memory resistor το τελευταίο κομμάτι, στο πάζλ των ηλεκτρονικών.. Τομέας Φυσικής ΕΜΠ - σεμινάριο φυσικής Γιαννόπουλος Ιάσονας

Transcript

1 memristor memory resistor το τελευταίο κομμάτι, στο πάζλ των ηλεκτρονικών.. Τομέας Φυσικής ΕΜΠ - σεμινάριο φυσικής Γιαννόπουλος Ιάσονας

2 διάρθρωση της παρουσίασης ορισμός memristor δομικά χαρακτηριστικά μηχανισμός λειτουργίας χαρακτηρισμός συσκευής ηλεκτρονικές εφαρμογές εναλλακτικές διατάξεις ματιά.. στο μέλλον

3 τι είναι το μεμρίστορ? Leon Chua (Berkeley 1971) Stan William (hp labs 2008) κάτι λείπει.. το 4 ο θεμελιώδες παθητικό ηλεκτρονικό στοιχείο!

4 ροή ~ φορτίο κλίση της καμπύλης φορτίου ~ ροής M(q) : memristance μοντελοποίηση λειτουργίας ψευδογραμμική σχέση αντίσταση ~ κατάσταση χρονική εξέλιξη καταστάσεων *τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά μεταβάλλονται με τις καταστάσεις!

5 ..καταστάσεις? - παθητικό στοιχείο που μπορεί να αλλάζει καταστάσεις (states) - μνήμη μετάβαση και παραμονή σε μια διακριτή κατάσταση ΤiO 2 (ρουτίλιο) E g = ev ευκινησία φορέων: cm 2 /Vs αφαιρούνται άτομα Ο έως και 3% διάκενα κενές θέσεις οξυγόνου ατομικές οπές

6 η ατομική διάχυση είναι σχετικά αργή διακρίνουμε 2 περιοχές στο οξείδιο: - ΤiO 2 (στοιχειομετρίες) μονωτικό R TiO2 >> R TiO2-x - ΤiO 2-x (αποξυγονωμένη) αγώγιμο διμερές οξείδιο η κίνηση των διακένων (πλεγματικά κενά οξυγόνου) επιβάλλεται από το πεδίο

7 autodopping η θετική τάση επιδρά στις θετικά φορτισμένες οπές οξυγόνου η αγώγιμη περιοχή διευρύνεται η συνολική αγωγιμότητα αυξάνεται η κατάσταση της συσκευής αλλάζει drift: η εναλλαγή των καταστάσεων της συσκευής εξαρτάται από το ρεύμα ν.ohm εξαρτώμενος από τις καταστάσεις memristance το συνολικό πάχος του οξειδίου είναι στο τετράγωνο και στον παρονομαστή (D 2 ) ισοδύναμο κύκλωμα παρατηρήσιμη στη νανοκλίμακα 10 6 φορές σημαντικότερη απ ότι στα μm

8 switching R OFF - μαζεύονται τα διάκενα μείωση αγωγιμότητας - ελαφρώς πιο αργή διαδικασία μονόπλευρη αύξηση συγκέντρωσης αντίθετη της φυσικής διάχυσης R ON - απλώνουν τα διάκενα αύξηση αγωγιμότητας - x100 γρηγορότερη διαδικασία μείωση τοπικής συγκέντρωσης φορά όμοια της φυσικής διάχυσης

9 η φυσική του θέματος.. χρειάζεται ισχυρό πεδίο για να αλλάξει το state της συσκευής - στα πολύ ισχυρά πεδία η εξίσωση Einstein-Nernst δε λειτουργεί - καταστρέφεται το πηγάδι δυναμικού που κινούνται τα διάκενα - οπότε ελάχιστη ενέργεια επιφέρει ανεπιθύμητα μεγάλη ολίσθηση - εκθετική αύξηση της ταχύτητας ολίσθησης ως προς το πεδίο - στη νανοκλίμακα (ένταση ~ 1/d) λίγα V drift velocity έως 1 m/s - ΠΡΟΣΟΧΗ: δεν πρέπει να υπερβεί τη διηλεκτρική αντοχή! για να αλλάξει η κατάσταση της συσκευής χρειάζονται μερικά ns

10 βρόχοι υστέρησης οι λοβοί εξομαλύνονται με την αύξηση του ω Ο βρόχος υστέρησης διέρχεται από το μηδέν: - δεν αποθηκεύεται καθόλου ενέργεια ή φορτίο στη συσκευή παραμένουσα κατάσταση για >> t μη πτητική μνήμη! L.Chua: pinched hysteresis loop

11 χαρακτηρισμός memristor οι συνηθισμένες μετρητικές διατάξεις δεν μπορούν να λειτουργήσουν η συσκευή έχει δυναμική συμπεριφορά, μεταβάλλει τον εαυτό της στη διάρκεια μιας μέτρησης οι συμβατικές μηχανές μπερδεύονται! αναγκαία η ανάπτυξη νέων, κατάλληλων μετρητικών συστημάτων μέθοδος κατασκευής χαρακτηριστικής καμπύλης I-V μετρήσεις ρεύματος-τάσης σε χαμηλά πεδία αμετάβλητο state ισχυρός παλμός ~1V πολύ μικρής διάρκειας αλλαγή state μετρήσεις ρεύματος-τάσης σε χαμηλά πεδία για τη νέα κατάσταση ξανά ισχυρός παλμός που φέρνει τη συσκευή σε νέα κατάσταση - επανάληψη της διαδικασίες όσες φορές χρειάζεται έπειτα η συσκευή επανέρχεται στην αρχική της κατάσταση επαναλαμβάνεται η διαδικασία με διαφορετικές τιμές τάσης πόλωσης

12 επεξεργασία των αποτελεσμάτων: συνάρτηση του φραγμού σήραγγος (εύρος w) ως προς τον χρόνο, αλλά και την εφαρμοζόμενη τάση! τελικός στόχος: κατασκευή μοντέλου και πρόβλεψη της συμπεριφοράς η συνάρτηση περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση...και λύνει τα χέρια του σχεδιαστή πλήρης μοντελοποίηση! μη γραμμικές συναρτήσεις στην αγωγιμότητα ρεύμα σήραγγος (εκθετική συμπεριφορά) εκθετική σχέση ταχύτητας ολίσθησης και πεδίου στις υπολογιστικές εφαρμογές χρειάζονται όσο το δυνατόν μη-γραμμικά ηλεκτρονικά στοιχεία

13 thin film ΤiO 2 μελέτες STXM και εικόνες ΤΕΜ έδειξαν ότι η περιοχή κενών θέσεων οξυγόνου είναι η χημική ένωση Ti 4 O 7 αποκαθιστώντας την ασάφεια του ΤiO 2-x και πλέον κατασκευάζεται έτσι εξ αρχής εικόνες από SEM

14 εφαρμογές μη πτητικές ψηφιακές μνήμες αντικατάσταση DRAM SRAM αντικατάσταση SSD και flash αναλογικά κυκλώματα αναλογικές μνήμες - σε σύγκριση με τους πυκνωτές που διαρρέουν hybrid CMOS crossbar nanocrossbar σε CMOS + μικρή κατανάλωση ενέργειας 1 pj /switching + υπέρπυκνα ολοκληρωμένα 1 Pbit / layer cm 2!! - νέα υβριδικά κυκλώματα ελέγχου 1000 memristor layers / CMOS control layer

15 έρευνα για άλλα είδη memristor προηγμένοι υπεριοντικοί αγώγιμοι κρύσταλλοι - RbAg 4 I 5 μεγάλη ταχύτητα ολίσθησης πολυμερικά μεμρίστορ - συμπεριφορά memristor σε λεπτά υμένια πολυμερούς spin memristive systems - spintronic memristor (states μαγνήτισης) - spin-transfer torque magnetoresistance (MgO)

16 περαιτέρω μελέτη - βιβλιογραφία o The missing memristor found - Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart & R. Stanley Williams - Nature 453, o Recent ATC s in the design of Memristors - Medha Haridas, Shashikan Patil and Dr. T.C. Manjunath Ph.D. IJCEE, Vol. 2, No. 3 - June 2010 o Memristive devices and systems Leon O. Chua & Sung Mo Kang PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 64, NO. 2 - FEBRUARY 1976 o Memory effects in complex materials and nanoscale systems - Pershin & Di Ventra Advances in Physics Vol. 60, No. 2 - Taylor & Francis sites