论文摘要
忆阻器基础理论、导电机理、器件制备和应用技术等方面的研究已成为电子信息科学技术领域新的、革命性的前沿热点,并在电子科学、计算机科学、材料学和智能生物学领域产生越来越多的重大科学技术成果。忆阻器被认为是替代硅芯片、延续摩尔定律的有力竞争者,可能在不远的将来成为新一代非易失存储介质。基于忆阻器可望构建逻辑、存储、计算三位一体的新一代计算机体系架构,而基于此体系架构设计的即开型个人计算机将给高速发展的信息化社会带来全新的面貌。本文围绕忆阻器基本理论和导电机理模型进行了深入研究,主要工作和创新点包括:本文提出了一种理想忆阻器的近似数学表达,该表达在伏安特性方面与实际忆阻器呈较好的一致性,从而揭示了理想忆阻器与实际忆阻器数学上的差异,这些差异将对忆阻器的制备产生指导性作用。理想忆阻器是一个双端器件,它的赋定关系仅由电路基本变量磁链?和电荷q所决定。理想忆阻器的电压电流滞回曲线有零点交叉、双值性、渐缩性、奇对称、自交叉型、稳定性等基本特征,这些基本特征是判别一个双端器件是否为理想忆阻器的必要条件。惠普等IT企业和一些大学的研究单位制备出了忆阻器实物,一些传统电子器件也被认为是忆阻器,但是这些实际忆阻器所测得的伏安特性滞回曲线与理想忆阻器存在差异,主要体现在无法满足理想忆阻器电压电流滞回曲线基本特征中的奇对称、自交叉型。虽然蔡少棠等人提出了一种广义忆阻器(忆阻系统)的概念试图将两者统一,但广义忆阻器的定义式存在对忆阻值和阻值变化率连续性的限制,与实际忆阻器依然存在差异,同时也制约了实际忆阻器的数学模型的发展。本文在广义忆阻器基础上做进一步拓展,提出了一种理想忆阻器的近似表达,放宽了忆阻值连续性和有界性的限制,同时还引入非线性流控/压控广义忆阻系统的概念,使之能更好地描述实际忆阻器。最后通过几个典型的忆阻器,分析验证了该表达在描述伏安特性方面与实际忆阻器的一致性。这种近似表达一方面能帮助我们更好地找到实际忆阻器的数学描述;另一方面揭示了理想忆阻器与实际忆阻器数学上的差异,为今后制备忆阻器并朝理想忆阻器方向逼近提供理论参考。本文分析了初始渗透率和初始渗透分布对逾渗导电通道网格模型中导电通道形成的影响,揭示了初态对单极性忆阻开关器件特性影响的规律,这些规律将对基于逾渗导电通道网格模型的忆阻器设计制备具有指导意义。为提高了计算效率,本文对逾渗导电通道网格模型做了简化,并通过仿真实验进行了验证,结果表明,该简化模型能反映启动阶段单极性忆阻开关器件导电通道形成的实际情况。以这一模型为基础,通过电压激励步进的方式,首先研究了不同初始渗透率对单极性忆阻开关器件中逾渗导电通道形成的影响。仿真结果表明:启动阶段忆阻开关器件阻值具有波动性,而且初始逾渗分布为全局随机分布情况下,初始渗透率越大的忆阻器所需的平均启动电压值越低。其次,还研究了不同初始渗透分布对单极性忆阻开关器件中逾渗导电通道形成的影响。仿真结果表明:启动阶段单极性忆阻开关器件低阻态的阻值分布为类高斯分布,与实际器件一致;并且启动阶段,单极性忆阻开关器件阻值波动性均值和方差与初始掺杂浓度、掺杂分布等初态信息有关。通过进一步分析,发现产生该现象的原因在于:不同初始逾渗分布下,单极性忆阻开关器件导电通道形成的形状具有不同的“树形”结构,主要有“十字”型、“密集”型和“闪电”型,而这些不同类型结构的导电通道决定了忆阻器整体的阻值变化。这些特性分析有待于通过原子显微镜对不同材料的单极性忆阻开关器件进行观察,揭示尚未明确的导电机理,同时也为通过控制相关结构材料参数制备出相应稳定性和启动电压要求的忆阻开关器件提供了新的思路。
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