Мемристор

 

ВСТУП

 

Мемрістор новий елемент в наноелектроніці, і його ще немає у пристоях масового виробництва. Але він має багато перспективних напрямків реалізації.

Мемрістори можна використовувати  як пристрої для зберігання інформації з низьким енергоспоживанням, високою швидкістю дії і тривалим (до 10 років) збереженням інформації при відключенні електроживлення. У перспективі вони повинні замінити флеш-пам'ять, яка в даний час використовується в мобільних телефонах, MP3-плеєрах і знімних носіях інформації. Крім того, він може виступати в якості універсального носія, тобто замінити флеш, оперативну пам'ять DRAM і жорсткий диск. Але найбільший інтерес представляє інша властивість мемрістора - можливість обчислення. Саме ця властивість може зробити революцію в комп'ютерній техніці. Мемрістори покликані замінити існуючі транзисторні технології на шляху до підвищення ефективності роботи мікросхем. Їх можна використовувати менше, коли проблема доступного вільного простору постає особливо гостро, без фактичного зниження потужності обчислювальної системи, ну а в тих же пропорціях напівпровідників на квадратний сантиметр, мемрістор дає величезну фору майже за всіма параметрами (ємність, швидкість, енергоспоживання) зараз існуючим технологіям.

 

Метою роботи є дослідження  мемрістора.

Задачі дослідження:

• проаналізувати існуючі досягнення та перспективи розвитку

приладів на основі мемрістора;

• розрахувати розміри мемрістора за яких буде найбільша ширина робочої частоти;
• дослідити вольт-амперні характеристики, за різних частот напруги, для мемрістора з оптимальними розмірами.

Об’єкт дослідження: процес зміни провідності структури мемрістора при проходженні струму.

Предмет дослідження: параметри та характеристики мемрістора.

Методи дослідження: аналіз літературних джерел, математичне моделювання в середовищі Matlab.

Практична цінність: мемрістори можуть замінити сучасні пристрої зберігання інформації, тому що мають кращу швидкодію, менші розміри та енергоспоживання. 

1 АНАЛІЗ ПРИНЦИПУ РОБОТИ МЕМРІСТОРА

1.1 Фізичний принцип роботи мемрістора

 

Мемрістор (рис.1.1,1.2) – (походить від слів – «резистор» і «memory» (пам`ять)) це пасивний елемент в наноелектроніці, опір якого залежить від пройденого через нього заряду [1]. В момент відключення напруги в колі мемрістор не змінює свого стану, «запоминаючи» останнє значення опору. Основоположною работою в області теорії пассивних елементів з ефектом памяті,в якій було введено поняття «мемрістор» (опір с ефектом памяті), була опублікована в 1971 році Леоном Чуа . Він висунув і математично обгрунтував гіпотезу про те, що є четвертий базовий елемент електричних кіл - наряду з індуктивністю, конденсатором і резистором. Чуа виходив з того, що повинні бути співвідношення, що зв'язують всі чотири основні змінні електричних ланцюгів: струм i,напруга v, заряд q і магнітний потік φ .  Всього таких співвідношень може бути шість. П'ять з них добре відомі. Заряд - це інтеграл по часу від струму. Зв'язок між напругою і магнітним потоком визначається через закон електромагнітної індукції Фарадея. Напруга і струм пов'язані через опір R, заряд і напруга – через ємність C, а магнітний потік і струм - через індуктивність L. Відсутнє лише шосте співвідношення, що зв'язує потік і заряд. Чуа припустив, що ці величини пов'язані через "Відсутній" елемент - мемрістор, що володіє "мемрезистивністю"  M:          dφ = M ⋅ dq (рис.1.3) . Відзначимо, що під  потоком в даному випадку слід розуміти інтеграл від напруження за часом.. Чуа показав, що в загальному випадку мемрезистивність повинна залежати від q. Доктор Чуа довів, що мемрістор не може бути скопійований будь-яким з трьох інших пасивних елементів, і що активна схема, яка імітує його функціональність буде складатись з 25 транзисторів [1].

Рисунок 1.1 – Символ мемрістора

Якщо скористатися співвідношеннями dφ = v ⋅ dt і dq = i ⋅ dt, то можна записати зв'язок між струмом і напругою на мемрісторі у вигляді:

U = M (q) ⋅ i.

Рисунок 1.2 - Мікрофотографія мемрісторів отримана

 атомно-силовим мікроскопом

 

Очевидно, що у випадку M = const мемрезистивність передставлятиме собою звичайний опір і (1) перетворюється в закон Ома для ділянки кола.

Рисунок 1.3 - Чотири базових елементи електричних кіл: резистор,

ємність, індуктивність і мемрістор

Понад чверть століття мемрістор залишався гіпотетичним елементом кола, який не має матеріальної реаліції. Але в 2008 році група дослідників з компанії HP на чолі зі Стенлі Вільямсом нарешті створила реальний мемрістор [1]. Його властивості відповідали моделі, запропонованої Чуа. Для реалізації мемрістора вони використали тонку плівку з діоксину титану (TiO2). Ця тонка плівка затиснута між двома платиновими (Pt) контактами, одна сторона TiO2  - легована кисневими ваканціями. Кисневі ваканції є позитивно зарядженими. Таким чинов в діоксині титану є перехід, де з одного боку діоксин титану легований, з іншого – ні.

Рисунок 1.4 – Схематичне представлення мемрістора

 

Чистий діоксин титану – напівпровідник, який має високий  опір. Оксигенові ваканції у легованому діоксині титану, роблять його провідником. Якщо подати позитивну напругу на легований діоксин титану, то позитивно  заряджені ваканції кисню будуть «переходити» до нелегованого діоксину титану(w – збільшується). Як результат, кордон між двома матеріалами рухається, збільшуючи відсоток провідності легованого діоксину титану (рис. 1.5б). Це збільшує провідність всього приладу. Якщо до легованого діоксину титану прикласти негативну напругу, то то позитивно заряджені ваканції кисню будуть «виходити» з нелегованого діоксину титану(w – зменшується) (рис. 1.5с). Це збільшує опір всього пристрою. Якщо вимкнути напругу, то ваканції оксисену не будуть рухатись. Кордон між двома шарами діоксину титану «замерзає». Це пояснює як мемрістор «запам`ятовує» останню прикладену напругу.

Рисунок 1.5 – Поведінка мемрістора при прикладенні позитивної

та негативної напруг

 

У розглянутій моделі залежність між струмом і напругою визначається виразом :

                         (1.1)

При цьому межа зміщується за законом:

                                               (1.2)

де μv  - cередня рухливість іонів;

D – товщина плівки діоксину титану;

Ron, Roff - опори у включеному та виключеному станах;

q(t) – весь заряд, що проходить через мемрістор.

Інтегрування (1.2) дає формулу для w:

                                            (1.3)

Підставляючи (1.3) в (1.1) і враховуючи, що RON<< ROFF, отримуємо вираз для мемрезистивності:

                                       (1.4)

З виразу (1.4) випливають два важливих висновки. По-перше, як і передбачалося в моделі Чуа, опір мемрістора є фунцією заряду q, тобто залежить від сумарного заряду, що пройшов через мемрістор. По-друге, мемрезистивність різко збільшується із зменшенням D. для будь-якого матеріалу в наномасштабі значення доданка, який містить D, на порядки вище, ніж в мікромасштабах . Таким чином, мемрезистивність стає найбільш важливою для розуміння характеристик розглянутого типу електронних пристроїв по мірі того, як їх розміри зменшуються до нанометрових масштабів [1].

 

1.2 ВАХ Мемрістора

 

Якщо до мемрістора прикласти змінну напругу певної частоти, його вольт-амперна характеристика приймає вигляд, який нагадуює фігуру Ліссажу з центром на початку координат (рис.1.6) [2]. Тобто мемрістор, на відміну від резистора,володіє гістерезисом. Зі збільшенням частоти напруги гістерезисна крива вироджується в пряму лінію (рис.1.6).

Рисунок 1.6 – ВАХ мемрістора.

 

У реальних системах за рахунок  сильних електричних полів, присутніх в наномасштабах, проявляються сильні нелінійні ефекти у транспорті іонів, і вигляд

вольт-амперної характеристики змінюється. Наприклад, якщо помножити праву частину виразу (1.3) на функцію w(1-w)/D^2 , що враховує ефекти е лінійності, то на вольт-амперній характеристиці мемрістора з’являються досить різкі фронти, які відповідають переходу від стану з низькою провідністю до стану з високою провідністю і назад . Схожа характеристика була отримана експериментально для мемрістора на основі двоокису титану (TiO2) (Рис.1.7) .

Рисунок 1.7 – Експериментальна вольт-амперна характеристика

мемрістора на основі двоокису титану

 

Подібна поведінка мемрістора дозволяє використовувати його в якості біполярного перемикача: при подачі напруги протилежної полярності мемрістор замикає або розмикає коло, що проходить через нього. Якщо ж розглядати ситуацію з точки зору цифрової електроніки, то можна сказати, що мемрістор переходить зі стану «0» у стан «1» і навпаки. Причому цей стан мемрістор «запам’ятовує» і може зберігати практично необмежено довго – і для цього йому не потрібно джерел напруги. Досягнуте на сьогоднішній день час перемикання мемрістора з одного стану в інший становить порядку 1 нс .

На практиці мемрістор  може приймати не тільки звичайні для  звичайних чіпів пам’яті два положення – 0 або 1, але і будь-які значення в проміжку від нуля до одиниці, так що такий перемикач здатний працювати як у цифровому (дискретному), так і в аналоговому режимах  [2].

 

1.3 Мемрістор як резистивна пам’ять з довільним доступом

 

На рис. 1.8. показано, що при прикладенні напруги еквівалентної або вищої, ніж позитивне значення порогу, після малої затримки, w(t)=D (x(t)=1)

                        (1.5)

де .

Це означає, що повний опір мемрістора стає RON. Аналогічним чином, при прикладенні негативної напруги еквівалентної або вищої, ніж абсолютне значення від’ємної порогової напруги, w(t)=0 (x(t)=0). Як результат, повний опір резистора стає ROFF. Значення RON закодоване як «1», а значення ROFF закодоване як «0». Для напруги між пороговими значеннями, опір не змінюється і зберігає своє останнє значення [3].

 

Рисунок 1.8 – Ідеальна ВАХ мемрістора

Тому що іонам потрібен час, щоб досягти меж мемрістора, переключання не відбувається одразу після досягненням напруги порогового значення. Тривалість цього проходження  визначається виразом:

                                                           (1.6)

Vwr – амплітуда напруги, що прикладається для записування.          

Для операції читання , амплітуда  напруги що прикладається має  бути набагато нижчою ніж порогове значення, для того щоб не відбулось  перемикання. Крім того, застосування напруги для зчитування, на протязі  довгого часу може змінити кількість  потоків, що проходять через прилад, та перемістити межу w. Тобто час зчитування імпульсу має бути обмежений.

                                        (1.7)

Vr – амплітуда напруги, що прикладається для зчитування.

 

1.4 Спінтронний  мемрістор

 

Незабаром після першої демонстрації мемрістора почалися дослідження його властивостей в області спінтроніки (область квантової електроніки, що використовує ефект спіновогострумопереносу [спін-поляризованого транспорту] в гетеро структурах ферромагнетик-парамагнетик або феромагнетик-надпровідник) - яка сама є відносно новим розділом електроніки. Саме спінтроніка знаходиться в центрі останніх досягнень по збільшенню щільності запису інформації на жорстких дисках і удосконаленню пристроїв з сітковою енергонезалежною пам'яттю - MRAM (magnetoresistive random-access memory - магніторезистивна оперативна пам'ять). На відміну від електроніки, робота якої заснована на управлінні потоками електронів, спінтроніка грунтується на квантовомеханічних властивості електронів, відомому, як спін. Спін електронів, зокрема, відповідає за магнітні властивості матеріалів: матеріали намагнічені, коли електрони в них мають однонаправлені спіни (феромагнетизм). Об'єднавши властивості Мемрістора і спінтроніки, можна створювати пристрої, чий опір змінюється в залежності від спіну електронів, що проходять через нього, причому пристрої будуть запам'ятовувати цей опір.

Принцип поботи грунтується на феромагнітних властивостях речовин. При феромагнітному впорядкуванні сусіднім спінам вигідно бути направленими в один бік. За певних умов ця вигода пересилює розвпорядкований внесок теплового руху, і утворюються "домени", в яких усі спіни спрямовані однаково. Причиною опору пристрою є різний напрям спінів електронів в сусідніх доменах. Електрони, що входять в пристрій, мають певний спін, який змінює намагніченість матеріалу. Зміна намагніченості в свою чергу зрушує доменну межу і змінює опір пристрою.

На думку Ванга, спінові  Мемрістори є більш універсальними, ніж пристрої, розроблені Hewlett-Packard і засновані на русі іонів в матеріалі [4]. Так як намагніченість не є дискретною величиною, а може змінюватися безперервно, спіновому Мемрістору не потрібно здійснювати повний перехід від намагніченого стану до ненамагнічену для того, щоб зареєструвати зміну опору.

У статті Массіміліана Ді Вентра в «Physical Review» було описано ще один спіновий мемрісторний пристрій [4]. На відміну від пристрою Ванга в ньому поєднані метал-феромагнетик і напівпровідник. Всі електрони металу мають спін, умовно спрямований вгору, і тільки електрони з таким же спіном будуть переходити в феромагнетик з напівпровідника. Електрони з протилежним спіном почнуть накопичуватися на кордоні між матеріалами, утворюючи зростаючу електронну хмару. У кінцевому рахунку, це хмара починає блокувати подальше перетікання електронів в феромагнетик, що призводить до спіно-залежної провідності. Пристрій Ді Вентра все ж не є «ідеальним» мемрістором, тому що інформація про стан не зберігається після вимкнення живлення. Тим не менше, воно може володіти кількома перевагами. Наприклад, спіновий стан утримується деякими матеріалами набагато довше, ніж заряд (в основі пристрою, продемонстрованого HP, лежить якраз накопичення електричного заряду в плівці діоксиду титану при міграції вакансій), що дозволяє створювати кола, що споживають менше енергії [4].

1.5 Застосування мемрісторів

 

Описані властивості мемрістора дають можливість застосовувати його в якості перемикача елемента пам'яті і складовою логічного елемента.

Вже створені прототипи пристроїв, які реалізують таке застосування. Вони засновані на архітектурі, що одержала назву "кроссбари" (англ. crossbars) [2].

Кроссбар являє собою набір паралельних проволок шириною близько 50 нм (будемо називати їх нанопроволками), які перетинаються іншим набором нанопроволок. Між ними знаходяться прокладки з матеріалу,який під дією прикладеної напруги може змінювати свою провідність (рис.1.6).

Кроссбар-пристрої мають  ряд виграшних особливостей . Регулярна структура з пересічних нанопроволок робить їх виготовлення досить простим, особливо в порівнянні зі складною структурою сучасних процесів на основі КМОП-технологій. Кроссбари можна виготовляти з різних речовин і з використанням різних процесів. Це дозволяє максимально гнучко адаптувати відпрацьовані архітектурні рішення до нових матеріалів. Нарешті, що не менш важливо, на основі єдиної архитектури і єдиних елементів можна реалізувати пам'ять, логіку та межз`єднання.