Memrystor. mgr inż. Piotr Kyzioł Zakład Teorii Obwodów i Sygnałów, Instytut Elektroniki Politechnika Śląska

Transkrypt

1 Memrystor mgr inż. Piotr Kyzioł Zakład Teorii Obwodów i Sygnałów, Instytut Elektroniki Politechnika Śląska 1

2 Plan prezentacji Wstęp teoretyczny Memrystor Analogia hydrauliczna Technologia wytwarzania memrystora Charakterystyki, krzywe Lissajous Zastosowanie Podsumowanie 2

3 Podstawowe wielkości fizyczne - elektromagnetyzm Cztery wielkości: q, I, φ, U q ładunek elektryczny φ strumień magnetyczny I prąd elektryczny U napięcie Możliwość utworzenia sześciu równań Dwa równania dynamiczne (dynamic relationship) Cztery równania statyczne (constitutive equations, static relationship) 3

4 Podstawowe wielkości fizyczne - elektromagnetyzm Równania dynamiczne 1. dφ = udt (prawo Faradaya) 2. dq = idt Równania statyczne (materiałowe) 3. du = Rdi rezystor 4. dq = Cdu kondensator 5. dφ = Ldi cewka 6. dφ = Mdq memrystor Trzy podstawowe elementy elektroniczne. 4

5 Podstawowe wielkości fizyczne - elektromagnetyzm Kondensator Benjamin Franklin 1745 Rezystor Georg Ohm 1827 Cewka Joseph Faraday

6 Podstawowe wielkości fizyczne - elektromagnetyzm Kondensator Benjamin Franklin 1745 Rezystor Georg Ohm 1827 Cewka Joseph Faraday

7 Podstawowe wielkości fizyczne - elektromagnetyzm Kondensator Benjamin Franklin 1745 Rezystor Georg Ohm 1827 Cewka Joseph Faraday 1831 Memrystor Leon Chua, Stan Williams 1971,

8 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

9 Rezystor vs Memrystor W liniowych systemach różniczki można skrócić Rezystor - liniowa zależność między strumieniem magnetycznym a ładunkiem elektrycznym Memrystor - nieliniowa zależność między strumieniem magnetycznym a ładunkiem d(fi) M= const d(fi) M const dq M= R dq 9

10 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

11 Memrystor - technologia Warstwa TiO 2 (dwutlenek tytanu) posiada wysoką rezystancję R OFF Warstwa TiO 2-x (zubożona ilość atomów tlenu, O vacancies) posiada niską rezystancję R ON Wymiary memrystora rzędu kilku nm Napięcie rzędu kilku woltów przyłożone do zacisków memrystora odległych od siebie o kilka nm 11

12 Model zastępczy memrystora Połączenie szeregowe dwóch rezystorów Rezystancja memrystora R Total jest ważona sumą składowych R ON i R OFF Pożądany jak największy stosunek R OFF do R ON 12

13 Memrystor - równania i charakterystyki 13

14 Memrystor - równania Memrystor można opisać w następujący sposób ; R ON << R OFF µ v - 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/D 2 (D długość memrystora), istoty dopiero w skali nm 14

15 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 R po lewej 15

16 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

17 Memrystor - zastosowanie Pamięci NVRAM (RRAM - Resistive RAM) Budowa sztucznego mózgu memrystory pełnią rolę synaps (połączeń między neuronami) Układy wykorzystujące logikę wielostanową 17

18 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

19 Literatura 1. Chua, Leon O (September 1971), "Memristor The Missing Circuit Element", IEEE Transactions on Circuit Theory CT-18 (5): Strukov, Dmitri B; Snider, Gregory S; Stewart, Duncan R; Williams, Stanley R (2008), "The missing memristor found", Nature 453: "'Missing link' memristor created". EETimes Retrieved on Chua, L.O., and Kang, S.M., Memristive Devices and Systems, Proceedings of the IEEE 64, 209, Tour, James M; He, Tao (2008), "Electronics: The fourth element", Nature 453: