憶阻器

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憶阻器
类型 被動
工作原理 憶阻
发明 蔡少棠(1971)
投产年 HP Labs (2008)
电路符号
Memristor-Symbol.svg


憶阻器英语memristor /ˈmɛmrɨstər/),又名記憶電阻英语memory resistors),是一種被動電子元件。如同電阻器,憶阻器能產生並維持一股安全的電流通過某個裝置。但是與電阻器不同的地方在於,憶阻器可以在關掉電源後,仍能「記憶」先前通過的電荷量。兩組的憶阻器更能產生與電晶體相同的功能,但更為細小。最初於1971年,加州大学伯克利分校蔡少棠教授根據電子學理论,預測到在電阻器電容器電感元件之外,还存在電路的第四種基本元件,即是憶阻器[1][2]。 目前正在开发忆阻器的团队包括惠普SK海力士HRL实验室英语HRL Laboratories

之後從2000年始,研究人員在多種二元金屬氧化物和鈣鈦礦結構的薄膜中發現了電場作用下的電阻變化,並應用到了下一代非揮發性記憶體-阻抗存儲器(RRAM)或(ReRAM)中[3][4][5][6][7]。2008年4月,惠普公司公佈了基於TiO2的RRAM器件,並首先將RRAM和憶阻器聯繫起來。[8][9][10][11]。但目前仍然有專家認為,這些實作出的電路,並不是真正的憶阻器。

背景[编辑]

電阻器,電容器,電感器,憶阻器的概念之間的對稱性。

在他的1971年的论文中,蔡少棠外推了对称的非线性电阻(电压与电流),非线性电容器(电压与电荷),和非线性电感(磁通量与电流)之间的的概念,并推断出忆阻器作为一个类似于基本的非线性电路元件的,连接磁链和电荷。对比线性(或非线性)的电阻,忆阻器有一个动态的包括过去的电压或电流的记忆的电流和电压之间的关系。其他科学家已经提出动态记忆电阻器,例如伯纳德建模的存储电阻器英语Memistor,但是,蔡试图引进数学一般性。

憶阻器的定义和批评[编辑]

理論[编辑]

初步的忆阻器符号(由蔡建议,不规范)

在憶阻器中,磁通量\Phi_\mathrm B)受到累積的電荷q)所影響。磁通量按電荷的改變率稱之為「忆阻值」[12]

M(q)=\frac{\mathrm d\Phi_\mathrm B}{\mathrm dq}

故此忆阻值可以與其餘三種基本的電子元件作出比較:

當中q是電荷;I電流V電壓;而\Phi_\mathrm B則是磁通量。

根據法拉第電磁感應定律複合函數求導法則,可見憶阻器的電壓V是與電流I及忆阻值的積有關:

V(t) = M(q(t)) I(t) \,

由此可見,憶阻器可以成為一個電阻器。但是「電阻」的M(q)會隨累積的電荷而改變。忆阻值可以說是隨流經憶阻器的電流歷史所改變,彷如在電容器的電壓一般。

憶阻器的行为是类似的其他三个基本组成部分。

电荷(q) 电流(I)
电压(U) 电容(倒数)

\frac{1}{C}=\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}q}=\frac{\mathrm{d}\dot \Phi}{\mathrm{d}q}

电阻率

R=\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}I}=\frac{\mathrm{d}\dot \Phi}{\mathrm{d}\dot{q}}

磁通量(\Phi) 憶阻器

M=\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}q}

电感

L=\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}I}=\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}\dot{q}}

实现[编辑]

潜在应用[编辑]

威廉姆斯英语Richard Stanley Williams的固態的憶阻器可以組合成所謂交叉開關鎖存器英语Crossbar latch的設備,這可能會取代晶體管建造未來的电脑,佔用面積小得多。

種類[编辑]

電化電池[编辑]

憶阻器具有電化電池表現的特徵。[13]

固態[编辑]

惠普公司实验室的排成一排二氧化钛组成的17个忆阻器阵列,由原子力显微镜成像. 每条线有50纳米宽,相当于150原子宽。[14] 电流通过憶阻器移动氧原子空穴, 导致电阻的一个渐进的和持久的变化。[15]

2007年惠普公司資訊與量子系統實驗室的研究人員在理查德·斯坦利·威廉姆斯英语Richard Stanley Williams的領導下成功研製了固態的憶阻器[16][17][18]-它是由一片雙層的二氧化鈦薄膜所形成,當電流通過時,其電阻值就會改變。固態的憶阻器的製造需要涉及物料的納米技術。這個憶阻器並不像其理論般涉及磁通量,或如電容器般儲存電荷,而是以化學技術來達至電阻電流歷史改變的性質。

不過,三星集團卻有一項正申請專利的憶阻器,採用了類似惠普公司的技術。故此誰是憶阻器的創始人則有待澄清。[19]

目前(2008)惠普公司是以兩層二氧化鈦薄膜來製作憶阻器元件[20] ,其中一層摻雜。[21]

可能應用[编辑]

其元件特性,適合模擬神經元突觸的部份運作,使得電腦神經網路製作上更能接近人腦。[21]

威廉姆斯的固態憶阻器可以組合成晶體管,儘管小得多。They can also be fashioned into non-volatile solid-state memory, which would allow greater data density than hard drives with access times potentially similar to DRAM, replacing both components.[22] HP has reported that its version of the memristor is about 10 times slower than DRAM [1].

Some patents related to memristors appear to include applications in programmable logic,[23] signal processing,[24] neural networks,[25] and control systems.[26]

相关项目[编辑]

參考[编辑]

  1. ^ Chua, Leon O. Memristor - The Missing Circuit Element. IEEE Transactions on Circuit Theory. Sep 1971,. CT-18 (5): 507–519. 
  2. ^ Tour, James M and Tao He. Electronics: The fourth element. Nature. 2008, 453: 42–43. doi:10.1038/453042a. 
  3. ^ C. B. Lee, B. S. Kang, M. J. Lee, S. E. Ahn, G. Stefanovich, W. X. Xianyu, K. H. Kim, J. H. Hur, H. X. Yin, Y. Park, and I. K. Yoo, Appl. Phys. Lett. 91, 082104 (2007).
  4. ^ B. J. Choi, D. S. Jeong, S. K. Kim, C. Rohde, S. Choi, J. H. Oh, H. J. Kim, C. S. Hwang, K. Szot, R. Waser, B. Reichenberg, and S. Tiedke, J. Appl. Phys. 98, 033715 (2005).
  5. ^ S. Q. Liu, N. J. Wu, and A. Ignatiev, Appl. Phys. Lett. 76, 2749 (2000).
  6. ^ A. Beck, J. G. Bednorz, Ch. Gerber, C. Rossel, and D. Widmer, Appl. Phys. Lett. 77, 139 (2000).
  7. ^ W. Shen, R. Dittmann, U. Breuer, and R. Waser, Appl. Phys. Lett. 93, 222102 (2008).
  8. ^ Strukov, Dmitri B, Snider, Gregory S, Stewart, Duncan R and Williams, Stanley R. The missing memristor found. Nature. 2008, 453: 80–83. doi:10.1038/nature06932. 
  9. ^ 'Missing link' memristor created. EETimes. 2008-04-30 [2008-04-30]. 
  10. ^ Marks, Paul. Engineers find 'missing link' of electronics. New Scientist. 2008-04-30 [2008-04-30]. 
  11. ^ Researchers Prove Existence of New Basic Element for Electronic Circuits - Memristor. Physorg.com. 2008-04-30 [2008-04-30]. 
  12. ^ [spider.cs.ntou.edu.tw/twp/class/Electronic981/part2.pdf 電子電路學講義2
  13. ^ Chen W-K. Circuit Elements, Modeling, and Equation Formulation. The Circuits and Filters Handbook 2nd ed. CRC Press 2003. ISBN 0-8493-0912-3. 
  14. ^ Bush, S. HP nano device implements memristor. Electronics Weekly. 2 May 2008. 
  15. ^ Kanellos, M. HP makes memory from a once-theoretical circuit. 30 April 2008. 
  16. ^ Fildes, Jonathan. Getting More from Moore's Law. BBC. 2007-11-13 [2008-04-30]. 
  17. ^ Bulletin for Electrical and Electronic Engineers of Oregon (PDF). Institute of Electrical and Electronics Engineers. Sept 2007 [2008-04-30]. 
  18. ^ R. Stanley Williams, HP biography
  19. ^ US Patent Application 11/655,193
  20. ^ http://www.informationweek.com/news/hardware/processors/showArticle.jhtml?articleID=207403582
  21. ^ 21.0 21.1 http://www.spectrum.ieee.org/may08/6207
  22. ^ Kanellos, Michael. HP makes memory from a once theoretical circuit. CNET News.com. 2008-04-30 [2008-04-30]. 
  23. ^ U.S. Patent 7,203,789
  24. ^ U.S. Patent 7,302,513
  25. ^ U.S. Patent 7,359,888
  26. ^ U.S. Patent Application 11/976,927

外部連結[编辑]

External links[编辑]