор , конденсаторы , переменный конденсатор ,
катушка индуктивности , индуктивность , виды индуктивностей , характеристики индуктивности ,
NOMFET
Органический полевой транзистор
Исследование, описанное в статье про мемристор , подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое мемристор , пизастор, четвёртый пассивный элемент электротехники и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база