Мемристор
ВСТУП
Мемрістор новий елемент в наноелектроніці, і його ще немає у пристоях масового виробництва. Але він має багато перспективних напрямків реалізації.
Мемрістори можна
Метою роботи є дослідження мемрістора.
Задачі дослідження:
- проаналізувати існуючі досягнення та перспективи розвитку
приладів на основі мемрістора;
- розрахувати розміри мемрістора за яких буде найбільша ширина робочої частоти;
- дослідити вольт-амперні характеристики, за різних частот напруги, для мемрістора з оптимальними розмірами.
Об’єкт дослідження: процес зміни провідності структури мемрістора при проходженні струму.
Предмет дослідження: параметри та характеристики мемрістора.
Методи дослідження: аналіз літературних джерел, математичне моделювання в середовищі Matlab.
Практична цінність: мемрістори
можуть замінити сучасні пристрої зберігання
інформації, тому що мають кращу швидкодію,
менші розміри та енергоспоживання.
1 АНАЛІЗ ПРИНЦИПУ РОБОТИ МЕМРІСТОРА
1.1 Фізичний принцип роботи мемрістора
Мемрістор (рис.1.1,1.2) – (походить від слів – «резистор» і «memory» (пам`ять)) це пасивний елемент в наноелектроніці, опір якого залежить від пройденого через нього заряду [1]. В момент відключення напруги в колі мемрістор не змінює свого стану, «запоминаючи» останнє значення опору. Основоположною работою в області теорії пассивних елементів з ефектом памяті,в якій було введено поняття «мемрістор» (опір с ефектом памяті), була опублікована в 1971 році Леоном Чуа . Він висунув і математично обгрунтував гіпотезу про те, що є четвертий базовий елемент електричних кіл - наряду з індуктивністю, конденсатором і резистором. Чуа виходив з того, що повинні бути співвідношення, що зв'язують всі чотири основні змінні електричних ланцюгів: струм i,напруга v, заряд q і магнітний потік φ . Всього таких співвідношень може бути шість. П'ять з них добре відомі. Заряд - це інтеграл по часу від струму. Зв'язок між напругою і магнітним потоком визначається через закон електромагнітної індукції Фарадея. Напруга і струм пов'язані через опір R, заряд і напруга – через ємність C, а магнітний потік і струм - через індуктивність L. Відсутнє лише шосте співвідношення, що зв'язує потік і заряд. Чуа припустив, що ці величини пов'язані через "Відсутній" елемент - мемрістор, що володіє "мемрезистивністю" M: dφ = M ⋅ dq (рис.1.3) . Відзначимо, що під потоком в даному випадку слід розуміти інтеграл від напруження за часом.. Чуа показав, що в загальному випадку мемрезистивність повинна залежати від q. Доктор Чуа довів, що мемрістор не може бути скопійований будь-яким з трьох інших пасивних елементів, і що активна схема, яка імітує його функціональність буде складатись з 25 транзисторів [1].
Рисунок 1.1 – Символ мемрістора
Якщо скористатися співвідношеннями dφ = v ⋅ dt і dq = i ⋅ dt, то можна записати зв'язок між струмом і напругою на мемрісторі у вигляді:
U = M (q) ⋅ i.
Рисунок 1.2 - Мікрофотографія мемрісторів отримана
атомно-силовим мікроскопом
Очевидно, що у випадку M = const мемрезистивність передставлятиме собою звичайний опір і (1) перетворюється в закон Ома для ділянки кола.
Рисунок 1.3 - Чотири базових елементи електричних кіл: резистор,
ємність, індуктивність і мемрістор
Понад чверть століття мемрістор залишався гіпотетичним елементом кола, який не має матеріальної реаліції. Але в 2008 році група дослідників з компанії HP на чолі зі Стенлі Вільямсом нарешті створила реальний мемрістор [1]. Його властивості відповідали моделі, запропонованої Чуа. Для реалізації мемрістора вони використали тонку плівку з діоксину титану (TiO2). Ця тонка плівка затиснута між двома платиновими (Pt) контактами, одна сторона TiO2 - легована кисневими ваканціями. Кисневі ваканції є позитивно зарядженими. Таким чинов в діоксині титану є перехід, де з одного боку діоксин титану легований, з іншого – ні.
Рисунок 1.4 – Схематичне представлення мемрістора
Чистий діоксин титану – напівпровідник, який має високий опір. Оксигенові ваканції у легованому діоксині титану, роблять його провідником. Якщо подати позитивну напругу на легований діоксин титану, то позитивно заряджені ваканції кисню будуть «переходити» до нелегованого діоксину титану(w – збільшується). Як результат, кордон між двома матеріалами рухається, збільшуючи відсоток провідності легованого діоксину титану (рис. 1.5б). Це збільшує провідність всього приладу. Якщо до легованого діоксину титану прикласти негативну напругу, то то позитивно заряджені ваканції кисню будуть «виходити» з нелегованого діоксину титану(w – зменшується) (рис. 1.5с). Це збільшує опір всього пристрою. Якщо вимкнути напругу, то ваканції оксисену не будуть рухатись. Кордон між двома шарами діоксину титану «замерзає». Це пояснює як мемрістор «запам`ятовує» останню прикладену напругу.
Рисунок 1.5 – Поведінка мемрістора при прикладенні позитивної
та негативної напруг
У розглянутій моделі залежність між струмом і напругою визначається виразом :
(1.1)
При цьому межа зміщується за законом:
де μv - cередня рухливість іонів;
D – товщина плівки діоксину титану;
Ron, Roff - опори у включеному та виключеному станах;
q(t) – весь заряд, що проходить через мемрістор.
Інтегрування (1.2) дає формулу для w:
Підставляючи (1.3) в (1.1) і враховуючи, що RON<< ROFF, отримуємо вираз для мемрезистивності:
З виразу (1.4) випливають два важливих висновки. По-перше, як і передбачалося в моделі Чуа, опір мемрістора є фунцією заряду q, тобто залежить від сумарного заряду, що пройшов через мемрістор. По-друге, мемрезистивність різко збільшується із зменшенням D. для будь-якого матеріалу в наномасштабі значення доданка, який містить D, на порядки вище, ніж в мікромасштабах . Таким чином, мемрезистивність стає найбільш важливою для розуміння характеристик розглянутого типу електронних пристроїв по мірі того, як їх розміри зменшуються до нанометрових масштабів [1].
1.2 ВАХ Мемрістора
Якщо до мемрістора прикласти змінну напругу певної частоти, його вольт-амперна характеристика приймає вигляд, який нагадуює фігуру Ліссажу з центром на початку координат (рис.1.6) [2]. Тобто мемрістор, на відміну від резистора,володіє гістерезисом. Зі збільшенням частоти напруги гістерезисна крива вироджується в пряму лінію (рис.1.6).
Рисунок 1.6 – ВАХ мемрістора.
У реальних системах за рахунок сильних електричних полів, присутніх в наномасштабах, проявляються сильні нелінійні ефекти у транспорті іонів, і вигляд
вольт-амперної характеристики змінюється. Наприклад, якщо помножити праву частину виразу (1.3) на функцію w(1-w)/D^2 , що враховує ефекти е лінійності, то на вольт-амперній характеристиці мемрістора з’являються досить різкі фронти, які відповідають переходу від стану з низькою провідністю до стану з високою провідністю і назад . Схожа характеристика була отримана експериментально для мемрістора на основі двоокису титану (TiO2) (Рис.1.7) .
Рисунок 1.7 – Експериментальна вольт-амперна характеристика
мемрістора на основі двоокису титану
Подібна поведінка мемрістора дозволяє використовувати його в якості біполярного перемикача: при подачі напруги протилежної полярності мемрістор замикає або розмикає коло, що проходить через нього. Якщо ж розглядати ситуацію з точки зору цифрової електроніки, то можна сказати, що мемрістор переходить зі стану «0» у стан «1» і навпаки. Причому цей стан мемрістор «запам’ятовує» і може зберігати практично необмежено довго – і для цього йому не потрібно джерел напруги. Досягнуте на сьогоднішній день час перемикання мемрістора з одного стану в інший становить порядку 1 нс .
На практиці мемрістор може приймати не тільки звичайні для звичайних чіпів пам’яті два положення – 0 або 1, але і будь-які значення в проміжку від нуля до одиниці, так що такий перемикач здатний працювати як у цифровому (дискретному), так і в аналоговому режимах [2].
1.3 Мемрістор як резистивна пам’ять з довільним доступом
На рис. 1.8. показано, що при прикладенні напруги еквівалентної або вищої, ніж позитивне значення порогу, після малої затримки, w(t)=D (x(t)=1)
(1.5)
де .
Це означає, що повний опір мемрістора стає RON. Аналогічним чином, при прикладенні негативної напруги еквівалентної або вищої, ніж абсолютне значення від’ємної порогової напруги, w(t)=0 (x(t)=0). Як результат, повний опір резистора стає ROFF. Значення RON закодоване як «1», а значення ROFF закодоване як «0». Для напруги між пороговими значеннями, опір не змінюється і зберігає своє останнє значення [3].
Рисунок 1.8 – Ідеальна ВАХ мемрістора
Тому що іонам потрібен
час, щоб досягти меж мемрістора,
переключання не відбувається одразу
після досягненням напруги
(1.6)
Vwr – амплітуда напруги, що прикладається для записування.
Для операції читання , амплітуда напруги що прикладається має бути набагато нижчою ніж порогове значення, для того щоб не відбулось перемикання. Крім того, застосування напруги для зчитування, на протязі довгого часу може змінити кількість потоків, що проходять через прилад, та перемістити межу w. Тобто час зчитування імпульсу має бути обмежений.
(1.7)
Vr – амплітуда напруги, що прикладається для зчитування.
1.4 Спінтронний мемрістор
Незабаром після першої демонстрації мемрістора почалися дослідження його властивостей в області спінтроніки (область квантової електроніки, що використовує ефект спіновогострумопереносу [спін-поляризованого транспорту] в гетеро структурах ферромагнетик-парамагнетик або феромагнетик-надпровідник) - яка сама є відносно новим розділом електроніки. Саме спінтроніка знаходиться в центрі останніх досягнень по збільшенню щільності запису інформації на жорстких дисках і удосконаленню пристроїв з сітковою енергонезалежною пам'яттю - MRAM (magnetoresistive random-access memory - магніторезистивна оперативна пам'ять). На відміну від електроніки, робота якої заснована на управлінні потоками електронів, спінтроніка грунтується на квантовомеханічних властивості електронів, відомому, як спін. Спін електронів, зокрема, відповідає за магнітні властивості матеріалів: матеріали намагнічені, коли електрони в них мають однонаправлені спіни (феромагнетизм). Об'єднавши властивості Мемрістора і спінтроніки, можна створювати пристрої, чий опір змінюється в залежності від спіну електронів, що проходять через нього, причому пристрої будуть запам'ятовувати цей опір.
Принцип поботи грунтується на феромагнітних властивостях речовин. При феромагнітному впорядкуванні сусіднім спінам вигідно бути направленими в один бік. За певних умов ця вигода пересилює розвпорядкований внесок теплового руху, і утворюються "домени", в яких усі спіни спрямовані однаково. Причиною опору пристрою є різний напрям спінів електронів в сусідніх доменах. Електрони, що входять в пристрій, мають певний спін, який змінює намагніченість матеріалу. Зміна намагніченості в свою чергу зрушує доменну межу і змінює опір пристрою.
На думку Ванга, спінові Мемрістори є більш універсальними, ніж пристрої, розроблені Hewlett-Packard і засновані на русі іонів в матеріалі [4]. Так як намагніченість не є дискретною величиною, а може змінюватися безперервно, спіновому Мемрістору не потрібно здійснювати повний перехід від намагніченого стану до ненамагнічену для того, щоб зареєструвати зміну опору.
У статті Массіміліана Ді Вентра в «Physical Review» було описано ще один спіновий мемрісторний пристрій [4]. На відміну від пристрою Ванга в ньому поєднані метал-феромагнетик і напівпровідник. Всі електрони металу мають спін, умовно спрямований вгору, і тільки електрони з таким же спіном будуть переходити в феромагнетик з напівпровідника. Електрони з протилежним спіном почнуть накопичуватися на кордоні між матеріалами, утворюючи зростаючу електронну хмару. У кінцевому рахунку, це хмара починає блокувати подальше перетікання електронів в феромагнетик, що призводить до спіно-залежної провідності. Пристрій Ді Вентра все ж не є «ідеальним» мемрістором, тому що інформація про стан не зберігається після вимкнення живлення. Тим не менше, воно може володіти кількома перевагами. Наприклад, спіновий стан утримується деякими матеріалами набагато довше, ніж заряд (в основі пристрою, продемонстрованого HP, лежить якраз накопичення електричного заряду в плівці діоксиду титану при міграції вакансій), що дозволяє створювати кола, що споживають менше енергії [4].
1.5 Застосування мемрісторів
Описані властивості мемрістора дають можливість застосовувати його в якості перемикача елемента пам'яті і складовою логічного елемента.
Вже створені прототипи пристроїв, які реалізують таке застосування. Вони засновані на архітектурі, що одержала назву "кроссбари" (англ. crossbars) [2].
Кроссбар являє собою набір паралельних проволок шириною близько 50 нм (будемо називати їх нанопроволками), які перетинаються іншим набором нанопроволок. Між ними знаходяться прокладки з матеріалу,який під дією прикладеної напруги може змінювати свою провідність (рис.1.6).
Кроссбар-пристрої мають ряд виграшних особливостей . Регулярна структура з пересічних нанопроволок робить їх виготовлення досить простим, особливо в порівнянні зі складною структурою сучасних процесів на основі КМОП-технологій. Кроссбари можна виготовляти з різних речовин і з використанням різних процесів. Це дозволяє максимально гнучко адаптувати відпрацьовані архітектурні рішення до нових матеріалів. Нарешті, що не менш важливо, на основі єдиної архитектури і єдиних елементів можна реалізувати пам'ять, логіку та межз`єднання.
В якості прокладок між кроссбарами були задіяні різні матеріали, однак з появою мемрісторів саме останні стали застосовувати для цієї мети. Подальші дослідження показали, що мемрістори дуже вдало "вписалися" в кроссбар- системи.
Кроссбари забезпечують високу щільність розміщення логічних вентилів і комірок пам'яті. Нещодавно компанія HP оголосила про те, що вона розробила архітектуру, дозволючу використовувати багато шарів кроссбарів ,за рахунок цього можна в рази збільшити щільність пам'яті, а також відношення продуктивність енергоспоживання. Чіпи з такою архітектурою отримали назву "наносховища" (nanostores) [2].
Рисунок 1.6 – Кроссбар-система
У HP вважають, що наносховища повинні стати основої майбутніх комп'ютерів, у тому числі серверів.
Пам'ять на основі мемрісторів може замінити і використовувану сьогодні флеш-пам'ять. У HP розраховують, що до 2013 року щільність "мемрісторної" пам'яті вдасться довести до 20 Гбайт/см^2, що буде в два рази більше, ніж очікувана до того часу щільність флеш-пам'яті [2]. А оскільки жорсткі диски в комп'ютерах вже зараз активно замінюють носіями на основі флеш-пам'яті, то можна очікувати, що пам'ять на мемрісторах стане єдиним типом комп'ютерної пам'яті. Завдки властивостям мемрістора, такі комп'ютери можна буде вимикати і включати в будь-який момент, не витрачаючи час на перезавантаження .
Принципова відмінність мемрістора від більшості типів сучасної напівпровідникової пам'яті і його головна перевага перед ними полягають у тому, що він не зберігає свої властивості у вигляді заряду. Це означає, що йому не страшні витоки заряду, з якими доводиться боротися при переході на мікросхеми нанометрових масштабів, і що він повністю енергонезалежний. Простіше кажучи, дані можуть зберігатися в мемрісторі до тих пір, поки існують матеріали, з яких він виготовлений. Для порівняння: флеш-пам'ять начитає втрачати записану інформацію вже після року зберігання без доступу до електричного струму.
Конструктивно мемрістори значно простіші флеш-пам'яті: вони складаються з тонкої 50-нм плівки, що складається з двох шарів - ізолюючого діоксиду титану і шару, збідненого киснем. Плівка розташована між двома платиновими 5-нм електродами. При подачі на електроди напруги змінюється кристалічна структура діоксиду титану: завдяки дифузії кисню його електричний опір збільшується на кілька порядків (в тисячі разів). При цьому після відключення струму зміни в комірці зберігаються. Зміна полярності струму який подається перемикає стан комірки, причому, як стверджують в HP, число таких перемикань не обмежене.
Вже вивчені властивості мемрісторів дозволяють говорити про те, що на їх основі можна створювати комп'ютери принципово нової архітектури, які по продуктивності значно перевищують напівпровідникові. Сучасні комп'ютери побудовані на базі архітектури фон Неймана: і дані, і програми зберігаються в пам'яті машини в двійковому коді, причому обчислювальний модуль відділений від пристроїв зберігання, а програми виконуються послідовно, одна за одною. Прогресивна в середині минулого століття, така архітектура сьогодні вже не відповідає вимогам, що пред'являються до комп'ютерної техніки: програми стали набагато складнішими, а обсяги оброблюваних даних виросли на порядки, якщо не в десятки порядків.
У мемрісторному комп'ютері паралельно і незалежно один від одного працюють безліч модулів, а можливість запам'ятовувати і оперувати необмеженою кількістю значень від 0 до 1 означає, що виконувані програми не обмежені двійковим кодом. Більш того, стануть в принципі непотрібними окремі апаратні компоненти комп'ютера - процесори, відеочіпи, пам'ять і жорсткі диски; машина буде архітектурно однорідним пристроєм, де одночасно будуть зберігатися всі дані і проводитимуться усі операції з ними.
Якщо прогнозами і планами компанії HP призначено буде збутися, то вже в недалекому майбутньому ми зможемо побачити комп'ютери нового типу. Вони будуть мати зовсім іншу архітектуру, створюватися з абсолютно інших матеріалів і по абсолютно новим технологіям, поєднувати малі розміри і високу продуктивність, споживати мало енергії і не вимагати часу на завантаження [2].
2 РОЗРАХУНОК РОЗМІРІВ МЕМРІСТОРА
2.1 Лінійна дрейфова модель
Припустимо, що рівномірне електричне поле проходить через прилад. Тому є лінійна залежність між дифузійно-дрейфовою швидкістю і чистим електричним полем [1]. Рівняння стану буде:
(2.1)
Після інтегрування отримаєм:
(2.2)
де w(t0) – початкова довжина w.
Швидкість дрейфу під єдиним
електричним полем через
(2.3)
В однорідному полі D=vDt . У цьому випадку QD=it визначає кількість заряду необхідку для переміщення кордону з w(t0), де w прямує до 0, на відстань w(tD), де w прямує до D. Тому Таким чином:
(2.4)
Якщо то (2.4) перепишеться:
(2.5)
(2.6)
Підставляючи в (2.10), отримаєм:
(2.7)
Якщо припустити, що q(t0)=0, то w(t)= w(t0) ≠0, і
(2.8)
де , і M0 – значення мемрезистивності в t0 . Таким чином, мемрезистивність в час t :
(2.9)
де ΔR= Roff -Ron , коли Roff >Ron, M0 ≈ Roff.
Підставляючи (2.9) в v(t) = M(q)i(t), де , отримаєм:
(2.10)
Оскільки розв’язком буде:
(2.11)
Для M0 ≈ Roff≈ ΔR, (2.11) перепишеться:
(2.12)
Якщо тому внутрішній стан мемрістора:
(2.13)
Тому зв'язок струму з напругою описується:
(2.14)
2.2 Дослідження залежностей робочої частоти мемрістора від його розмірів
Дослідження залежностей робочої частоти (f) і споживаної потужності (W) Мемрістора від товщини активного шару (d) і його загальної товщини (D) проводилися в два етапи. При цьому для всіх розглянутих структур мемрістора відношення максимального опору Roff до мінімального Ron становило 100:1. На першому етапі дослідження були розглянуті структури мемрістора, товщина активного шару яких варіювалася в діапазоні від 1 до 10 нм з кроком 1 нм, а загальна товщина мемрістора - в діапазоні від 5 до 50 нм з кроком 5 нм. Амплітуда прикладеної напруги в даному моделюванні становила 1 В.
Форма петлі гистерезису вольт-амперної характеристики мемрістора залежить від амплітуди і частоти напруги, що прикладається до нього. Більш того, в залежності від того, в якій фазі знаходиться напруга (позитивна чи негативна), кисневі вакансії будуть переміщатися між донорним і акцепторним шарами. На рис. 3.1 наведені графіки вольт-амперних характеристик мемрістора (d = 2 нм, D = 20 нм, Um = 1 В) в залежності від частоти напруги, що прикладається до них. Також показані залежності положення w(t) границі розділу шарів, щл відноситься до загальної товщини D структури, від часу.
З наведених графіків видно, що при напрузі з низькою частотою, атоми кисню з активного шару встигають повністю переходять в збіднений шар, утворюючи структуру зі стехіометрією TiO2-x, до того, як закінчиться позитивна фаза напруги. Внаслідок цього настає період насичення мемрістора, що показано на рис. 3.1а. Збільшуючи частоту прикладеної напруги (рис. 2.1б), можна домогтися такого підбору робочих характеристик, при якому атоми кисню активного шару повністю перейдуть в акцепторний шар рівно за півперіод напруги (w / D = 1), не досягаючи при цьому насичення. При подальшому збільшенні частоти не всі атоми кисню встигають перейти в збіднений шар за позитивну фазу напруги, петля гістерезису стає більш вузькою, а співвідношення w/D≠1 (рис. 2.1в). Це дозволяє використовувати напругу з високою частотою для зчитування інформації про поточний опір мемрістора, не змінюючи при цьому його стан.
Рисунок 2.1 - ВАХ мемрістора (d = 2 нм, D = 20 нм, Um = 1 В) і залежність положеня w(t) границі разділу шарів мемрістора від часу при різних частотах напруги
З наведених графіків (рис. 2.2) видно, що при зменшенні товщини активного шару (TiO2) відбувається значне збільшення робочої частоти мемрістора. При товщині активного шару рівної 4 нм і більш для досліджуваних структур не були виявлені значні зміни в робочій частоті мемрістора незалежно від його загальної товщини. З іншого боку, при зменшенні товщини активного шару до 1 нм можна помітити прояв досить сильних залежностей робочої частоти мемрістора від загальної товщини плівки. При цьому значимий стрибок частотних властивостей (збільшення частоти в два рази) спостерігається для більш тонких структур із загальною товщиною 10, 15 і 20 нм. Структури із загальною товщиною 30 нм і більш не виявляють сильних змін робочої частоти (зміна становить не більше 14%).
Рисунок 2.2 - Залежність робочої частоти мемрістора від товщини активного
шару. Загальна товщина для досліджуваних структур становила: 1) 50 нм; 2) 45 нм; 3) 40 нм; 4) 35 нм; 5) 30 нм; 6) 25 нм; 7) 20 нм; 8) 15 нм; 9) 10 нм
На рис. 2.3 показана залежність споживаної потужності досліджуваних мемрісторів від їх структури. При зменшенні товщини активного шару (TiO2) спостерігається збільшення енергоспоживання пасивного елемента. Так при зменшенні товщини активного шару з 2 до 1 нм при загальній товщині в 15 нм споживана потужність мемрістора збільшується з 1.1 до 1.7 мВт. Зменшення загальної товщини мемрістора при фіксованій товщині активного шару призводить до зниження опору мемрістора, а значить, до збільшення споживаної потужності. А саме, при зменшенні загальної товщини з 50 до 15 нм при товщині активного шару в 1 нм споживана потужність збільшується з 1.0 до 1.8 мВт.
Рисунок 2.3 - Залежність споживаної потужності мемрістора від товщини активного шару. Загальна товщина для досліджуваних структур становила: 1) 50 нм; 2) 45 нм; 3) 40 нм; 4) 35 нм; 5) 30 нм; 6) 25 нм; 7) 20 нм; 8) 15 нм; 9) 10 нм
Таким чином, зменшення значення товщини активного шару з 3 до 2 нм і з 2 до 1 нм при фіксованій загальній товщині мемрістора, що лежить у діапазоні значень від 5 до 30 нм, викликає збільшення робочої частоти мемрістор в 2 рази (рис. 2.2). При цьому споживана потужність збільшується тільки на 35% (рис. 2.3). Тому подальше дослідження залежностей робочої частоти і споживаної потужності від амплітуди прикладеної напруги було проведено для структур, товщина активного шару яких змінювалася в діапазоні від 1 до 3 нм, а загальна товщина двошарової плівки - від 5 до 30 нм.
На другому етапі моделювання
було проведено дослідження
Рисунок 2.4 - Залежність робочої частоти мемрістора від амплітуди прикладеної напруги. Графіки представлені для структур з наступними параметрами: 1) D = 30 нм, d = 3 нм; 2) D = 30 нм, d = 2 нм; 3) D = 30 нм, d = 1 нм; 4) D = 20 нм, d = 3 нм; 5) D = 20 нм, d = 2 нм; 6) D = 20 нм, d = 1 нм; 7) D = 10 нм, d = 3 нм; 8) D = 10 нм, d = 2 нм; 9) D = 10 нм, d = 1 нм; 10) D = 5 нм, d = 2 нм;
11) D = 5 нм, d = 1 нм
При збільшенні амплітуди
прикладеної напруги в
Таким чином, для збільшення робочої частоти досліджуваних структур необхідно прагнути до зменшення товщини донорного шару (TiO2) до значень в 1 - 2 нм і до зменшення товщини акцепторного шару (Ti4O7) до отримання значення загальної товщини в 5 - 10 нм. Однак, при роботі з такими значеннями товщин плівок мемрістора перед виготовлювачем постає низка завдань.
По-перше, спостережуване при таких структурних параметрах збільшення споживаної потужності призводить до збільшення тепловиділення елемента. А значить, необхідно забезпечити ефективний тепловідвід, що являє собою окрему конструкторську задачу.
По-друге, при вирощуванні тонких плівок виникають складності експериментального отримання рівномірного і суцільного збідненого шару. Зокрема, при вирощуванні збідненого шару (Ti4O7) методом імпульсного лазерного осадження товщиною менше 10 нм зберігається нерівномірна структура плівки, обумовлена початковим острівцевим зростанням.
Рисунок 2.5 - Залежність споживаної потужності мемрістора від амплітуди прикладеної напруги. Графіки представлені для структур з наступними параметрами: 1) D = 30 нм, d = 3 нм; 2) D = 30 нм, d = 2 нм; 3) D = 30 нм, d = 1 нм; 4) D = 20 нм, d = 3 нм; 5) D = 20 нм, d = 2 нм; 6) D = 20 нм, d = 1 нм; 7) D = 10 нм,
d = 3 нм; 8) D = 10 нм, d = 2 нм; 9) D = 10 нм, d = 1 нм; 10) D = 5 нм, d = 2 нм;
11) D = 5 нм, d = 1 нм
По-третє, в ультратонких шарах (при товщині активного шару 1 нм і менш) провідність визначають ефекти тунелювання. Тунелювання носіїв заряду через бар'єр збільшується експоненціально при зменшенні товщини активного шару. На рис. 2.6 показані графіки залежностей робочого струму мемрістора із загальною товщиною 30 нм і площею контактів 70 х 70 мкм і тунельного струму, що протікає через активний шар, від товщини активного шару. При товщині активного шару рівної 1 нм тунельний струм, що протікає через активний шар, значно перевищує значення робочого струму. Однак, при товщині активного шару в 2 нм тунельний струм перестає вносити відчутний вклад. Таким чином, товщина активного шару мемрістора повинна бути не менше 2 нм [5].
- Мемуаристы о Несторе Ивановиче Махно: положительные и отрицательные оценки
- Мемуары дипломата Н.П. Игнатьева как исторический источник
- Мемуары как источник по истории российский универститетов 19 века
- Мена и бартер в гражданском праве
- Менджерский анализ организации
- Менеджемнт на предприятиях туризма
- Менеджер
- Мемлекет түсінігі және негізгі белгілері
- Мемлекет формасы түсінігін айтыңыз
- Мемлекет функциялары
- Мемлекет шығуы мен оның мәні
- Мемлекет шығыстарының мәні, құрамы және сыныптамасы
- Мемлекуеттік қызмет
- Мемлкеттик механизм
