忆阻器的发展与应用忆阻器的发展与应用 2010年年12月月29号号 Contents概念产生与发展概念产生与发展1忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现2忆阻器的应用前景忆阻器的应用前景3总结总结4概念产生与发展概念产生与发展v什么是忆阻器？什么是忆阻器？ 忆阻器（忆阻器（Memristor）的概念由加州大学）的概念由加州大学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。忆阻器是一类具有电阻记忆行为。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、的非线性电路元件，被认为是除电阻、电容、电感外的电容、电感外的第四个基本电路元件第四个基本电路元件。概念产生与发展概念产生与发展v忆阻器的定义忆阻器的定义由电路理论可知，三个传统的二端口电由电路理论可知，三个传统的二端口电路元件电阻（路元件电阻（R）、电容（）、电容（C）、电感）、电感（L）建立了四个电路变量电压（）建立了四个电路变量电压（V）、）、电流（电流（I）、磁通量（）、磁通量（）和电荷量（）和电荷量（Q）间的联系。上述四个电路变量两两之间间的联系。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系式已经为大家所熟知分别来自分别来自R、C、L、Q 的定义和法拉第电磁感应定律的定义和法拉第电磁感应定律（如图（如图1所示），但所示），但、Q 间的关系却一间的关系却一直没被揭示。直没被揭示。概念产生与发展概念产生与发展v忆阻器的定义忆阻器的定义图图1概念产生与发展概念产生与发展v忆阻器的定义忆阻器的定义Chua从电路变量关系完整性角度，定义了从电路变量关系完整性角度，定义了增量忆阻增量忆阻M（Q）来描述）来描述、Q 间的这一间的这一关系：关系： M（Q）=d（Q）/dQ （1）满足公式（满足公式（1）所定义关系的电路元件被称为忆阻器。）所定义关系的电路元件被称为忆阻器。同时，由同时，由d=Vdt，dQ=Idt 可得：可得： M（Q）=V/I （2）因此，增量忆阻具有与电阻相同的量纲。因此，增量忆阻具有与电阻相同的量纲。忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现v实现忆阻器的模型和机理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，真正意义上的忆研究领域被相继提出，真正意义上的忆阻器件成为现实。阻器件成为现实。www.themegallery.comLOGO丝电导丝电导机制机制边界迁移模型边界迁移模型电子自旋电子自旋阻塞模型阻塞模型氧化还氧化还原反应原反应v主要的忆阻器实现模型和机理主要的忆阻器实现模型和机理忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现 模型和机理模型和机理边界迁移模型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。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，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致使结构对外呈现随外加电压时间作用而变化的电阻。该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迁移。忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现 模型和机理模型和机理电子自旋阻塞模型电子自旋阻塞模型利用半导体利用半导体/半金属（或铁磁材料）接触界面附半金属（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（基于自旋阻塞（Spin blockade）效应的忆阻器，）效应的忆阻器，其结构如下图所示。其结构如下图所示。忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现 模型和机理模型和机理丝导电机制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。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忆阻器元件的实现 模型和机理模型和机理氧化还原反应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。的忆阻效应。Berzina等通过设计下图所示的结构实现了基等通过设计下图所示的结构实现了基于有机材料（于有机材料（PANI）氧化还原反应的忆阻效应。）氧化还原反应的忆阻效应。忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现 模型和机理模型和机理其他相关机理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、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。被广泛涉及，并将引起更广泛的影响。忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现 模型和机理模型和机理忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现v忆阻器的存在忆阻器的存在借助于现代纳米借助于现代纳米技术中突破性的技术中突破性的成果，惠普实验成果，惠普实验室于室于2008年证明年证明了忆阻器的存在。了忆阻器的存在。忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现忆阻器的存在忆阻器的存在HP 的的 Crossbar Latch研究研究Crossbar Latch技术的原理是由一排横向和一排纵向的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，数据。这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，但但是是什么样的材料能当这个开关？什么样的材料能当这个开关？HP 的工程师当时并不知道要的工程师当时并不知道要寻找的这种材料正是忆阻器。寻找的这种材料正是忆阻器。 Crossbar Latch 的试作品结果的试作品结果忆阻器元件的实现忆阻器元件的实现忆阻器的存在忆阻器的存在HP 的的 Crossbar Latch研究研究二氧化钛的忆阻器作用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，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。电场会把缺氧的洞从回推，电阻就会跟着增加。忆阻器元件的应用忆阻器元件的应用基础电基础电基础电基础电路设计路设计路设计路设计模型模型模型模型分析分析分析分析生物记忆生物记忆生物记忆生物记忆行为仿真行为仿真行为仿真行为仿真电路器电路器电路器电路器件设计件设计件设计件设计模型分析模型分析 作为基本电路元件之一，忆阻器在电路模型分作为基本电路元件之一，忆阻器在电路模型分析中析中 有着广泛的应用。在忆阻器和忆阻系统的概有着广泛的应用。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，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、放电管等统、放电管等基础电路设计基础电路设计 忆阻器的出现不仅丰富了现有的电路元件类型，忆阻器的出现不仅丰富了现有的电路元件类型， 而且补充了目前的而且补充了目前的RC、RL、LC、RLC电路设计方电路设计方案，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。电压源组成的电路范围。 忆阻器元件的应用忆阻器元件的应用电路器件设计电路器件设计 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。性能的参考接收机、调幅器。生物记忆行为仿真生物记忆行为仿真 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。响应模仿了生物对外界环境刺激的响应行为。忆阻器元件的应用忆阻器元件的应用 总结总结 作为一种新型的无源电子元件，忆阻器的出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，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。并成为电子信息技术的进一步发展的新契机。 参考文献参考文献v1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，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，电子元件与材料，2010 .4，第，第29 卷卷 第第4 期期v2 Ralph Raiola,忆阻器的应用忆阻器的应用,今日电子无源器件特刊，今日电子无源器件特刊，2008.11，总第，总第183期期v3向辉向辉,存储芯片设计实现新突破，世界科学，存储芯片设计实现新突破，世界科学，2008.7v4于京生于京生, 刘振永，关于忆阻器的一些思考，石家庄师范专科学校刘振永，关于忆阻器的一些思考，石家庄师范专科学校学报，学报，2003.5，第，第5卷第卷第3期期v5 CHUA L O. Memristor - the missing circuit element J. IEEE Trans Circuit Theory, 1971, 18(5): 507-519v6 Andy Yang,忆阻器忆阻器,瘾科学瘾科学,2010.3