（电子科学与技术专业论文）忆阻器电路特性与应用研究.pdf

同防科学技术人学研究牛院硕十学佛论文 a b s t r a c t b e s i d e sr e s i s t o r s i n d u c t o r sa n dc a p a c i t o r s ，w h i c ha r et h r e eb a s i cp a s s i v ec i r c u i t e l e m e n t s m e m r i s t o r sa r ec o n s i d e r e dt ob et h ef o u r t hb a s i cc i r c u i te l e m e n t t h i se l e m e n t i sak i n do fn o n 1 i n e a rr e s i s t o rw h i c hh a st h ea b i l i t yt or e m e m b e r n o w a d a y s t h e p r o b l e mo fm e m r i s t o ri so n eo fh o t e s ta n dp r o m i s i n gi s s u eo fi n t e r n a t i o n a lc i r c u i t r e s e a r c h ，i t sa p p e a r a n c em a yp r o b a b l yc h a n g et h ep a r e mo ft r a d i t i o n a lc i r c u i t “i th a s t h ep o t e n t i a lo ft r i g g e r i n gc i r c u i tr e v o l u t i o n t h i sp a p e rd or e s e a r c hw o r ko nm e m r i s t o ra n ds o m eb a s i cc i r c u i to fi t a n a l y z i n ga n ds i m u l a t i n gm e m r i s t o r sc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c s d e s i g n a t i o no fam u l t i - b i t b a s e - na s y n c h r o n o u sc o u n t e ri sa l s oi n c l u d e d t h i sp a p e rc o n t a i n st h e s ep a r t sa s f o l l o w s ： f i r s t l y , a ni n t r o d u c t i o no fn e w e s tp r o g r e s so fm e m r i s t o rr e s e a r c ha n da r ei n c l u d e d e x i s t e n c er a t i o n a l i t ya r ea r g u e d ，t h e o r e t i c a lm o d e la n dc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c sa r eg i v e n , i n n e rm e c h a n i s mw i t hw h i c hm e m r i s t o rw o r k si sa n a l y z e d ；s e c o n d l bb a s e do nl i n e a r d o p a n td r i f tm o d e lo fm e m r i s t o r , n o n 1 i n e a rd o p a n td r i f tm o d e lo fm e m r i s t o ra r eb u i l tb y a d d i n gaw i n d o wf u n c t i o nt od r i f t i n gv e l o c i t yo ft h eb o u n d a r yb e t w e e nd o p a n ta r e aa n d n n d o p a n to n e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h i si m p r o v e dm o d e ls a t i s f i e sb o u n d a r y e f f e c t sn e a rm e t a le l e c t r o d e ：t l l i r d l y , s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho ff i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fc i r c u i tc o m p r o m i s e so fm e m r i s t o ra n dc a p a c i t o ri sg i v e n c h a r g i n gt i m ea n de n e r g y t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc i r c u i tc o m p r o m i s e so fm e m r i s t o ra n dc a p a c i t o ra r ea l s o s t u d i e d ；f o u r t h l y , d e s i g n a t i o no faa s y n c h r o n o u sc o u n t e r 、析t l lm u l t i b i ta n db a s e d - ni s i n c l u d e d nc a nb ea n yv a l u ea sl o n ga sm o d i f y i n gc o u n t e r i n gi m p u l s e sw i d t ha n dd u t y c y c l e c o u n t e r i n gb yc u r r e n tm e m o r yo fm e m r i s t o ri st h ee s s e n t i a ld i f f e r e n c eb e t w e e n t r a d i t i o n a lc o u n t e ra n dt h i so n e i nt h ee n d ，u l t i m a t ec o n c l u s i o ni sd r a w n ，c o n s e q u e n tw o r kp l a n sa r em a d e k e yw o r d s ：m e m r i s t o r ，n a n om a t e r i a l ，m e m r i s t i v ec i r c u i t ，c o u n t e r 第i i 页 同防科学技术人学研究乍院硕f j 学佗论文 表目录 表2 1 含受控源m r 转换电路原理1 4 表3 1 窗函数曲线拟合数据方案一2 8 表3 2 线性杂质漂移忆阻器仿真参数设置3 0 表4 1r = 5 0 kc = iu fr c 滤波特性仿真结果3 6 表4 2r o n = 5 0 0r o f f = 5 0 kw 0 = d = 1 0 纳米c = l u fm c 滤波特性仿真结果3 8 表4 3r c 、m c 充电电路仿真参数设置4 5 第i i i 页 同防科学技术人学研究生院硕十学何论文 图目录 图1 1 忆阻器物理实现示意2 图1 2 忆阻器实物原子显微图像3 图1 3 论文结构图9 图2 1 电路学基本变量关系图1 1 图2 2 有源转换电路理论模型1 3 图2 3 单端忆阻器构成的网络1 6 图2 4 典型的纳米混合结构模型1 9 图2 5 忆阻器工作机制流程图2 l 图2 6 偏置极性对于混合结构转型的影响2 2 图3 1 线性杂质漂移忆阻器物理构成2 5 图3 2 非线性杂质漂移忆阻器2 7 图3 3 非线性杂质漂移忆阻器建模流程2 8 图3 4 方案一曲线拟合效果2 9 图3 5 方案二曲线拟合效果2 9 图3 6 单一忆阻器仿真算法流程3 1 图3 7 偏置电压为v = s i n ( 叭) 理想忆阻器伏安特性3 l 图3 8 偏置电压为v = s i n ( ) 线性非线性忆阻器伏安特性3 2 图4 1r c 滤波电路与m c 滤波电路3 6 图4 2r c 电路滤波特性输入为v = s i n ( w t ) 3 7 图4 3m c 电路滤波特性输入为v = s i n ( w t ) 3 8 图4 4r c 电路幅频特性( r 寻5 0 kc = 5 u f ) 4 0 图4 5m c 滤波电路中忆阻器阻抗变化曲线f i n = 5 h z 4 l 图4 6m c 低通滤波电路时变幅频特性4 2 图4 7r c 、m c 充电电路。4 3 图4 8 求解m c 及r c 充电电路阻抗元件耗能流程图4 4 图4 9r c 与m c 充电电路阻抗元件消耗能量仿真4 5 图5 1 单一忆阻器施加脉冲偏置示意图4 7 图5 2 单一忆阻器仿真模块搭建流程图4 8 图5 3 施加脉冲偏置下忆阻器阻抗的阶跃变化4 9 图5 4 检测脉冲作用下忆阻器的阻抗变化曲线5 0 图5 5 基于忆阻器计数器工作流程图5 2 图5 6 基于忆阻器的多位异步可调进制计数器原理图5 3 第i v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签名：f 望弦遗日期： 2 0 0 1 年 f 1 月6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 同防科学技术人学研究牛院硕f j 学伊论文 第一章绪论 1 1 课题背景与来源 忆阻器是一种新近诞生的，继电阻、电感及电容之后第四种基础电路元件。 简单说，忆阻器是一种能够记忆流经其电荷的元件。该元件从概念产生发展到物 理实物诞生，大致经历了以下两个阶段【1 1 。 1 1 1 概念的提出与理论探索阶段 非线性阻抗材料的研究工作起步较早，在上世纪六十年代，j g s i m m o n s 及 r r v e r d e r b e r 等学者开始关注半导体的电阻开关特性，并发现这种特性存在于硅 的氧化物中f 8 】。受限于当时的科技水平，无法解释半导体材质导电的非线性特性。 1 9 7 1 年，忆阻器理论的奠基人，美国加州大学蔡绍棠教授发表论文并提出忆 阻器的概念【1 1 。蔡教授从逻辑和公理的完备性角度及电磁场角度两个方面出发预测 了忆阻器的存在，但当时并不存在物理意义上的忆阻器实物。蔡绍棠认为，电路 学基本变量有四个，即电压v ( f ) 、电流砸) 、电荷g ( f ) 与磁通量缈( ，) ，从统计学的 角度对应六种关系，其中五种已知。 六种关系中，仅磁通量缈( f ) 与电荷g ( ，) 的关系尚不能确定。蔡教授将这种关系 定义为咖= m d q ，其中m 表示忆阻值，这是一个与电阻具有共同物理量纲的变量， 数值上等于施加在忆阻器两端的电压与流经电流之比。 此后，研究者丌始了忆阻材料的初步探索，陆续有相关文章从理论上分析忆 阻电路特性，但始终无法找到完全符合蔡绍棠理论的忆阻器。典型的成果如下： 1 9 8 6 年，一种基于状态转换材料的两端可配置电阻开关阵列开始被关注【3 】。此器 件与忆阻器的特性不同，但惠普实验室研究小组在研发忆阻器过程中使用的部分 元件，如水平条结构及两端电阻开关都受益于此项研究。 1 9 9 0 年，s t h a k o o r 、a m o o p e n n 、t d a u d 以及a p t h a k o o r 等学者发现了一 种钨的氧化物阻性材料，这种材料可以依据电子学特性改变阻值，但无法明确与 蔡绍棠的忆阻器之间的联系1 4 j 。 随后，i b m 实验室的研究小组在( ( r e p r o d u c i b l es w i t c h i n ge f f e c ti nt h i no x i d e f i l m sf o rm e m o r ya p p l i c a t i o n s ) ) 一文中，描述了氧化物薄膜材料的可重复电阻开关 效应。文中提到的开关具有与忆阻器类似的滞回特性，但仍没有与忆阻器建立直 接的联系。 2 0 0 5 年，研究者发现了一种基于金属氧化物的可逆两端电阻开关材料。同年， 发现一种电阻开关记忆单元，该单元形成于一层有机物与一层会属氧化物的复合 第1 页 垦堕墼茎些奎查茎至堑耋譬些圭茎堡望蚤 结构中伏安特性与忆阻器类似。此项研究与惠普实验宜发现忆阻器实物仅相距 三年。 112 忆阻器物理实现及初步应用阶段 2 0 0 8 年，惠普实验室的研究团队发现了一种纳米双端电阻开关水平条阵列。 同年，该实验室在n a t u r e 上发表文章( t h em i s s i n gm e m r i s t o rf o u n d ，并宣布 发现忆阻器嘲，经实验验证这种纳米双端电阻其开关特性符合蔡绍棠在理论上预测 的忆阻器。 7 ，、 幽i 】忆阻器物理实现示意 如上图所示，惠普实验室发现的忆阻器由一段纳米混合半导体材料，即t i 0 2 和 n d ，一。以及两端的铂电极构成。n q 一，表示内部形成氧空缺的t i 0 2 ，导电性远高于 末形成氧空缺的t i 0 2 。整个器件仅1 0 纳米，是在严格的温度、压力环境中利用纳 米工艺制成的嘲。 忆阻器是一种无源器件，因为其消耗能量而不产生能量，不产生功率增益。 独特的记忆特性使其能够以非易失方式记忆流经电荷的总量。据预测，忆阻器的 记忆功能可应用于集成电路。基于忆阻器的计算机无需费时耗能的启动过程，也 不同于使用传统d r a m 的计算机，后者一旦切断电源就无法保存信息。上述设想 有望在未来几年内实现。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 目前，应用领域的研究处于起步阶段【”。忆阻器能够i d 忆器件历史这一功能将 在云计算应用中发挥重要作用。云计尊使用成千l 月台服务器和存储群系统，这 些系统需要大量的电能以存储、重新获取以及保存海量全球互联网用户信息。忆 阻器的潜在应用价值在于计算机系统的创建通过忆阻器创建的计算机系统可以 拥有类似人类的记忆联想模式。这可以用来改进模糊识别技术，或建立更加复杂 的生物识别系统，进而可以更有效的限制对信息的越权访问。 综e 所述忆阻器理论及实践经历了两个主要的发展时期，其中理论部分经 过几t 年的发展已经相对成熟；实践部分，物理意义上的忆阻器在惠普实验室中 新近诞生其工作机理等涉及物理化学、微电子学等交叉学科的深层次问题尚有 待进一步研究，围绕其应用的探索处于起步阶段以上是本课题的研究背摄。 1 2 国内外研究现状 忆阻器的物理实现是其发展的一个里程碑，标志着相关研究从理论阶段进入 实践阶段。制备忆阻器所需的纳米材料要求实验室具备严格环境对温度、压力、 仪器等都有特定要求，第二章忆阻器工作机理概述部分将做具体介绍。目前受限 于纳米工艺和严格的实验条件，忆阻器尚不能走出实验室。据研发忆阻器的惠普 实验室研究人员称，未来三至血年内，批量化的忆阻器生产将成为可能。 图i2 忆阻器实物原于显微图像 上图所示为惠普实验室制各的忆阻器实物的原子显微图像。该器件由1 7 个忆 阻器排成- - n 组成，其中每个忆阻器都通过一根底部导线与器件的一端相连，还 有一根顶部导线与器件的另一端相连。该器件由5 纳米的电极及置于电极之间的 5 0 纳米的钛氧化物薄膜材质组成，金属电扳材料分别为钛、铂。起初，钛氧化物 第3 页 鬻 围防科学技术人学研究生院硕十学位论文 分为两层，其中一层缺乏氧原子，称为缺氧二氧化钛。氧空缺携带一定的电衙， 导电性优于无氧空缺的二氧化钛。 对器件施加电场时，氧空缺开始漂移，缺氧二氧化钛层与非缺氧二氧化钛层 的分界面( 以下简称分界面) 位置改变。分界面的移动速度取决于电流强度，器 件整体的阻抗就决定于流经的电荷总量。这一过程可逆，当反转外加偏置的极性， 电流将从相反方向流经忆阻器，缺氧与非缺氧二氧化钛层的分界面也相应反向漂 移，导致器件的整体阻抗与反转偏置极性f j 呈相反变化趋势。 当流经忆阻器的电荷足够多时，分界面停止漂移，此时忆阻器进入滞回状态， 这时通过忆阻器的电荷停止增长，忆阻器阻抗固定，直到电流反向之前忆阻器伏 安特性与普通线性电阻类似。 惠普实验室研发的忆阻器是电路学发展的一个重大发现，其实验数据显示仅 当频率为1 h z 时，可以明显的观察到忆阻器的电阻开关效应。纳米器件理论上对 应极快的电荷传递速度，但实际上电荷的漂移速度仅为1 0 。1 4 m 2 v s 。目前，已知 最快的电荷漂移速度为2 x 1 0 _ 8 m 2 y s ，该数据来自铷银碘化物( r u b d i u ms i l v e r i o d i d e ) 。 忆阻器物理实物问世以来，研究人员对该新兴电路学基础元件进行着不断探 索。除惠普实验室外，美国国家标准与技术研究院( n i s t ) 及密歇根大学也取得 了初步进展f 2 0 】。2 0 0 9 年，n i s t 的研究人员实现了一种低功耗柔性记忆电路。该电 路能记忆流经内部的电流总量，并在电路的阻抗上表现出这种记忆性。此项发明 表明忆阻器可在可控传感器及需要长期或短期记忆功能的医疗领域得到应用【8 】。 美国密歇根大学开发出一种由忆阻器构成的芯片，该芯片能存储1 0 3 比特信 息。此项研究成果将有可能改变半导体产业，使成功研制出体积更小、速度更快、 价格更低廉的芯片或电脑成为可能。虽然1 0 3 比特的信息量并不算大，但这是一个 飞跃，该技术更易于扩展以存储更多的数据。芯片研制者表示，在一个芯片上集 成更多的晶体管已变得越来越困难，主要有以下几点原因：第一，晶体管缩小导 致功耗增加；第二，难以安排所有必需的互连；第三，将器件差异做到最小的成 本较高。忆阻器结构简单，更易于在一个芯片上封装更多的数量，以达到更高的 集成密度，对于内存等的应用更具价值。基于忆阻器的内存芯片密度要比目前基 于晶体管的芯片至少高出一个数量级。速度是评价存储介质的一个关键因素。研 究者认为，如此高密度的电路，其运行速度也可以非常快，将信息存储在忆阻器 内存上的速度要比存储在快闪内存上快3 个数量级【9 1 。 忆阻器最直接的应用是制造存储介质。采用忆阻器作为存储单元的存储设备 称为非易失性阻性随机访问存储器( n o n v i o l a t er e s i s t a n tr a n d o ma c c e s sm e m o r y ， 简称为r r a m ) 。据预测，这样的存储器有别于传统的动态随机访问存储器 第4 页 同防科学技术人研究乍院硕f j 学位论文 ( d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，简称为d r a m ) 。r r a m 町使手机使川数剧或 更久而不需充电；使个人电脑丌机后立即启动；笔记本电脑在电池耗尽之后很久 仍记忆上次使用的信息【2 5 1 。忆阻器也将挑战掌上电子设备目前普遍使用的闪存， 因为它具有关闭电源后仍记忆数据的能力，忆阻器将比当今的闪存速度更快，耗 电更少，体积更小。此前，由于忆阻器在反复测试实验中出现的可靠性和重复性 问题，基于忆阻器的存储阵列研发受到一定限制。但研究人员称将在未来两三年 内改善忆阻器的可靠性并研制出基于硅基层的忆阻系统及能与c m o s 兼容的超高 密度内存阵列。 目前研究的另一焦点是非易失性。非易失性是指存储介质所存储的数据能够 保持较长的一段时问而无需重复的刷新操作，是未来节能型存储设备的发展趋势。 忆阻器存储的信息保持时间远长于d r a m 。d r a m 存储单元的数据会随时间而 消失，因此必须每隔至多1 6 毫秒刷新一次，以保证d r a m 正常工作。忆阻器更 加稳定，相关实验数据证实其几天至几周内不需要刷新，这为通用内存的开发提 供了可能。由于忆阻器在集成电路上集成的密度非常高，因此研制出更坚固耐用 的仿生逻辑电路成为可能【2 刚。 目前y u r i y v p e r s h i n 、s t e v e nl af o n t a i n e 以及m a s s i m i l i a n od iv e n t r a 等学者的 研究表明，阿米巴原虫等简单低等的有机生物能够在周期性的环境变化中学习并 改变行为，以适应突发的刺激【l m l 3 】。尚无法彻底解释这一现象产生的根本原因， 然而由电容、电感及忆阻器组成的一个简单电路在一系列电压激励下的表现与阿 米巴原虫的适应行为极为类似。这些研究有望在生物电子学等交叉学科为解释生 物个体的学习及适应现象提供依据。 人类大脑中每个神经元通过突触与至少一万多个其他神经元相连，研究人员 无法凭借基于晶体管的电路实现这样的连接，但忆阻器有望成为构建神经网络物 理模型的关键因素。当提及已知的人名时，一个人会立即联想到其面部特征等多 个特点，这是因为人类拥有所谓的联想记忆力，即对于一个相同的事实或情况有 相关的多种不同记忆。联想记忆是人类最基本的能力，也是仅人类才具备的能力 【1 4 l 。虽然神经网络领域的发展已有多年历史，但一个核心的要素，即相邻神经元 之间的神经突触难以用电路学器件构建。y u r i yv p e r s h i n 及m a s s i m i l i a n od iv e n t r a 等学者研究了基于忆阻器的神经突触的构建，并初步在三个神经元之间置入两个 该神经突触构成的简单网络中实现了神经网络的建模。 忆阻器理论研究方面，创新也层出不穷。早在忆阻器理论预测阶段，其实验 室有源模型就给出了三种转换电路的实现途径。以( c i r c u i te l e m e n t sw i t hm e m o r y ： m e m r i s t o r s ，m e m c a p a c i t o r sa n dm e m i n d u c t o r s ) ) 一文为代表，m a s s i m i l i a n od iv e n t r a 、 y u r i yv p e r s h i n 以及l e o n0 c h u a 等人研究了忆阻系统这一更加一般的非线性系统 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 【5 0j 。在此基础上，结合忆阻器的实验窒自源模型提出忆感器、忆容器的定义，极 大丰富和完善了非线性无源电路元件的概念，为今后通过不同方式、不同器件实 现具有记忆功能的非线性电路器件打开了思路。 目前从物理上尚不能实现忆容器及忆感器，但基于状态过渡的忆阻器己研制 成功。t o md r i s c o l l 、h y u n - t a kk i m 、b y u n g - g y uc h a e 、m a s s i m i l i a n od iv e n t r a 以 及d n b a s o v 等研究人员发现在一种二氧化钒的薄膜材质中存在忆阻效应。这种 效应是通过氧化物由绝缘态向金属态转换而实现的，相关研究结果发表在 ( ( p h a s e t r a s i t i o nd r i v e nm e m r i s t i v es y s t e m ) ) 一文中，此项发现为多途径实现忆阻器 提供了借鉴【1 8 l 。 忆阻器是一种纳米金属金属氧化物金属混合结构器件，关于金属氧化物的电 阻开关效应，早在几十年前就有学者关注并研究。例如1 9 6 7 年j ( 王s i m m o n s 及 r r v e r d e r b e r 等研究者发表 n e wc o n d u c t i o na n dr e v e r s i b l em e m o r yp h e n o m e n ai n t h i ni n s u l a t i n gf i l m s ) ) 一文，并在约2 0 至3 0 0 纳米厚的硅氧化物材质中发现了滞回 的电阻开关特性【l 酬，此项研究成果开启了氧化物薄膜材料电阻开关效应研究的先 河；再如1 9 8 6 年r o b e r tj o h n s o n 以及s t a n f o r do v s h i n s k y 发现基于状态变化材质的 双端可配置阻性开关阵列【1 9 】。关于其中的工作机理，科学界没有得到统一结论， 形成电极溶解、固体电解等多种理论。随着科技的不断进步，微电子领域的科技 水平日益提高，金属氧化物薄膜材料导电的工作机理逐步得到正确的解答。2 0 0 9 年，惠普实验室在严格的实验条件下，对纳米及微米级的金属氧化物混合结构做 了大量细致的实验研究，提出科学的观点。他们认为，氧离子及氧空缺的产生及 移动是导致忆阻器阻抗变化的主要因素，纳米级器件相对于微米级器件没有明显 的物理形变是由于纳米级器件的尺寸相对小的多，电压偏置的极性对器件的阻抗 状态具有决定性影响。上述实验及结论以( ( t h em e c h a n i s mo f e l e c t r o f o r m i n go f m e t a l o x i d em e m r i s t i v es w i t c h e s ) ) 一文发表在n a n o t e c h n o l o g y 上，代表目前对忆阻器及金 属氧化物导电工作机理研究的最高水平。 由于受技术的制约以及实验条件的限制，目前国内在相关领域的研究尚处于 起步阶段，尚未进入实验阶段。于京生、刘振永、杨朋聚发表关于忆阻器的一 些思考一文，阐述了忆阻器的产生及理论成果，结合忆阻器的发现得出了忆阻 器不是“丢失的电路元件 ，相反是“唯一真实的电路元件 的结论。王国权、刘 亮等发表忆阻器应用于人工神经网络的前景与展望一文，展望了忆阻器在神 经网络建立及研究方面的潜在作用。电子科技大学的w e i d o n gw a n g 、q i ny u 、 c h u n x i a n gx u 等研究者对忆阻器的建模进行了较为深入的研究。 第6 页 国防科学技术人研究牛院硕 学位论文 1 3 主要工作及研究成果 利用基尔霍夫定律等电路学基本定律深入研究推导忆阻器理论模型及理论电 路特性，从对称分析及电磁场的角度验证忆阻器存在性，归纳总结纳米级金属金 属氧化物金属混合结构工作机理。对非线性杂质漂移忆阻器进行建模，对忆阻器 及电容组成的滤波电路进行仿真，得到其滤波时频特性；分析忆阻器及电容组成 的充电电路充电时间及能量转化。设计基于忆阻器的多位可变进制异步计数器。 具体包括以下内容： 1 、理论研究部分。运用基尔霍夫定律、欧姆定律及麦克斯韦方程组等电路学 基本定律，深入研究忆阻器理论模型及电路学特性，为后续工作打下理论基础。 通过研究忆阻器的存在性及状态过渡型忆阻器，验证不同工作机理忆阻器存在的 可能性。结合惠普实验室相关实验归纳总结纳米级金属金属氧化物金属混合型结 构的导电机制，为深层次的研究打下基础。 2 、非线性杂质漂移忆阻器模型的建立。惠普实验室在n a t u r e 上发表的发 现忆阻器一文中使用了理想忆阻器模型。本文在理想忆阻器模型，即线性杂质漂 移模型的基础上通过对杂质与非杂质分界面移动速度施加加窗函数构建非线性杂 质漂移忆阻器模型并初步评估加窗性能。非线性模型的建立符合客观实验情况， 是对忆阻器建模的一种改进。 3 、基于忆阻器的滤波及充电电路特性研究。设计了一种基于忆阻器的一阶无 源滤波电路，即m c 滤波电路。分时域及频域研究一阶无源m c 滤波电路的滤波 特性；研究由忆阻器及电容构成的m c 充电电路在充电过程中忆阻器和电容上能 量的转化关系。 4 、受到单一忆阻器施加脉冲偏置后仿真结果的启示，设计基于忆阻器的计数 器，进一步设计多位可变进制异步计数器。该计数器的计数单元核心部分是忆阻 器，利用忆阻器对流经电流的记忆性计数是该忆阻器与传统计数器的本质区别。 第7 页 国防科学技术人学研究乍院硕+ 学位论文 1 4 论文结构 全文分为六章。 第一章为绪论，介绍非线性器件研究背景及相关进展，阐述忆阻器由理论构 想进入物理实现的发展历程以及当今国内外研究现状，最后概括主要工作及研究 成果。 第二章为全文理论基础，共分为四个小节，分别从对称性分析及电路电磁场 特性论证忆阻器的存在性，推导无源准则等忆阻器电路学特性。详细阐述基于杂 质分界面线性漂移理论的深层次忆阻机理，给出以杂质漂移为代表的忆阻器工作 机制，为忆阻器物理实现的多元化打下基础。 第三章，改进了线性杂质漂移忆阻器模型，共分为两个小节。第一节，阐述 惠普实验室在其实验数据基础上提出的线性杂质漂移忆阻器模型：第二节，在第 一节的基础上提出改进方案，利用惠普实验室的实验结果独立设计窗函数，采用 m a t l a b 软件进行曲线拟合，对杂质、非杂质分界面漂移速度进行修正，仿真加 窗后的忆阻器，得到仿真结论。 第四章，研究忆阻器与电容组成的电路特性，共分为两个小节。第一节，从 时域、频域两个方面分析忆阻器及电容组成的一阶无源电路的滤波特性；第二节， 仿真研究忆阻器及电容组成的充电电路的充电时间、忆阻器能耗问题。 第五章，设计基于忆阻器的计数电路，共分为两个小节。第一节，主要阐述 基于忆阻器的计数器的设计思路，单一忆阻器施加脉冲偏置的响应；第二节，在 第一节的基础上具体设计多位可变进制异步计数器。 第六章是结束语。概括总结前文基础上，提出忆阻系统和忆容器、忆感器的 概念，总结有待继续完成的工作，为后续研究提供指导。 详细的章节情况见下图 第8 页 同防科学技术人学研究生院硕十学位论文 ! 竺掣黝j 1 2 国内外研究现状 1 绪诊l - 口p 【 一 l j l3 上要l ：作及研究成果 【j 。_ _ _ 。- 。一 一一一1 4 论文结构 j _ 阳器磊磊 1 1 。“”1 ”? 朔j 2 忆阻器理论 也哆霎畦m 一八 理 论 i 特性与器件实现l 一、j j 研 2 3 忆阻器电路学性质 ny究 一一 2 4 忆阻器1 = 作机理 3 1 线性杂质漂移 l 一丝咝塑堡型 建 忆 | 3 非线性杂质漂移忆阻l1 八 模 阻 l 器建模及仿真研究i 匝丽移忆阻器卜厂 仿 器 真 理 模碗跑丝堕丝查塞 论 特 性厂i 1 基f 砭晤磊百一 与 丕罗滤波电峰 电 应 4 基于忆阻器的滤波 g - - - 一9 y 路 用 应 研 i 及充电电路特性研究 用 究 4 2 基于忆阻器的 研 l 一一 电容充电i b 路 究 厂一j j i 周期晾冲作用下 1 丝堕梦阻抗的变些一 5 基于忆阻器的 一q 令 实 用 电 竺鍪裢望兰 5 2 基十忆阻器的町变进制i 路 j 玺垡塞生i i 数器划 设 计 6 1 忆阻器概念的拓展 6 结束语 6 2 总结与展颦 图1 , 3 论文结构图 第9 页 同防科学技术大学研究牛院硕十学何论文 第二章忆阻器理论特性与器件实现 蔡教授在预测忆阻器存在的文章( ( m e m r i s t o r - - - t h em i s s i n gc i r c u i te l e m e n t ) ) 中， 通过电路变量对称性分析，电路电磁场性质以及构建实验室有源模型预测了忆阻 器作为第四种基本电路元件的存在性。经典电路理论中有四大基本变量，即电流 j ( f ) 、电压甜( f ) 、电荷g ( ，) 与磁通量妒( ，) ，三种基本的双端电路元件分别为电阻、 电容和电感。按照排列组合的原理，四种变量间存在六种两两对应关系。其中五 种关系已为我们所熟知【2 8 1 ，正是这一缺失的电路变量关系预示着存在一种未知的 电路元件。因其行为类似于带有记忆的非线性电阻所以被称为忆阻器，英文为 m e m r i s t o r ，是m e m o r y 与r e s i s t o r 的缩写。本章共分为四节，分别阐述忆阻器存在 依据，在实验室有源模型的基础上推导理论电路学特性，深入分析金属金属氧化 物金属混合结构的工作机制，是全文的理论基础。 2 1 忆阻器存在依据 由1 1 节可知，忆阻器的发展经历了两个主要阶段，其中概念的提出与理论探 索阶段是忆阻器发展的理论基础。这一阶段的发展经历了存在性预测、实验室有 源模型搭建、理论电路特性、新奇应用的构想等主要步骤，之间环环相扣，前面 的研究作为后面的基础。蔡绍棠在( ( m e m r i s t o r - - t h em i s s i n gc i r c u i te l e m e n t ) ) 一文 中，从电路变量对称性和电磁场特性中得到了忆阻器存在的依据【l l ，为后续理论上 的研究打下基础。 2 1 1 对称性依据 如下图所示，五种已知电路变量关系中，由法拉第电磁感应定律及楞次定律 得到的关系 q ( t ) = if ( r v f ( 1 ) 伊( ，) = iv ( r ) a f ( 2 ) 上述两式分别表示电荷g ( f ) 是电流关于时间的积分，磁通量c p ( t ) 是电压关于时 间的积分。其余三种关系是已知电路基本元件的定义式，即理想电阻、电容、电 感分别满足 d v = r d ( 3 ) 由= c d v( 4 ) d c o = l d ( 5 ) 第1 0 页 国防科学技术人；乏研究牛院硕- ：学位论文 图2 1 电路学基本变量关系图 从电路学变量统计的完备性出发，理论上应该存在一种数学关系，由磁通量 和电荷之间的函数所描述，蔡绍棠教授定义此关系为 d 9 = m d q ( 6 ) 上述数学关系对应于一种尚未从物理上实现的基本电路元件。其中的m 表示 忆阻，同电阻具有相同的物理量纲欧姆，其值为忆阻值。这样就实现了电路学基 本变量之间关系的完备性【2 9 】。 2 1 2 电磁场特性依据 电路理论是电磁场理论的受限个例，仅通过电路理论无法直接证明无源忆阻 器的物理可实现性，但借助麦克斯韦方程组对电磁场的分析可以得出忆阻器存在 的另一依据【1 1 。 微分形式的麦克斯韦方程组如下 c 甜一e - 一警 ( 7 ) c u r lh - - j + i 0 d ( 8 ) e 和h 分别是电场和磁场的强度，d 和b 分别是电通量密度和磁通量密度，j 是电流密度。定义一个时间常量为 f 2 a t ( 9 ) 利用零阶和一阶麦克斯韦方程组可以分析很多电磁现象和系统。相应的解称 为准静态场。电路理论属于准静态场的范畴，可以根据以下准静态形式的麦克斯 第1 1 页 同防科学技术大学研究牛院硕十学何论文 韦力程组进 j ：研究。 零阶麦克斯韦方程组 c u r l e o = 0 ( 1 0 ) c u r l h o = j o ( 1 1 ) 一阶麦克斯韦方程组 c u r t e ：一亟, a r c u r l h , = j l + 警 ( 1 3 ) u i 注意到零阶与一阶电磁场的关系为e e o + e l ，h h o + q ，d o o + d l ， b 岛+ 昼，j 厶+ 以。可以认为三种已存在电路元件是这样的电磁系统，其解 与式( 1 0 ) 至式( 1 3 ) 的零阶和一阶的某种组合相对应。例如，电阻的一阶场相 对于零阶场可以忽略，故其特性可以表达为在两个零阶场磊和矾之间的瞬时关 系。电感是只有一阶磁场可以忽略的电磁场系统，是一个电感与一个电阻串联。 类似，电容是只有一阶电场可以忽略的电磁场系统，是一个电容和一个电阻并联。 剩余情况是一阶电场及一阶磁场都不能忽略。实际电路元件中没有与之相对 应的个例，暂称为未知器件。此外，一阶电通量密度日的球面积分与电荷g ( ，) 成 比例；一阶磁通量密度b 。的球面积分与磁通量缈( f ) 成比例，而d l 与蜀是相关的。 理论上讲，该未知器件的物理机制必定来自某种相互作用，即一阶电场和一阶磁 场之间的相互作用。上述结论表明该未知器件从根本上说是一个交流的器件，否 则直流电磁场将会产生不可忽略的零阶场【3 8 】。 通过以上分析可知，存在性仅是理论上的预测，在电路学基本变量关系的非 对称性以及电磁场零阶及一阶场关系非对称性的基础上，预测了存在某种元件的 存在。存在性是整个忆阻器理论的开端，也为后面的工作奠定了基础。以下将沿 着忆阻器理论的发展过程，继续阐述实验室有源模型。 2 2 忆阻器有源模型 忆阻器作为被动无源器件本身不存储能量，只消耗能量。但借助有源电路如 微积分电路等，可以实现电路变量之间的转换，从而在实验室构建理论的有源模 型，在此基础上进一步研究忆阻器理论的电路特性。实验室有源模型是蔡绍堂在 尚未发现忆阻器物理实现的情况下一种研究思路的创新，具有非常重要的理论和 实践意义。非线性电阻具有非线性的v - i 关系，通过设计一个转换电路，可以将 v - i 关系转换为矽一q 关系。( ( m e m r i s t o m em i s s i n gc i r c u i te l e m e n t ) ) 一文中，蔡绍 棠介绍了这种称为m r 转换器的转换电路【l 】。如果被转换的器件是非线性电容或电 第1 2 页 同防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 感，转换器就称为m c 、m l 转换器。 如下图( a ) 所示，该图展示了预测忆阻器存在性的实验室模型及符号表示。 左图表示忆阻器元件符号，波形幅度的变化示意电阻值是动态改变的。右图是忆 阻器的磁通量与电荷的关系曲线，表明忆阻器的磁通量与电荷的非线性关系。右 图只是一个定性的示意图，主要体现电荷与磁通量之问的非线性关系。 如下图( b ) 所示，恒等号表示等价，右边由两部分组成，即m r 转换器和非 线性电阻，m r 表示该转换器将电阻的v - i 关系转换为忆阻器的矽q 关系，转换器 的端口2 接一个非线性电阻，从端口1 看去，m r 转换器及非线性电阻整体等同于 一个忆阻器。从本质上讲，各个转换器都是电路变量关系的转换器。以下详细阐 述转换器的工作原理。 m jlq i = d q v 2 却 l l l 蛰rh六 l 鱼c mxc - 图2 2 有源转换电路理论模型 由于原理上类似【3 9 1 ，仅对m r 转换器的两种实验室有源模型进行分析，m l 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 及m c 转换器的原理住此不做赘述。 表2 1 含受控源m r 转换电路原理 使用受控源的基本实现类型符号和特征描述 传输l ( ? = l - 2 ( 7： ( q ，缈) 叫k ，v 。) 实现i实现2 扯o 土 梦簿 土 j l j + 矗r 一 梦簿 + v 2 讪，= ( + v l 1 、 ，i 叱 hv 2 i d r ,d k v i2 百一i ( 9 ，q ) “，不) 实现1 实现l 上4 亟 0 惑霪 土 土 五+ + mxrv 2 = ( + + 蕊念 v v i 2 h v 2h 一 一 i i 如以 v i i 2 i 如上表所示，m r 转换器有两种类型，每种类型对应两种实现途径，这样共有 四种实现途径。类型i 的实现1 由两个受控源组成，分别是电流源和电压源。从端 v 11 看去，流过端1 31 的电流是端口2 电流的负微分值，端1 31 电压是端v 12 电 压的微分值。所以，数学上存在如下关系 m = d r _ _ ，2 。_ 2 ( 1 4 )m2 ，。【l = 一了d i 2 ( 1 5 ) 依据法拉第电磁感应定律及楞次定律，流经端口1 的电荷及