Memrystor - Instytut Elektroniki

Memrystor
mgr inż. Piotr Kyzioł
e-mail: [email protected]
Zakład Teorii Obwodów i Sygnałów, Instytut Elektroniki
Politechnika Śląska
1
Plan prezentacji
• Wstęp teoretyczny
• Memrystor
• Analogia hydrauliczna
• Technologia wytwarzania memrystora
• Charakterystyki, krzywe Lissajous
• Zastosowanie
• Podsumowanie
2
Podstawowe wielkości fizyczne elektromagnetyzm
Cztery wielkości: q, I, φ, U
q – ładunek elektryczny
I – prąd elektryczny
φ – strumień magnetyczny
U – napięcie
• Możliwość utworzenia sześciu równań
• Dwa równania dynamiczne (dynamic
relationship)
• Cztery równania statyczne (constitutive
equations, static relationship)
3
Podstawowe wielkości fizyczne elektromagnetyzm
Równania dynamiczne
1. dφ = udt (prawo Faradaya)
2. dq = idt
Równania statyczne (materiałowe)
3. du = Rdi
rezystor
Trzy
podstawowe
4. dq = Cdu
kondensator
elementy
elektroniczne.
5. dφ = Ldi
cewka
6. dφ = Mdq
memrystor
4
Podstawowe wielkości fizyczne elektromagnetyzm
Kondensator – Benjamin Franklin
1745
Rezystor – Georg Ohm 1827
Cewka – Joseph Faraday 1831
5
Podstawowe wielkości fizyczne elektromagnetyzm
Kondensator – Benjamin Franklin
1745
Rezystor – Georg Ohm 1827
Cewka – Joseph Faraday 1831
6
Podstawowe wielkości fizyczne elektromagnetyzm
Kondensator – Benjamin Franklin
1745
Rezystor – Georg Ohm 1827
Cewka – Joseph Faraday 1831
Memrystor – Leon Chua, Stan
Williams 1971, 2008
7
Memrystor
• Element dwukońcówkowy
• Sterowany prądem lub ładunkiem (jego rezystancja
jest proporcjonalna do ładunku, który przez niego
‘przepłynął’)
• Nieliniowa zależność strumienia magnetycznego od
ładunku elektrycznego
• W danej chwili memrystor jest rezystorem
• Rozmiary pojedynczego memrezystora są rzędu nm
8
Rezystor vs Memrystor
W liniowych systemach różniczki
można „skrócić”
Memrystor - nieliniowa zależność między strumieniem
magnetycznym a ładunkiem
M= const
d(fi)
d(fi)
Rezystor - liniowa zależność między strumieniem
magnetycznym a ładunkiem elektrycznym
M≠ const
M= R
dq
9
dq
Analogia hydrauliczna
ładunek – objętość ; potencjał – ciśnienie ; prąd - prąd
Rezystor – rura o
stałej średnicy
Memrystor – rura o zmieniającej się
średnicy (zależnie od tego w która
stronę płynie prąd przez memrystor)
M= const
M= R
10
Memrystor - technologia
• Warstwa TiO2 (dwutlenek tytanu) posiada wysoką
rezystancję ROFF
• Warstwa TiO2-x (zubożona ilość atomów tlenu, O
vacancies) posiada niską rezystancję RON
• Wymiary memrystora rzędu kilku nm
• Napięcie rzędu kilku woltów przyłożone do zacisków
memrystora odległych od siebie o kilka nm
11
Model zastępczy memrystora
• Połączenie szeregowe dwóch rezystorów
• Rezystancja memrystora RTotal jest ważona sumą
składowych RON i ROFF
• Pożądany jak największy stosunek ROFF do RON
12
Memrystor - równania i charakterystyki
13
Memrystor - równania
• Memrystor można opisać w następujący sposób
; RON<< ROFF
µv- ruchliwość jonów
• Brak jawnej obecności strumienia magnetycznego we
wzorze na M przyczyną tego, że tak późno element ten
został ‘odkryty’
• Efekt ‘memrystancyjny’ wprost proporcjonalny do 1/D2
(D – długość memrystora), istoty dopiero w skali nm
14
Memrystor - krzywe Lissajous
• Przebieg napięcia dołączony do płytek odchylania X
oscyloskopu, przebieg prądu dołączony do płytek
odchylania Y
• Kształt krzywych Lissajous dla memrystora zależny od
częstotliwości dołączonego sygnału
• Memrysory posiadają ujemną
rezystancje dynamiczną
• Dla porównania krzywe
Lissajous dla elementów:
L, C – po prawej
15
R – po lewej
Memrystor – zapis i odczyt
• W celu odczytania memrystancji (rezystancji
memrystora) używa się krótkich impulsów prądowych
(pomiar napięcia)
• Zapis informacji do memrystora (ustawinie żądanej
wartości jego rezystancji) dokonuje się za pomocą
impulsów prądowych
16
Memrystor - zastosowanie
Pamięci NVRAM (RRAM - Resistive RAM)
Budowa sztucznego mózgu
• memrystory pełnią rolę synaps (połączeń między
neuronami)
Układy wykorzystujące logikę wielostanową
17
Podsumowanie
• Linie technologiczne do wytwarzania memrystorów nie
różnią się zbytnio od tych już istniejących
• Element dwukońcówkowy (tranzystor ma trzy
wyprowadzenia)
• większa gęstość upakowania niż jest to w technologi
CMOS
• Memrysor nie potrzebuje drogiego krzemu
18
Literatura
1. Chua, Leon O (September 1971), "Memristor—The Missing Circuit Element",
IEEE Transactions on Circuit Theory CT-18 (5): 507–519
2. Strukov, Dmitri B; Snider, Gregory S; Stewart, Duncan R; Williams, Stanley R
(2008), "The missing memristor found", Nature 453: 80–83
3. "'Missing link' memristor created". EETimes. 2008-04-30.
http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=207403521.
Retrieved on 2008-04-30
4. Chua, L.O., and Kang, S.M., Memristive Devices and Systems, Proceedings of
the IEEE 64, 209, 1976
5. Tour, James M; He, Tao (2008), "Electronics: The fourth element", Nature 453:
42–43
19