RU2701705C1

RU2701705C1 - Synaptic resistor

Info

Publication number: RU2701705C1
Application number: RU2018142415A
Authority: RU
Inventors: Владимир Шакирович Алиев; Сергей Григорьевич Бортников
Original assignee: Владимир Шакирович Алиев; Сергей Григорьевич Бортников
Priority date: 2018-12-02
Filing date: 2018-12-02
Publication date: 2019-09-30

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electric three-pole device. Device is used in hardware artificial neural networks as a controlled synaptic connection between network nodes and consists of three components connected as "star" and located in close proximity to each other to provide heat exchange between them: two electrically heated elements and a film resistor based on a polycrystalline film of vanadium dioxide, having an insulator-metal phase transition, wherein the value of synaptic bond force is controlled by voltage pulses of different polarity, supplied to electrically heated elements.

EFFECT: technical result is providing controlled synaptic communication between network nodes.

1 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к широкому кругу электронных устройств памяти для искусственных нейронных сетей (ИНС), особенно таких, которые способны к программируемому изменению величины силы (весового коэффициента) синаптической связи в процессе своей работы.The invention relates to a wide range of electronic memory devices for artificial neural networks (ANNs), especially those that are capable of programmatically changing the magnitude of the strength (weight coefficient) of synaptic communication during its operation.

Уровень техникиState of the art

ИНС нашли широкое применение в устройствах адаптивного управления и распознавания образов. Возможности ИНС во многом определяются количеством содержащихся в ней узлов, и наблюдается тенденция к их увеличению для решения всё более сложных задач. Применение ИНС в конкретных устройствах предполагает их предварительное обучение. Организация обучения при всё возрастающем количестве узлов в сети является ключевой проблемой всей парадигмы использования ИНС. Обучение заключается в решении задачи оптимизации величин сил синаптических связей между узлами при воздействии на ИНС входного паттерна для получения известного выходного паттерна. Эта задача может быть решена в рамках цифровых компьютерных технологий, однако скорость обучения в таких системах катастрофически падает с ростом количества узлов. Другой подход заключается в эмулировании работы нейрона с использованием аналоговых транзисторных схем. В этих схемах синаптическая связь между узлами строится на основе КМОП транзисторов и электрических (сегнетоэлектрических) конденсаторов, выполняющих роль кратковременных запоминающих ячеек аналоговой памяти при обучении ИНС. Однако и этот подход в силу недостаточной точности и большой сложности электрических схем не даёт существенного преимущества перед цифровыми компьютерными технологиями. Третий подход заключается в использовании вместо КМОП транзисторов и конденсаторов плёнок редокс-активных материалов, электрическая проводимость которых может изменяться на несколько порядков при насыщении их ионами определённого типа. Основной недостаток синаптических резисторов из таких материалов заключается в их низком быстродействии из-за низкой подвижности ионов в твёрдых телах при комнатных температурах. Подход, предлагаемый в заявляемом изобретении, заключается в использовании явления фазового перехода изолятор-металл в поликристаллических плёнках диоксида ванадия (VO₂).ANNs are widely used in adaptive control and pattern recognition devices. The capabilities of ANNs are largely determined by the number of nodes contained in it, and there is a tendency to increase them to solve increasingly complex problems. The use of ANN in specific devices involves their preliminary training. Organization of training with an increasing number of nodes in the network is a key problem in the entire paradigm of using ANNs. The training consists in solving the problem of optimizing the strengths of synaptic connections between nodes when an input pattern is applied to the ANN to obtain a known output pattern. This problem can be solved within the framework of digital computer technologies, however, the learning speed in such systems catastrophically decreases with an increase in the number of nodes. Another approach is to emulate the operation of a neuron using analog transistor circuits. In these schemes, the synaptic connection between the nodes is based on CMOS transistors and electric (ferroelectric) capacitors, which act as short-term memory cells of the analog memory during the training of ANNs. However, this approach, due to the lack of accuracy and the great complexity of electrical circuits, does not give a significant advantage over digital computer technologies. The third approach is to use films of redox active materials instead of CMOS transistors and capacitors, the electrical conductivity of which can change by several orders of magnitude when they are saturated with ions of a certain type. The main disadvantage of synaptic resistors made of such materials is their low speed due to the low mobility of ions in solids at room temperatures. The approach proposed in the claimed invention consists in using the phenomenon of the insulator-metal phase transition in polycrystalline films of vanadium dioxide (VO ₂ ).

В VO₂ температура фазового перехода составляет около 341 К. При одной и той же температуре, близкой к температуре фазового перехода, удельное сопротивление VO₂ может быть различным в широком диапазоне (около 40 дБ). Предлагаемое устройство основано на поликристаллических плёнках VO₂, сопротивление которых при температуре вблизи температуры фазового перехода изолятор-металл можно контролируемо изменять путём теплового воздействия электрическим током.In VO _2, the phase transition temperature is about 341 K. At the same temperature close to the phase transition temperature, the specific resistance of VO ₂ can be different over a wide range (about 40 dB). The proposed device is based on polycrystalline VO ₂ films, the resistance of which at a temperature near the temperature of the insulator-metal phase transition can be controlled in a controlled manner by thermal exposure to electric current.

Аппаратная реализация ИНС сталкивается с проблемой создания простого и быстродействующего устройства, выполняющего функцию синапса в биологических нейронах. Синаптические устройства (устройства, имитирующие синапс) были реализованы на основе КМОП технологии (например, патент US6023422A) и с использованием редокс-активных материалов (например, патенты US4839700A, US4945257A, US2011182108A1 и WO2015154695A1). В настоящее время ведутся попытки создать устройства синаптической связи на основе многоуровневых ReRAM ячеек (например, патент WO2010085241A1). Однако пока такие устройства обладают малым количеством состояний (~10-12 состояний), что недостаточно для эффективной работы ИНС.The hardware implementation of ANN is faced with the problem of creating a simple and high-speed device that performs the function of a synapse in biological neurons. Synaptic devices (synapse simulating devices) were implemented based on CMOS technology (e.g., US6023422A) and using redox-active materials (e.g., US4839700A, US4945257A, US2011182108A1 and WO2015154695A1). Currently, attempts are being made to create synaptic communication devices based on multi-level ReRAM cells (for example, patent WO2010085241A1). However, while such devices have a small number of states (~ 10-12 states), which is not enough for the effective operation of the ANN.

Наиболее подходящим прототипом заявляемого изобретения является твердотельное электрически программируемое резистивное устройство на основе редокс-активного материала, описанное в патенте US4839700A. Устройство состоит из входного, выходного и управляющего металлических электродов, расположенных на диэлектрической подложке. Входной и выходной электроды электрически соединены между собой слоем диэлектрического редокс-активного материала. Проводимость этого материала изменяется при изменении концентрации в нём заряженной примеси. Концентрацию заряженной примеси в слое диэлектрического материала можно изменять путём подачи положительного или отрицательного напряжения на управляющий электрод относительно входного или выходного электрода. Быстродействие устройства ограничено дрейфовой скоростью ионов в редокс-активном материале и составляет порядка 1 минуты для изменения сопротивления устройства в 10 раз. Такие скорости мало приемлемы для существующих в настоящее время электронных устройств. Кроме этого, наличие в данном устройстве управляющего электрода требует формирования в матрице ИНС дополнительных электрических шин, что усложняет изготовление сети. В отличие от прототипа, предлагаемое синаптическое устройство обладает в ~10⁵ раз более высоким быстродействием, и, хотя формально является трёхполюсником, фактически соединяет вход и выход как двухполюсник, поскольку общий электрод, относительно которого подаются все электрические потенциалы, является общим для всех синаптических устройств в ИНС. Поэтому нет необходимости изготовления дополнительных управляющих шин, как в прототипе. Эти преимущества, заявляемого синаптического устройства, обусловлены использованием в устройстве функционального материала, изменяющего своё сопротивление под действием внешних электрических импульсов – поликристаллической пленки VO₂, которая обладает фазовым переходом изолятор-металл при температуре чуть выше комнатной (341 К). Более того, наличие главной и малых петель гистерезиса на зависимости сопротивления от температуры позволяет управлять сопротивлением плёнки VO₂ посредством входного или выходного электрода устройства.The most suitable prototype of the claimed invention is a solid-state electrically programmable resistive device based on redox-active material described in patent US4839700A. The device consists of input, output and control metal electrodes located on a dielectric substrate. The input and output electrodes are electrically connected to each other by a layer of dielectric redox active material. The conductivity of this material changes with a change in the concentration of a charged impurity in it. The concentration of the charged impurity in the dielectric material layer can be changed by applying a positive or negative voltage to the control electrode relative to the input or output electrode. The performance of the device is limited by the drift velocity of the ions in the redox-active material and is about 1 minute to change the resistance of the device by 10 times. Such speeds are not acceptable for current electronic devices. In addition, the presence of a control electrode in this device requires the formation of additional electric buses in the ANN matrix, which complicates the fabrication of the network. Unlike the prototype, the proposed synaptic device has a speed of ~ 10 ⁵ times faster, and although it is formally a three-terminal device, it actually connects the input and output as a two-terminal device, since the common electrode relative to which all electric potentials are supplied is common to all synaptic devices in the ANN. Therefore, there is no need to manufacture additional control tires, as in the prototype. These advantages of the claimed synaptic device are due to the use of a functional material in the device that changes its resistance under the influence of external electric pulses - a polycrystalline VO ₂ film, which has an insulator-metal phase transition at a temperature slightly above room temperature (341 K). Moreover, the presence of the main and small hysteresis loops on the temperature dependence of the resistance allows controlling the resistance of the VO ₂ film by means of the input or output electrode of the device.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Устройство представляет собой электрический трёхполюсник, состоящий из трёх компонентов (Фиг. 1): двух нагревательных элементов H1 и H2 (компоненты H1 и H2) и плёночного резистора V (компонент V) на основе поликристаллической плёнки VO₂. Все три компонента находятся в непосредственной близости друг от друга, допускающей теплообмен между ними. Схема электрического соединения компонентов в устройстве показана на Фиг. 2. B1 и B2 – входной (выходной) и выходной (входной) электроды, на которые подаются (принимаются) электрические сигналы. Волнистыми стрелками показаны направления теплопередачи между компонентами устройства. Все три компонента имеют общую точку соединения X (соединение компонентов по типу «звезда»). Компонент V соединён с общим электродом G, относительно которого подаются (принимаются) электрические сигналы с электродов B1 и B2. Устройство помещено в термостат с температурой T₀, которая ниже температуры T_C – температуры середины гистерезиса сопротивления при переходе изолятор-металл в плёнке VO₂ (компонент V) (Фиг. 3). Сопротивления R_H1 и R_H2 нагревателей H1 и H2 выбираются намного больше сопротивления R_V компонента V, то есть R_H1,H2>>R_V. Сопротивление плёнки VO₂ (компонент V) при фиксированной температуре в области фазового перехода может принимать непрерывный спектр значений, ограниченный размерами главной петли гистерезиса. Сущность технического решения заключается в близком расположении компонента V и нагревательных элементов H1 и H2, допускающем взаимный эффективный теплообмен, и в способе управления этим теплообменом. Способ управления теплообменом электрическими импульсами показан на Фиг. 4. Термостат разогревает устройство внешним тепловым источником до температуры T₀, которая, в качестве примера, выбрана вблизи начала гистерезиса сопротивления плёнки VO₂ (около 320 К). На входной электрод устройства относительно общего электрода подаётся постоянное напряжение U₀. В цепи появляется ток через нагреватель H1 и компонент V. Поскольку сопротивление нагревателя H1 значительно больше сопротивления плёнки VO₂ (компонент V), то ток разогревает нагреватель H1 значительно сильнее, чем компонент V. Напряжение U₀ подбирается таким, чтобы из-за пространственной близости компонента V и нагревателя H1 и эффективного теплообмена компонент V разогревался до температуры вблизи температуры середины гистерезиса сопротивления T_C (около 335 К), при которой сопротивление компонента V соответствует точке 0 на Фиг. 4. При температуре T_C компонент V может иметь любое значение сопротивления внутри главной петли гистерезиса и находиться в этом состоянии сколь угодно долго. При дополнительной подаче на вход B1 импульсов напряжения разной полярности и амплитуды U_P можно двигаться вдоль вертикальной прямой T=T_C как вверх, так и вниз. Например, при подаче импульса U_P1 той же полярности, что и U₀ (то есть, положительного импульса), происходит переход из точки 0 в точку 1 по малой петле гистерезиса. Последовательно увеличивая амплитуду импульса, можно перейти в точку 2, а затем – в точку 3. Для того чтобы сместиться по сопротивлению в обратную сторону, например, в точку 4, необходимо подать импульс обратной полярности (отрицательный импульс). Увеличив амплитуду отрицательного импульса, можно перейти в точку выше по сопротивлению – точку 5. Однако амплитуда отрицательного импульса U_P должна удовлетворять условию |U_P|≤|U₀|. При подаче отрицательного импульса амплитуды U_P такой, что выполняется равенство |U_P|=|U₀|, сопротивление компонента V вернётся в точку 0. Чем выше амплитуда импульса напряжения, тем больше разность между текущим сопротивлением и последующим сопротивлением компонента V. Второй нагревательный элемент H2 используется аналогично первому H1 при подстройке сопротивления компонента V со стороны выхода B2 устройства. Эта возможность важна для реализации алгоритма обучения ИНС методом обратного распространения ошибки.The device is an electric three-terminal network consisting of three components (Fig. 1): two heating elements H1 and H2 (components H1 and H2) and a film resistor V (component V) based on a polycrystalline film VO ₂ . All three components are in close proximity to each other, allowing heat exchange between them. An electrical connection diagram of the components in the device is shown in FIG. 2. B1 and B2 - input (output) and output (input) electrodes to which electrical signals are supplied (received). The wavy arrows indicate the directions of heat transfer between the components of the device. All three components share a common junction point X (star component junction). Component V is connected to a common electrode G, relative to which electrical signals from electrodes B1 and B2 are supplied (received). The device is placed in a thermostat with a temperature T ₀ , which is lower than the temperature T _C - the temperature of the middle of the hysteresis of the resistance during the insulator-metal transition in the VO ₂ film (component V) (Fig. 3). The resistances R _H1 and R _{H2 of the} heaters H1 and H2 are chosen much higher than the resistance R _{V of the} component V, that is, R _{H1, H2} >> R _V. The resistance of the VO ₂ film (component V) at a fixed temperature in the region of the phase transition can take a continuous spectrum of values, limited by the size of the main hysteresis loop. The essence of the technical solution lies in the proximity of the component V and the heating elements H1 and H2, allowing mutual effective heat transfer, and in the method of controlling this heat transfer. A method for controlling heat transfer by electrical pulses is shown in FIG. 4. The thermostat heats the device with an external heat source to a temperature T ₀ , which, as an example, is selected near the beginning of the hysteresis of the film resistance VO ₂ (about 320 K). A constant voltage U ₀ is applied to the input electrode of the device relative to the common electrode. A current appears in the circuit through the heater H1 and component V. Since the resistance of the heater H1 is much greater than the resistance of the film VO ₂ (component V), the current heats the heater H1 much more than component V. The voltage U _{0 is} selected so that due to spatial proximity component V and heater H1 and efficient heat transfer of component V was heated to a temperature near the temperature of the middle of the hysteresis of the resistance T _C (about 335 K), at which the resistance of component V corresponds to point 0 in FIG. 4. At temperature T _C, component V can have any resistance value inside the main hysteresis loop and remain in this state for an arbitrarily long time. With an additional supply of voltage pulses of different polarity and amplitude U _P to the input B1, one can move along the vertical line T = T _C both up and down. For example, when applying a pulse U _{P1 of} the same polarity as U ₀ (that is, a positive pulse), a transition from point 0 to point 1 occurs along a small hysteresis loop. Successively increasing the amplitude of the pulse, you can go to point 2, and then to point 3. In order to shift in resistance in the opposite direction, for example, to point 4, you need to apply a pulse of reverse polarity (negative pulse). By increasing the amplitude of the negative pulse, you can go to a point higher in resistance - point 5. However, the amplitude of the negative pulse U _P must satisfy the condition | U _P | ≤ | U ₀ |. When applying a negative pulse of amplitude U _P such that | U _P | = | U ₀ | is satisfied, the resistance of component V will return to point 0. The higher the amplitude of the voltage pulse, the greater the difference between the current resistance and the subsequent resistance of component V. The second heating element H2 is used similarly to the first H1 when adjusting the resistance of component V from the output side of the B2 device. This feature is important for the implementation of the ANN training algorithm by the backpropagation method.

Устройство способно выполнять функцию синаптической связи, которая заключается в том, что, если на входной электрод подать электрический сигнал, то на выходном электроде появится электрический сигнал, пропорциональный сопротивлению компонента V. При использовании устройства в качестве синаптической связи в ИНС вход B1 и выход B2 соединяют два узла сети. В ИНС возможны два режима функционирования устройства: режим обучения сети и режим обработки информации. В режиме обучения сети амплитуда входного сигнала должна быть достаточной для заметного разогрева нагревательных элементов (H1, H2) и изменения величины сопротивления компонента V. В режиме обработки информации амплитуда входного сигнала должна быть значительно ниже обучающих импульсов, чтобы быть недостаточной для заметного разогрева нагревательных элементов (H1, H2) и изменения величины сопротивления компонента V. В процессе работы ИНС при подаче входного информационного сигнала в виде импульса напряжения на входной электрод B1 выходным сигналом будет импульс напряжения на выходном электроде B2 относительно общего электрода G. Амплитуда выходного импульса напряжения будет пропорциональна текущему сопротивлению плёнки VO₂ (компонента V). Таким образом, величина силы синаптической связи между узлами ИНС определяется величиной сопротивления компонента V.The device is capable of fulfilling the function of synaptic communication, which consists in the fact that if an electrical signal is applied to the input electrode, an electrical signal proportional to the resistance of component V will appear on the output electrode. When using the device as a synaptic connection in the ANN, input B1 and output B2 are connected two network nodes. In the ANN, there are two modes of device operation: the network learning mode and the information processing mode. In the network training mode, the amplitude of the input signal should be sufficient for a noticeable heating of the heating elements (H1, H2) and a change in the resistance value of component V. In the information processing mode, the amplitude of the input signal should be much lower than the training pulses in order to be insufficient for a noticeable heating of the heating elements ( H1, H2) and changes in the resistance value of component V. During the operation of the ANN, when the input information signal is supplied as a voltage pulse to the input electrode B1, the output ignalom will voltage pulse at the output electrode B2 relative to the common electrode G. The amplitude of the voltage of the output pulse is proportional to the current resistance of the film VO ₂ (component V). Thus, the magnitude of the strength of the synaptic connection between the nodes of the ANN is determined by the resistance value of component V.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг. 1. Основные компоненты устройства. H1 – нагревательный элемент 1, H2 – нагревательный элемент 2, V – поликристаллическая плёнка VO₂.FIG. 1. The main components of the device. H1 - heating element 1, H2 - heating element 2, V - polycrystalline film VO ₂ .

Фиг. 2. Электрическая схема включения компонентов устройства. B1 – входной (выходной) электрод, B2 – выходной (входной) электрод, X – средний электрод, G – общий электрод. Волнистыми стрелками показаны направления теплопередачи. T₀ – температура термостата.FIG. 2. The electrical circuit for switching on the components of the device. B1 - input (output) electrode, B2 - output (input) electrode, X - middle electrode, G - common electrode. The wavy arrows indicate the directions of heat transfer. T ₀ - thermostat temperature.

Фиг. 3. Зависимость сопротивления R_V плёнки VO₂ (компонент V) от температуры. Сопротивление плёнки при температуре 296 К принято за 100%.FIG. 3. The dependence of the resistance R _{V of the} film VO ₂ (component V) on temperature. The film resistance at a temperature of 296 K is taken as 100%.

Фиг. 4. Последовательное изменение сопротивления R_V плёнки VO₂ (компонент V) управляющими импульсами напряжения U_P. Точка 0 – исходное сопротивление плёнки на главной петле гистерезиса после подачи на вход устройства постоянного напряжения смещения U₀. Точки 1, 2, 3, 4 и 5 – промежуточные значения сопротивления плёнки внутри главной петли гистерезиса при подаче положительного импульса U_P1, затем положительного импульса U_P2, затем положительного импульса U_P3, затем отрицательного импульса U_P4, и, наконец, отрицательного импульса U_P5. T₀ – температура термостата.FIG. 4. The successive change in the resistance R _{V of the} film VO ₂ (component V) by the control voltage pulses U _P. Point 0 is the initial film resistance on the main hysteresis loop after applying a constant bias voltage U ₀ to the input of the device. Points 1, 2, 3, 4, and 5 are intermediate values of the film resistance inside the main hysteresis loop when a positive pulse U _P1 , then a positive pulse U _P2 , then a positive pulse U _P3 , then a negative pulse U _P4 , and finally a negative pulse U _P5 . T ₀ - thermostat temperature.

Фиг. 5. Пример осуществления изобретения. 1 – поликристаллическая плёнка VO₂ (компонент V), 2 – сапфировая подложка, 3 – металлический электрод Ni/Au к плёнке VO₂ (контакт G), 4 – металлический электрод Ni/Au к плёнке VO₂ (контакт X), 5 – слой оксинитрида тантала TaN_1-yO_y (нагреватель H1), где величиной y задаётся электрическое сопротивление слоя оксинитрида тантала, 6 – слой оксинитрида тантала TaN_1-yO_y (нагреватель H2), 7 – слой диэлектрика SiO₂ между 1 и 5, 8 – слой диэлектрика SiO₂ между 5 и 6, 9 – слой диэлектрика SiO₂ между 6 и внешней средой, 10 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт X), 11 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт B1), 12 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт X), 13 – металлический электрод Ni/Au к слою TaN_1-yO_y (контакт B2).FIG. 5. An example embodiment of the invention. 1 - polycrystalline VO ₂ film (component V), 2 - sapphire substrate, 3 - Ni / Au metal electrode to VO ₂ film (pin G), 4 - Ni / Au metal electrode to VO ₂ film (contact X), 5 - tantalum oxy nitride layer TaN _1-y O _y (heater H1), where y is the electrical resistance of the tantalum oxy nitride layer, 6 is the tantalum oxy nitride layer TaN _1-y O _y (H2 heater), 7 is the SiO ₂ dielectric layer between 1 and 5 8 - SiO ₂ dielectric layer between 5 and 6, 9 - SiO ₂ dielectric layer between 6 and the environment, 10 - Ni / Au metal electrode to the TaN _1-y O _y layer (contact X), 11 - metallic Ni / Au electrode to the TaN _1-y O _y layer (pin B1), 12 - the Ni / Au metal electrode to the TaN _1-y O _y layer (pin X), 13 - the Ni / Au metal electrode to the TaN _1- layer _y O _y (pin B2).

Фиг. 6. Схема передачи аналогового сигнала в ИНС. Импульс напряжения Us передается c входа B1 (i-ый узел сети) на выход B2 (j-ый узел сети) устройства в виде импульса тока Is=ω_i,j×Us с весовым коэффициентом синаптической связи ω_i,j, который прямо пропорционален сопротивлению R_V (ω_i,j~R_V) поликристаллической плёнки VO₂ – компонента V устройства.FIG. 6. The scheme for transmitting an analog signal to the ANN. The voltage pulse Us is transmitted from the input B1 (i-th node of the network) to the output B2 (j-th node of the network) of the device in the form of a current pulse Is = ω _{i, j} × Us with the synaptic coupling weight coefficient ω _{i, j} , which is directly proportional resistance R _V (ω _{i, j} ~ R _V ) of the polycrystalline film VO ₂ - component V of the device.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Пример осуществления изобретения показан на Фиг. 5. На подложке Al₂O₃ (0001) была выращена поликристаллическая плёнка VO₂ методом ионно-лучевого распыления-осаждения (IBSD – Ion Beam Sputtering Deposition). Толщина плёнки составляла 80 нм. Методом фотолитографии была сформирована микроструктура (Фиг. 5). Электроды B1, B2, G и X были нанесены методом термического распыления металлов Ni(10 нм)/Au(50 нм). Нагревательные элементы H1 и H2 были изготовлены в виде полосок из оксинитрида тантала (TaN_1-yO_y, где y – варьируемый параметр ростового процесса, от которого зависит слоевое сопротивление выращенных пленок), причем полоски нагревателей перекрывали область плёнки VO₂ между металлическими электродами G и X. Нагреватели H1, H2 и плёнка VO₂ были разделены слоем диэлектрика SiO₂ толщиной около 50 нм. Сопротивление нагревательных элементов H1 и H2 составляло R_H1=92 кОм и R_H2=114 кОм, а сопротивление плёнки VO₂ (компонент V) при комнатной температуре составляло R_V(296 К)=18.7 кОм. Термостат устройства разогревался до T₀=324 К внешней электрической печью. Сопротивление компонента V уменьшалось до R_V(324 К)=8.42 кОм, а сопротивление нагревателей H1 и H2 практически не изменилось. Затем постоянное напряжение смещения U₀=17.7 В было подано на вход B1 устройства. Сопротивление R_V уменьшилось до 3.47 кОм, что соответствовало температуре плёнки VO₂ равной 335 К. Эта температура попадает в область гистерезиса для выращенной плёнки VO₂. В качестве примера, была поставлена задача: путём подачи импульсов напряжения установить сопротивление компонента V равным 1.50 кОм. Для достижения целевого значения сопротивления сначала был подан положительный импульс амплитудой +8.9 В и длительностью 100 мкс. В результате сопротивление R_V уменьшилось до 0.81 кОм. Учитывая, что полученное сопротивление меньше целевого, был подан отрицательной импульс амплитудой -10.6 В. В результате сопротивление R_V стало равным 3.12 кОм. Затем снова был подан положительный импульс +3.5 В, и сопротивление R_V уменьшилось до 1.94 кОм. Затем импульс +4.6 В: сопротивление R_V стало 1.55 кОм. Затем импульс +4.78 В: R_V=1.52 кОм. Наконец, подав импульс +4.96 В, сопротивление R_V достигло 1.508 кОм. Отсюда видно, что путём последовательного приближения удалось установить сопротивление R_V(335 К)=1.508 кОм, то есть достигнуть целевого значения сопротивления с точностью выше 1%. Полученное значение сопротивления сохранялось неизменным с точностью около 1% в течение 1 часа. Для моделирования работы устройства в составе ИНС в режиме обработки информации выход B2 был соединён с нагрузочным сопротивлением R_L=100 Ом (Фиг. 6). Путём подачи импульсов различной амплитуды и полярности сопротивление R_V было перестроено так, чтобы принять значения близкие к целевым значениям: 150 Ом, 750 Ом и 3000 Ом. После каждой подстройки R_V под целевое сопротивление, информационный импульс амплитудой +0.500 В подавался на вход B1 и измерялась амплитуда импульса тока через нагрузочное сопротивление R_L. Полученные значения амплитуды тока следующие: 7.22 нА, 35.4 нА и 138 нА, соответственно. Видно, что выходной ток на нагрузочном сопротивлении R_L с точностью лучше 2% пропорционален сопротивлению R_V плёнки VO₂.An example embodiment of the invention is shown in FIG. 5. A VO ₂ polycrystalline film was grown on an Al ₂ O ₃ (0001) substrate by ion beam sputter deposition (IBSD - Ion Beam Sputtering Deposition). The film thickness was 80 nm. A microstructure was formed by photolithography (Fig. 5). The electrodes B1, B2, G, and X were deposited by thermal sputtering of metals Ni (10 nm) / Au (50 nm). The heating elements H1 and H2 were made in the form of strips of tantalum oxynitride (TaN _1-y O _y , where y is the variable growth process parameter, on which the layer resistance of the grown films depends), and the heater strips overlapped the region of the VO ₂ film between the metal electrodes G and X. The heaters H1, H2 and the VO ₂ film were separated by a SiO ₂ dielectric layer with a thickness of about 50 nm. The resistance of the heating elements H1 and H2 was R _H1 = 92 kOhm and R _H2 = 114 kOhm, and the resistance of the VO ₂ film (component V) at room temperature was R _V (296 K) = 18.7 kOhm. The device thermostat was heated to T ₀ = 324 K by an external electric furnace. The resistance of component V decreased to R _V (324 K) = 8.42 kOhm, and the resistance of the heaters H1 and H2 remained almost unchanged. Then a constant bias voltage U ₀ = 17.7 V was applied to the input B1 of the device. The resistance R _V decreased to 3.47 kΩ, which corresponded to the temperature of the VO ₂ film equal to 335 K. This temperature falls into the hysteresis region for the grown VO ₂ film. As an example, the task was posed: by supplying voltage pulses, set the resistance of the V component to 1.50 kΩ. To achieve the target resistance value, a positive pulse was first applied with an amplitude of +8.9 V and a duration of 100 μs. As a result, the resistance R _V decreased to 0.81 kΩ. Given that the resulting resistance is less than the target, a negative pulse of -10.6 V amplitude was applied. As a result, the resistance R _V became 3.12 kOhm. Then, a positive impulse of +3.5 V was applied again, and the resistance R _V decreased to 1.94 kΩ. Then a pulse of +4.6 V: resistance R _V became 1.55 kOhm. Then the pulse is +4.78 V: R _V = 1.52 kOhm. Finally, by applying a +4.96 V pulse, the resistance R _V reached 1.508 kOhm. This shows that by successive approximation, it was possible to establish the resistance R _V (335 K) = 1.508 kOhm, that is, to achieve the target resistance value with an accuracy of more than 1%. The obtained resistance value remained unchanged with an accuracy of about 1% for 1 hour. To simulate the operation of the device as part of the ANN in the information processing mode, output B2 was connected to the load resistance R _L = 100 Ohms (Fig. 6). By supplying pulses of different amplitudes and polarity, the resistance R _V was rebuilt to take values close to the target values: 150 Ohm, 750 Ohm and 3000 Ohm. After each adjustment of R _V to the target resistance, an information pulse with an amplitude of +0.500 V was applied to input B1 and the amplitude of the current pulse was measured through the load resistance R _L. The obtained values of the current amplitude are as follows: 7.22 nA, 35.4 nA and 138 nA, respectively. It can be seen that the output current at the load resistance R _L with an accuracy of better than 2% is proportional to the resistance R _{V of the} film VO ₂ .

Claims

An electric three-pole device that can be used in hardware-based artificial neural networks as a controlled synaptic connection between network nodes, consisting of three components connected by a star circuit and located in close proximity to each other to ensure heat exchange between them: two electrically heated of elements and a film resistor based on a polycrystalline film of vanadium dioxide having an insulator-metal phase transition, and controlling the magnitude of the synaptic force Coy communication is carried out by pulses of different polarity of voltage supplied to the electrically heatable elements.