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忆阻器的基本原理(前世今生)

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发表于 2023-6-22 12:13:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 bigbing 于 2023-6-22 12:21 编辑

一、忆阻器的基本原理(前世今生)忆阻器概念的提出
1971年,加州大学伯克利分校教授蔡少棠预测:除了电阻、电容、电感之外,理论上还应存在第四种基本电路元件,该元件可直接将电荷量与磁通量两个物理量连接起来,这便是忆阻器概念的雏形。忆阻器是被动电子元件,忆阻器除了能让一定的电流安全通过,还可在断电后“记住”器件之前的电阻值,因此它最初只被当成存储器来研究。
忆阻器的特点
  • 忆阻器也有很多存储优点:比如尺寸小、速度快、低功耗、与 CMOS(互补式金氧半导体)工艺可兼容等。
  • 如果使用交叉阵列的方式做忆阻器,就可获得一种与矩阵很类似的结构,这种结构既可以存数据,也可以做计算。需要存储时,忆阻器本身就是存储器;而需要运算时,也无需把数据从存储器中搬到运算器里,因为忆阻器可直接用欧姆定律来做乘法运算。
  • 因为忆阻器以模拟信号进行存储的,用来处理模拟信号天然拥有更快的计算速度和更低的能耗。
忆阻器的工作原理
  • 忆阻值的内涵与特征。
由此可见,忆阻器可以成为一个电阻器,和电阻具有相同的量纲,可以理解为忆阻器是符合欧姆定律和基尔霍夫定律的一个物理量。
由公式1可知,忆阻器在某一时刻t0的忆阻阻值决定于通过它的电流从t=–∞到t=t0的时间积分,从而呈现出电阻的时间记忆特性。当电流或电压为稳恒值时,忆阻器呈现线性时变电阻的特性;当φ-Q 关系曲线为直线时,相应地,M(Q)=R,忆阻器呈线性非时变电阻。它的数值上是V/I,任一时刻, M 的值依赖于过去流经该器件的电荷总量q(磁通量φ受到累积电荷Q的影响), 即由流经忆阻器的电流对过去时间的积分所决定,因此,忆阻器是一种具有电荷记忆功 能的非线性电阻。忆阻值由q决定的忆阻器,称为电荷控制型理想忆阻器。
1876年提出了广义的忆阻器
广义忆阻器的忆阻值由系统内部状态变量x、输入电流I和时间t决定,不再仅受电荷量q限制。
2. 忆阻器的阻变原理
离子效应(主要的机理)、电子效应、热效应三种。
离子效应的主要原理:基于阴离子效应的忆阻器,主要的氧负离子的作用,在电场的作用下,氧空穴会在负极的附近积累,使该区域金属离子的价态发生改变, 从而导致电导发生改变,引起阻变现象。
阳离子效应的主要原理:当正电压施加于活性金属电极上时,电解质中源于活性电极的金属离子将在惰性电极处被还原成金属原子,随着被还原离子的不断增多,在两个电极之间就形成了一个由惰性电极连向活性电极的金属导电细丝,这个细丝显著地降低了器件电阻,这就完成了一个“写”的过程。擦除这个器件与写入类似,在活性电极上施加负电压,金属离子将从细丝离开回到电解质中去,并最终回到活性电极上,这样就使导电细丝断开,重新回到了高阻态。
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