CN107273610A - 一种忆阻器的Simulink模型建立方法 - Google Patents

一种忆阻器的Simulink模型建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种忆阻器的Simulink模型建立方法，根据忆阻器的氧空位预设初始浓度，以及掺杂区的氧空位实时浓度与施加电压的关系，建立掺杂区的氧空位实时浓度模型；基于P型半导体电阻率定义，根据氧空位实时浓度模型，计算出掺杂区的实时电阻率；根据实时电阻率、非掺杂区电阻率以及忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻；根据掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻，建立忆阻器的亿阻值模型；基于亿阻值模型，建立simulink模型。本申请通过建立掺杂区实时氧空位浓度模型，计算掺杂区实时电阻率，再基于掺杂区实时电阻率建立更贴合实际的忆阻器模型，使得建立的忆阻器Simulink模型的准确率较高。

Description

一种忆阻器的Simulink模型建立方法
技术领域
本发明涉及电子信息科学技术领域，特别是涉及一种忆阻器的Simulink模型建立方法。
背景技术
随着科学技术的发展，忆阻器已然成为电子信息科学技术领域前沿、革命性的方向。
惠普忆阻器包括掺杂区和非掺杂区，其中，掺杂区域掺杂有带正电的氧空位，其由于二氧化钛缺失部分氧原子，从而表现得像半导体一样，使得缺氧二氧化钛与氧空位混合的部分更有利于电流的通过；非掺杂区是纯净的二氧化钛，使其呈现为高阻特性，可以将其看作是一个绝缘体。忆阻器的总电阻M(t)是掺杂区域阻抗和非掺杂区域阻抗之和。而忆阻器的总电阻可以通过外加电压，基于掺杂区和非掺杂区之间边界的移动速度，以及掺杂层的阻值、薄膜厚度和流过忆阻器的电流等因素来计算得出。
但是，当外加电场时，现有技术的忆阻器的掺杂区电阻率和非掺杂区电阻率在边界迁移时候均为定值，然而这只是理想状态下的忆阻器模型。在现实中，施加外加电场的时，忆阻器的边界会迁移，即氧空位浓度会随外加电场变化而变化，载流子浓度发生变化，使得掺杂区域的电阻率发生变化，也即掺杂区电阻率不是固定不变。基于不贴合实际的忆阻器模型建立Simulink模型，必然会导致所建立的Simulink模型不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种忆阻器的Simulink模型建立方法，以解决现有忆阻器模型不贴合实际导致所建立的Simulink模型准确率较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种忆阻器的Simulink模型建立方法，该方法包括：
根据忆阻器的氧空位预设初始浓度，以及掺杂区的氧空位实时浓度与施加电压的关系，建立所述掺杂区的氧空位实时浓度模型；
基于P型半导体电阻率定义，根据所述氧空位实时浓度模型，计算出所述掺杂区的实时电阻率；
根据所述实时电阻率、非掺杂区电阻率以及所述忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻；
根据所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻，建立所述忆阻器的亿阻值模型；
基于所述亿阻值模型，建立simulink模型。
可选地，所述氧空位实时浓度模型具体为其中，n0为所述氧空位预设初始浓度，U(t)为所述施加电压。
可选地，所述基于P型半导体电阻率定义，根据所述氧空位实时浓度模型，计算出所述掺杂区的实时电阻率包括：
将所述忆阻器作为P型半导体，根据所述氧空位实时浓度模型计算出所述掺杂区的所述实时电阻率；
其中，所述实时电阻率为q为电子电荷，u为离子迁移率。
可选地，所述根据所述实时电阻率、非掺杂区电阻率以及所述忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻包括：
获取所述忆阻器的总长度参数、掺杂区长度参数和所述非掺杂区电阻率；
根据所述实时电阻率、所述总长度参数以及所述掺杂区长度参数，计算出所述掺杂区实时电阻；
根据所述非掺杂区电阻率、所述总长度参数以及所述掺杂区长度参数，计算出所述非掺杂区实时电阻；
其中，所述掺杂区实时电阻为w(t)为所述掺杂区长度随时间变化关系，s为所述忆阻器的横截面积；所述非掺杂区实时电阻为D为所述总长度参数，p非掺杂为所述非掺杂区电阻率。
可选地，所述根据所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻，建立所述忆阻器的亿阻值模型包括：
将所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻相加，得出所述亿阻值模型；
其中，所述亿阻值模型为
可选地，所述基于所述亿阻值模型，建立simulink模型包括：
基于所述忆阻器模型，利用simulink中的比例增益运算、乘法器、加分器以及积分器，搭建所述simulink模型。
可选地，在所述基于所述亿阻值模型，建立simulink模型之后还包括：
获取多个预设输入信号；
基于所述simulink模型，依次输出多个所述预设输入信号的电流电压曲线。
本发明所提供的忆阻器的Simulink模型建立方法，根据忆阻器的氧空位预设初始浓度，以及掺杂区的氧空位实时浓度与施加电压的关系，建立掺杂区的氧空位实时浓度模型；基于P型半导体电阻率定义，根据氧空位实时浓度模型，计算出掺杂区的实时电阻率；根据实时电阻率、非掺杂区电阻率以及忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻；根据掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻，建立忆阻器的亿阻值模型；基于亿阻值模型，建立simulink模型。本申请基于掺杂区的氧空位实时浓度与忆阻器的施加电压的关系，建立反映掺杂区的实时氧空位浓度的模型，计算出掺杂区的实时电阻率，再基于掺杂区实时电阻率建立更贴合实际的忆阻器模型，使得基于该忆阻器模型建立的simulink模型的准确率较高。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的忆阻器的simulink模型建立方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图2为本发明实施例所提供的忆阻器的simulink模型的示意图；
图3-1为2Hz的正弦波信号的电流电压曲线；
图3-2为4Hz的正弦波信号的电流电压曲线；
图3-3为8Hz的正弦波信号的电流电压曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1为本发明实施例所提供的忆阻器的simulink模型建立方法的一种具体实施方式的流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤101：根据忆阻器的氧空位预设初始浓度，以及掺杂区的氧空位实时浓度与施加电压的关系，建立所述掺杂区的氧空位实时浓度模型。
基于惠普忆阻器的氧空位扩散机制，外加正弦波电压在正半轴时，掺杂区长度变长，忆阻器整体导电性增强，即氧空位浓度增大，则此时电压对时间的积分为正数，且面积一直在不断增加，氧空位浓度也一直增大，直到外加电压积分达到最大值；外加正弦波电压在负半轴时，掺杂区长度变短，忆阻器整体导电性减弱，即氧空位浓度减小，则此时电压积分为仍为正数，但其面积一直在不断减小，氧空位浓度则会一直减小到初始浓度值。
可以得知外加正弦波电压积分变化规律与氧空位浓度变化规律相似，基于此，可以建立氧空位浓度与时间的关系，即氧空位实时浓度模型。
具体地，上述氧空位实时浓度模型可以为其中，n0为所述氧空位预设初始浓度，U(t)为所述施加电压。
上述氧空位预设初始浓度可以为5×1033m-3，也可以为其它数值，在此不作限定。而上述施加电压为正弦波电压。
步骤102：基于P型半导体电阻率定义，根据所述氧空位实时浓度模型，计算出所述掺杂区的实时电阻率。
由于惠普模型中扩散的带两个正电荷的氧空位，故可以将该忆阻器模型看作p型半导体，继而可以根据p型半导体的电阻率定义来求取忆阻器的电阻率。
具体地，上述基于P型半导体电阻率定义，根据所述氧空位实时浓度模型，计算出所述掺杂区的实时电阻率的过程可以为：将所述忆阻器作为P型半导体，根据所述氧空位实时浓度模型计算出所述掺杂区的所述实时电阻率；其中，所述实时电阻率为q为电子电荷，u为离子迁移率。
可以理解的是，q为电子电荷，具体为1.6×10-19C。u为离子迁移率，其可以根据扩散系数来求得，例如，可以将扩散系数设为1.3×10-16m2s-1，此时，u＝10-14m2/(V×s)。
步骤103：根据所述实时电阻率、非掺杂区电阻率以及所述忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻。
需要说明的是，忆阻器的非掺杂区电阻率是固定不变的，具体为25Ω·m。
上述参数可以包括忆阻器的总长度，掺杂区长度以及横截面积等参数。
根据电阻定义，可以利用电阻率和相应参数计算出相应电阻。具体地，上述根据所述实时电阻率、非掺杂区电阻率以及所述忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻的过程可以为：获取所述忆阻器的总长度参数、掺杂区长度参数和所述非掺杂区电阻率；根据所述实时电阻率、所述总长度参数以及所述掺杂区长度参数，计算出所述掺杂区实时电阻；根据所述非掺杂区电阻率、所述总长度参数以及所述掺杂区长度参数，计算出所述非掺杂区实时电阻；其中，所述掺杂区实时电阻为w(t)为所述掺杂区长度随时间变化关系，s为所述忆阻器的横截面积；所述非掺杂区实时电阻为D为所述总长度参数，p非掺杂为所述非掺杂区电阻率。
步骤104：根据所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻，建立所述忆阻器的亿阻值模型。
计算出掺杂区电阻和非掺杂区电阻后，将两者进行相加，可以得出忆阻器的亿阻值。
具体地，上述根据所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻，建立所述忆阻器的亿阻值模型的过程可以为：将所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻相加，得出所述亿阻值模型；其中，所述亿阻值模型为对M(t)进行变形，可以得出其中，s可以为25×10-12m2，当然，其数值也可以为其它，在此不作限定。
步骤105：基于所述亿阻值模型，建立simulink模型。
根据所计算出的亿阻值的表达式，可以选择simulink中的相应模块建立simulink模型。
具体地，上述基于所述亿阻值模型，建立simulink模型的过程可以为：基于所述忆阻器模型，利用simulink中的比例增益运算、乘法器、加分器以及积分器，搭建所述simulink模型。
Simulink模型可以具体如图2所示，图2为本发明实施例所提供的忆阻器的simulink模型的示意图。具体可以参见图2，在此不作赘述。
在建立simulink模型之后，为了验证所建立的模型的正确性，可以为simulink输入多个信号，根据所输出的曲线判断模型的准确性。
作为一种具体实施方式，在上述基于所述亿阻值模型，建立simulink模型之后还可以包括：获取多个预设输入信号；基于所述simulink模型，依次输出多个所述预设输入信号的电流电压曲线。
上述预设输入信号可以为多个不同频率的正弦波信号。具体地，可以为simulink模型输入幅值为2，频率分别为2Hz、4Hz以及8Hz的正弦波，得出相应的电流电压曲线。具体地可以参见图3，图3-1为2Hz的正弦波信号的电流电压曲线，图3-2为4Hz的正弦波信号的电流电压曲线，图3-3为8Hz的正弦波信号的电流电压曲线。
参见图3可知，当其他条件不变的情况下，电压的频率为8Hz的时候，惠普忆阻器的I-V曲线趋向于一条直线，表现出较强的线性，因而其非线性和开关特性并不能明显的表示出来。但是当电压的频率减小到4Hz时，其伏安特性曲线表现出明显的非线性，呈现出明显的磁滞回线特点。当频率减小到2Hz时，磁滞回线更为明显，非线性特性十分明显。综上所述，电压频率越大，斜‘8’所围面积越小；
同时，也验证了改进模型符合忆阻器的特征，理想忆阻器的电流电压李萨茹图形呈8字滞回现象，具有零点交叉，稳定性，双极性，奇对称等特征。
本发明实施例所提供的忆阻器的Simulink模型建立方法，根据忆阻器的氧空位预设初始浓度，以及掺杂区的氧空位实时浓度与施加电压的关系，建立掺杂区的氧空位实时浓度模型；基于P型半导体电阻率定义，根据氧空位实时浓度模型，计算出掺杂区的实时电阻率；根据实时电阻率、非掺杂区电阻率以及忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻；根据掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻，建立忆阻器的亿阻值模型；基于亿阻值模型，建立simulink模型。该方法基于掺杂区的氧空位实时浓度与忆阻器的施加电压的关系，建立反映掺杂区的实时氧空位浓度的模型，计算出掺杂区的实时电阻率，再基于掺杂区实时电阻率建立更贴合实际的忆阻器模型，使得基于该忆阻器模型建立的simulink模型的准确率较高。
以上对本发明所提供的忆阻器的Simulink模型建立方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种忆阻器的Simulink模型建立方法，其特征在于，包括：
根据忆阻器的氧空位预设初始浓度，以及掺杂区的氧空位实时浓度与施加电压的关系，建立所述掺杂区的氧空位实时浓度模型；
基于P型半导体电阻率定义，根据所述氧空位实时浓度模型，计算出所述掺杂区的实时电阻率；
根据所述实时电阻率、非掺杂区电阻率以及所述忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻；
根据所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻，建立所述忆阻器的亿阻值模型；
基于所述亿阻值模型，建立simulink模型。
2.如权利要求1所述的Simulink模型建立方法，其特征在于，所述氧空位实时浓度模型具体为其中，n0为所述氧空位预设初始浓度，U(t)为所述施加电压。
3.如权利要求2所述的Simulink模型建立方法，其特征在于，所述基于P型半导体电阻率定义，根据所述氧空位实时浓度模型，计算出所述掺杂区的实时电阻率包括：
将所述忆阻器作为P型半导体，根据所述氧空位实时浓度模型计算出所述掺杂区的所述实时电阻率；
其中，所述实时电阻率为q为电子电荷，u为离子迁移率。
4.如权利要求3所述的Simulink模型建立方法，其特征在于，所述根据所述实时电阻率、非掺杂区电阻率以及所述忆阻器的参数，分别计算出掺杂区实时电阻和非掺杂区实时电阻包括：
获取所述忆阻器的总长度参数、掺杂区长度参数和所述非掺杂区电阻率；
根据所述实时电阻率、所述总长度参数以及所述掺杂区长度参数，计算出所述掺杂区实时电阻；
根据所述非掺杂区电阻率、所述总长度参数以及所述掺杂区长度参数，计算出所述非掺杂区实时电阻；
其中，所述掺杂区实时电阻为w(t)为所述掺杂区长度随时间变化关系，s为所述忆阻器的横截面积；所述非掺杂区实时电阻为D为所述总长度参数，p非掺杂为所述非掺杂区电阻率。
5.如权利要求4所述的Simulink模型建立方法，其特征在于，所述根据所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻，建立所述忆阻器的亿阻值模型包括：
将所述掺杂区实时电阻和所述非掺杂区实时电阻相加，得出所述亿阻值模型；
其中，所述亿阻值模型为
6.如权利要求1至5任一项所述的Simulink模型建立方法，其特征在于，所述基于所述亿阻值模型，建立simulink模型包括：
基于所述忆阻器模型，利用simulink中的比例增益运算、乘法器、加分器以及积分器，搭建所述simulink模型。
7.如权利要求6所述的Simulink模型建立方法，其特征在于，在所述基于所述亿阻值模型，建立simulink模型之后还包括：
获取多个预设输入信号；
基于所述simulink模型，依次输出多个所述预设输入信号的电流电压曲线。
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