基于忆阻器的神经突触仿生器件研究.pdf

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1、前沿FRONTIER基于忆阻器的神经突触仿生器件研究◎刘益春徐海阳王中强张磊忆阻器因其与神经突触类似的独特非线性电学性质，以及结构简单、集成度高等优势。在新型神经突触仿生电子器件领域引起广泛关注。忆阻器是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种2013年开发出以忆阻器为存储单位的阻变式随机存基本无源电子器件。蔡少棠LeonOngChua)最早于储器。1970年代在研究电荷、电流、电压和磁通量之间关系另一方面是在智能型器件及神经突触仿真模拟研时推断出这种元件的存在，并指出它代表着电荷和磁究领域的应用。

2、按照忆阻器的理论模型，其阻值可以随通量之间的关联。忆阻器具有电阻的量纲，但有着不同施加电压而发生变化，并能够记住改变的状态。这与生于普通电阻的非线性电学性质。忆阻器的阻值会随着物大脑中神经突触的原理有着很高的相似性，突触连接流经它的电荷量而发生改变．并且能够在断开电流时保强度随信号刺激而发生变化，并保持变化的连接强度。持它的阻值状态。这种电流控制型忆阻系统阻值与施加生物系统记忆和学习功能是以精确控制通过神经电压及时间等满足一定的数学关系，然而具有这种数学元及突触的离子流为基础建立的。一方面突触能

3、够动关系和性质的是一种理想的器件，没能在单一的器件中态地反应外界的电位刺激，并保持一系列连续的状态。被发现．所以忆阻器一直被认为是“丢失的器件”。【q另一方面，作为突触很重要的特点——可塑性，往往会产生一系列与空间和时间相关联的功能。正因为突触忆阻器的应用功能这些非线性及与时间关联等复杂的特征，导致在物理为了证实忆阻器的可行性。蔡少棠曾经利用多个上难以对其进行精确模拟。所以利用忆阻系统实现神电阻、电容、电感及放大器做出了模拟忆阻器效果的电经突触功能将可能是一种简单有效的方式。路。直到2008年，

4、惠普公司在单一的器件中利用双层riO结构实现了忆阻器。翻在这种忆阻器中，电场作用下氧空位可以在两层Ti0间迁移进而改变器件整体的电阻。基于忆阻器的记忆特性，它在很多方面有着广泛的应用。最直接的应用是用于阻变式随机存储器(RRAM)，电场能够诱导器件产生高低阻两种状态并能够使之进行相互转变。因其运行速度快、存储密度高、非挥发性等特性，被认为具有成为下一代存储器的潜力。惠普公司与SK海力士公司已经联合开发并预计刘益春，教授；徐海阳，教授；王中强，博士；张磊，博士：东北师范大学物理学院先进光电子功能材

5、料研究中心．紫外光发射材料与技术教育部重点实验室，长春130024。ycliu@nenu．edu．cn；h~u@nenu．edu．cnLiuYichun，Professor；XuHaiyang，Profossor；WangZhongqiang电阻、电容、电感及忆阻器等四种基本无源电子器Doctor；ZhangLei，Doctor：CentreforAdvancedOptoelectronicFunctional件及其相互关系示意图日图中V、R⋯qCL、M分MaterialsResearchand

6、KeyLaboratoryforUVLight—EmittingMaterialsandTechnologyofMinistryofEducation，NortheastNormalUniversity，别表示电压、电阻、电荷、电容、电感、忆阻器阻值、电Changchun130024．流、磁通量，忆阻器代表磁通量与电荷之间的关系。Ⅵ，vVw．kexuemag．com21前沿FRoNTIER状态的高阻TiO(无掺杂)层，另一半是通过掺杂得到计方式也存在两类，一类利用两个脉冲信号的电压叠的低阻TiO

7、：(掺杂)层，其中含有大量的氧空位。当在高加作用，另一类利用两个信号在时域上的相互作用。阻TiO层一侧施加正电压时，低阻层中的氧空位向另斯奈德(G．S．Snider)等人设计了一种信号，突触一侧迁移引起低阻层厚度增加(相应的高阻层厚度降前刺激由一系列宽度逐渐变化的正脉冲信号组成．而低)，从而降低总电阻。反之，总电阻将会增加。简言之，突触后刺激则是宽度固定的负脉冲信号。圈当施加突忆阻器类似于一个滑动变阻器．通过调节低阻层厚度触前和突触后刺激时，它们叠加得到的电压将会增大。控制总电阻的变化。利用此模

8、型，在InGaZnO、TiO等设定此时叠加电压大于阈值电压，才会导致电阻的变氧化物材料中能够得到忆阻行为。化。随着调节突触前和突触后信号之间的相对时间。得此外，卢伟小组利用单层的WO薄膜也实现了忆到的总脉冲的宽度也会发生变化。这样就能够得到电阻行为。并提出其物理机制可能是以增加或减少薄膜阻(突触效率)随相对时间的指数关系，这就是STDP规层中的导电通道的数量来改变电阻。圈其中，导电通道则的数学表达式。利用突触前，突触后刺激信号叠加的设指的是由许多氧空位连接在一起具有低电阻的通道，计在许多忆阻器件