RU2737794C1 - Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737794C1 RU2737794C1 RU2019140968A RU2019140968A RU2737794C1 RU 2737794 C1 RU2737794 C1 RU 2737794C1 RU 2019140968 A RU2019140968 A RU 2019140968A RU 2019140968 A RU2019140968 A RU 2019140968A RU 2737794 C1 RU2737794 C1 RU 2737794C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- memristor
- resistance
- switching
- low
- voltage
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 8
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 7
- 230000015654 memory Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229910003455 mixed metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к технологии эксплуатации мемристора с диэлектрической структурой, расположенной между его двумя электродами, обладающей резистивной памятью и обеспечивающей филаментарный механизм переключения мемристора, и может быть использована для управления стабильной работой такого мемристора за счет автоматической подстройки длительности импульсов напряжения, переключающих мемристор в высокоомное или низкоомное состояние. Технический результат предлагаемой группы изобретений -разработка оптимального способа управления работой мемристора, заключающейся в стабильном переводе его в высокоомное или низкоомное состояние, и повышенного по технологичности обеспечения стабильной работы мемристора устройства для его переключения, характеризующегося сочетанием измерения текущей величины сопротивления мемристора и сравнения ее с задаваемыми аналоговыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии, одновременной подачи импульса напряжения с постоянной амплитудой для переключения мемристора без зависимости от стабильности источника постоянного напряжения, а также от предыстории работы мемристора и упрощения схемотехнической реализации устройства для осуществления предлагаемого способа на основе снижения резистивной стохастичности мемристора при его переключениях. Для достижения указанного технического результата предлагается способ управления работой мемристора, включающий измерение текущей величины сопротивления мемристора, сравнение ее с задаваемыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии и одновременная с указанными операциями подача на мемристор импульса напряжения с постоянной по величине амплитудой, достаточной для его переключения, полярностью, соответствующей направлению переключения, и длительностью, определяемой временем действия указанного импульса до наступления момента, по меньшей мере, равенства измеряемого текущего сопротивления мемристора с задаваемыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии для обеспечения в этот момент переключения мемристора в одно из указанных состояний. Для регулирования импульсов напряжения в соответствии с изложенным выше способом, подаваемых на мемристор для его переключения, в автоматическом режиме согласно изобретению предлагается устройство для управления работой мемристора, содержащее два источника постоянного напряжения с противоположной друг к другу полярностью, два ключа, два резистивных делителя и два компаратора, образующие по одному две группы элементов для переключения мемристора в высокоомное или низкоомное состояние. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Группа изобретений относится к технологии эксплуатации мемристора с диэлектрической структурой, расположенной между его двумя электродами, обладающей резистивной памятью и обеспечивающей филаментарный механизм переключения мемристора, и может быть использована для управления стабильной работой такого мемристора за счет автоматической подстройки длительности импульсов напряжения, переключающих мемристор в высокоомное или низкоомное состояние (далее импульсов переключения мемристора).
Особенностью работы мемристоров в качестве элементов памяти, является резистивная стохастичность мемристора в высокоомном и низкоомном состояниях при переключении мемристора в данные состояния.
Так традиционное управление работой мемристоров, например, на основе смешанного оксида металлов, осуществляется с помощью стандартной управляющей программы измерения вольтамперных характеристик мемристора и его переключения (см. патенты РФ №2472254, H01L 45/00, В82В 1/00, 2013 на изобретение «Мемристор на основе смешанного оксида металлов» и №2524415, H01L 45/00, В82В 1/00, 2014 на изобретение «Мемристор на основе смешанного оксида металлов»), сопровождаемого разбросом величин сопротивления мемристора в высокоомном и низкоомных состояниях, оцениваемым в информационных источниках на уровне ~20-50% (см. например, статью на англ. яз. автора Daniele lelmini «Resistive switching memories based on metal oxides: mechanisms, reliability and scaling» - Semicond. Sci. Technol. 2016, v. 31, №063002, p.12, fig. 16).
Приведенный пример управления работой мемристора в описаниях изобретений к двум указанным российским патентам свидетельствует о значительном резерве повышения его эффективности в связи с низкой технологичностью настройки переключения мемристора на основе предварительного усреднения сопротивлений мемристора в высокоомном и низкоомном состояниях и сохранением проблемы снижения резистивной стохастичности мемристора, проявляемой при его переключениях.
Уровень техники в области управления работой мемристора, заключающейся в автоматизации его переключения, содержит примеры совершенствования технологии переключения мемристора, направленной на решение с различной и недостаточно высокой эффективностью задачи уменьшения влияния резистивной стохастичности мемристора на стабильность его переключения.
Известны источники информации со сведениями о недостаточно эффективных мерах по усовершенствованию настройки переключения мемристора из-за усложненного использования набора импульсов разной полярности с переменной амплитудой при разном их количестве с чередованием импульсов записи с изменяющейся со временем амплитудой и малыми импульсами чтения (см. статью на англ. яз. авторов Fabien Alibart, Ligang Gao, Brian D Hoskins and Dmitri В Strukov «High precision tuning of state for memristive devices by adaptable variation-tolerant algorithm» - Nanotechnology, 2012, v. 23, №075201) или характеризующегося низким быстродействием использования аналогового блока, позволяющего отслеживать величину сопротивления мемристора с помощью измерения напряжения в соответствующей точке схемы на основе использования специального высокочастотного периодического сигнала (см. статью на англ. яз. авторов R. Berdan, Т. Prodromakis, С. Toumazou «High precision analogue memristor state tuning» - ELECTRONICS LETTERS, 2012, v. 48, №18).
Известен способ регулирования импульсов переключения мемристра, включающий обнаружение через детектор напряжения мемристора, поддерживаемого источником напряжения при известном начальном сопротивлении мемристора, сравнение посредством компаратора напряжения мемристора с контрольной величиной напряжения мемристора, используемой для регулирования импульса переключения мемристора, и автоматическое отключение через управляющий переключатель мемристора от источника напряжения на основе использования контрольной величины напряжения, а также устройство для его осуществления, выполненное на основе приборных средств, указанных в этом способе (см. патент US 9837147, G11C13/00, 2017 на изобретение "Regulating memristor switching puis").
В указанной группе изобретений осуществлено регулирование импульсов переключения мемристора, основанное на изменении заряда последовательно включенного с мемристором конденсатора (при подаче на мемристор постоянного напряжения), используемого в качестве детектора напряжения мемристора, и одновременном сравнении снимаемого с помощью этого детектора изменяющегося по величине напряжения мемристора с контрольной величиной напряжения мемристора, которая должна соответствовать одному из переключаемых состояний мемристора, и ухудшающее управление стабильной работой мемристора в связи с низкой технологичностью определения нестабильной контрольной величины указанного напряжения мемристора на основе текущей статистики замеров напряжений мемристора из-за резистивной стохастичности последнего и зависимостью сопротивления мемристора в высокоомном и низкоомном состояниях от стабильности источника напряжения.
Изложенная специфика осуществления указанной американской группы изобретений в связи с иным физическим механизмом детектирования текущего состояния мемристора (см. в конце настоящего описания группы изобретений обоснование разницы в физическом механизме переключения мемристора в заявляемой группе изобретений и группе изобретений по патенту US 9837147), основанным на текущем обнаружении изменяющегося напряжения мемристора, явилась причиной отказа от ее использования в настоящем описании в качестве группы прототипов заявляемого способа и устройства для его осуществления, поэтому выбрана форма раскрытия сущности предлагаемой группы изобретений - без прототипа.
Технический результат предлагаемой группы изобретений -разработка оптимального способа управления работой мемристора, заключающейся в стабильном переводе его (независящем от напряжения питания и предыстории работы мемристора) в высокоомное или низкоомное состояние, и повышенного по технологичности обеспечения стабильной работы мемристора устройства для его автоматического переключения, характеризующегося сочетанием измерения текущей величины сопротивления мемристора (в режиме отслеживания сопротивления мемристора) и сравнения ее с задаваемыми аналоговыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии, одновременной подачи импульса напряжения с постоянной амплитудой для переключения мемристора без зависимости от стабильности источника постоянного напряжения, а так же от предыстории работы мемристора и упрощения схемотехнической реализации устройства для осуществления предлагаемого способа на основе снижения резистивной стохастичности мемристора при его переключениях.
Кроме того, предлагаемая группа изобретений расширяет актуальный арсенал эффективных контрольно-измерительных исполнительных средств, обеспечивающих стабильное переключение мемристоров.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ управления работой мемристора, включающий измерение текущей величины сопротивления мемристора, сравнение ее с задаваемыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии и одновременная с указанными операциями подача на мемристор импульса напряжения с постоянной по величине амплитудой, достаточной для его переключения, полярностью, соответствующей направлению переключения, и длительностью, определяемой временем действия указанного импульса до наступления момента, по меньшей мере, равенства измеряемого текущего сопротивления мемристора с задаваемыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии для обеспечения в этот момент переключения мемристора в одно из указанных состояний.
В частном случае для переключения мемристора, имеющего структуру Au / Та (8 нм) / ZrO2 (12 мол.% Y2O3, 10 нм) / ТаОх (10 нм) / TiN / Ti, при х, имеющем величину от 2.0 до 2.5, измеряют текущую величину его сопротивления, которую сравнивают с величиной сопротивления мемристора в высокоомном состоянии 100 КОм или величиной сопротивления мемристора в низкоомном состоянии 1 КОм и одновременно подают прямоугольный импульс с постоянной амплитудой не менее 3 В, с полярностью, соответственно положительной или отрицательной и длительностью в пределах интервала величин от 10 не до 10 мс в зависимости от наступления момента равенства измеряемого текущего сопротивления мемристора с указанными величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии.
Для регулирования импульсов напряжения в соответствии с изложенным выше способом, подаваемых на мемристор для его переключения, в автоматическом режиме предлагается устройство для управления работой мемристора, содержащее два источника постоянного напряжения с противоположной друг к другу полярностью, два ключа, два резистивных делителя и два компаратора, образующие по одному две группы элементов для переключения мемристора в высокоомное или низкоомное состояние.
Причем в каждой указанной группе ключ соединен своим входом с источником постоянного напряжения и управляющим входом с выходом компаратора и своим выходом с первым электродом мемристора, а резистивный делитель соединен своими первым входом с источником постоянного напряжения и вторым входом с землей и своим выходом с инвертирующим входом компаратора.
При этом ко второму электроду мемристора подсоединен резистор, образующий с мемристором, выполняющим функцию второго резистивного плеча, дополнительный резистивный делитель, выход которого подключен к неинвертирующим входам обоих компараторов в указанных группах, а входящие в состав обоих резистивных делителей в указанных группах резисторы с их подключением к соответствующим источникам постоянного напряжения имеют сопротивления, равные сопротивлениям мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии.
На фиг. 1 показана блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Устройство для управления работой мемристора (см. фиг. 1) содержит два источника постоянного напряжения 1 и 2, с противоположной друг к другу полярностью, два ключа 3 и 4, два резистивных делителя 5 и 6, состоящих из резисторов 7, 8 и 9, 10 соответственно, и два компаратора 11 и 12, образующие по одному две группы элементов для переключения соответственно в высокоомное и низкоомное состояние мемристора 13, подключенного к резистору 14.
Причем в каждой указанной группе ключ 3 или 4 соединен своим входом с источником постоянного напряжения 1 или 2 и управляющим входом с выходом компаратора 11 или 12 и своим выходом с первым электродом мемристора 13, а резистивный делитель 5 или 6 соединен своими первым входом с источником постоянного напряжения 1 или 2 и вторым входом с землей и своим выходом с первым входом компаратора 11 или 12.
При этом ко второму электроду мемристора 13 подсоединен резистор 14, образующий с мемристором 13, выполняющим функцию второго резистивного плеча, дополнительный резистивный делитель 15, выход которого подключен ко вторым входам обоих компараторов 11 и 12 в указанных группах, а входящие в состав резистивных делителей 5 и 6 в указанных группах резисторы 7 и 9 имеют сопротивления, равные сопротивлениям мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии.
Предлагаемый способ управления работой мемристора осуществляют следующим образом.
Пусть мемристор 13 находится в высокоомном состоянии и требуется перевести его в низкоомное состояние. Для этого включается источник 1 (источник 2 отключен).
Сопротивления резисторов 8, 10 и 14 должны быть равны между собой, точное значение их сопротивления не принципиально для работы схемы и может быть выбрано, как среднее арифметическое значение сопротивления резисторов 7 и 9. Поскольку изначально мемристор находится в высокоомном состоянии, его сопротивление выше сопротивления резистора 7, который задает сопротивление мемристора в низкоомном состоянии, следовательно, в начальный момент времени напряжение на выходе делителя напряжения 15 будет ниже, чем напряжение на выходе делителя напряжения 5, что приведет к тому, что на выходе компаратора 11 будет сформирован логический «О», который замыкает ключ 3. После подачи на мемристор 13 напряжения с источника 1, сопротивление мемристора 13 начнет убывать, напряжение на неинвертирующем входе компаратора 11 начнет повышаться. Как только оно превысит значение напряжения на инвертирующем входе компаратора 11 (заданном с помощью резистивного делителя 5), на выходе компаратора 11 возникнет логическая «1», что приведет к размыканию ключа 1 и завершению цикла записи (перевода мемристора в низкоомное состояние). В этот момент мемристор 13 окажется в низкоомном состоянии с заданным значением сопротивления, равным сопротивлению резистора 7. Важным является то обстоятельство, что даже в случае наличия в процессе переключения мемристора 13 изменений величины напряжения, создаваемого источником 1, неизбежно возникающих в любом реальном приборе вследствие шумов, наводок от соседних приборов или иных причин, итоговое значение сопротивления мемристора 13 в низкоомном состоянии (которое возникнет после окончания работы схемы) не изменится, поскольку вместе с изменением напряжения, создаваемого источником 1, будет изменяться и напряжение на выходе резистивного делителя 5. Точно так же на итоговое значение сопротивления мемристора 13 в низкоомном состоянии не будут влиять долговременные изменения, происходящие внутри мемристора 13 в результате многочисленных процессов чтения-записи в ходе работы мемристора 13, как это было бы в случае, если бы состояние мемристора 13 отслеживалось по измерению заряда, протекшего через мемристор 13.
Аналогичным образом происходит переключение мемристора 13 из низкоомного состояния в высокоомное, для чего на него подается отрицательное напряжение с помощью источника 2 (источник 1 при этом отключен). Момент размыкания ключа 2 определяется условием выравнивания напряжений на входах компаратора 12, которое выполнится при снижении величины сопротивления мемристора 13 до значения, равному сопротивлению резистора 9.
При этом повышение по технологичности обеспечения стабильной работы мемристора 13 устройства для его переключения - установки величины сопротивления мемристора 13 в высокоомном или низкоомном состоянии в сравнении с обеспечением контрольной величины напряжения мемристора в описании группы изобретений по патенту US 9837147 достигается в результате выбора в качестве контролируемой величины непосредственно сопротивления мемристора 13 (а не протекшего через мемристор по указанному американскому патенту заряда), а в качестве контрольных величин -сопротивлений резисторов 7 и 9. Такой выбор позволяет устранить зависимость сопротивления мемристора 13 в высокоомном и низкоомном состояниях от стабильности источника напряжения (вследствие независимости величин сопротивления резисторов 7 и 9 от поданного на них напряжения), а так же от предыстории работы мемристора 13 без необходимости проведения предварительных измерений зависимости сопротивления мемристора 13 от протекшего через него заряда (что исключает из состава устройства дополнительные блоки, требуемые для проведения таких измерений, повышая таким образом его технологичность), а так же без необходимости проведения подстройки контрольного напряжения при изменении напряжения импульсов, подаваемых для переключения мемристора 13 (что так же повышает технологичность устройства за счет исключения из него блоков подстройки контрольного напряжения).
А исключение необходимости использования измерительных приборов для получения информации о зависимости сопротивления мемристора от прошедшего через него заряда в описании группы изобретений по патенту US9837147 упрощает схемотехническую реализацию устройства для осуществления предлагаемого способа.
При этом в примере осуществления предлагаемого способа для переключения мемристора 13, имеющего структуру Au / Та (8 нм) / ZrO2 (12 мол.% Y2O3, 10 нм) / ТаОх (10 нм) / TiN / Ti, при х, имеющем величину от 2.0 до 2.5, измеряют текущую величину его сопротивления, которую сравнивают с помощью компаратора 11 или 12 с величиной сопротивления резистора 7, задающей значение сопротивления мемристора 13 в низкоомном состоянии и равной 1 КОм, или величиной сопротивления резистора 9, задающей значение сопротивления мемристора 13 в высокоомном состоянии и равной 100 КОм, и одновременно подают от источников 1 или 2 прямоугольный импульс с постоянной амплитудой не менее 3 В, с полярностью, соответственно положительной или отрицательной и длительностью в пределах интервала величин от 10 не до 10 мс в зависимости от наступления момента равенства измеряемого текущего сопротивления мемристора 13 с указанными величинами сопротивления мемристора 13 в низкоомном или высокоомном состоянии.
Сопротивление резисторов 8, 10 и 14 составляет в данном примере 50 КОм.
С целью проверки работоспособности предлагаемого способа было проведено математическое моделирование с использованием САПР Cadence, в результате которого мемристор 13 переводился в состояние с низким сопротивлением, равным 1 КОм, и в состояние с высоким сопротивлением, равным 100 КОм, с ошибкой, не превосходящей 1%.
Сопротивления ключей 1 и 2 в замкнутом состоянии составляло 100 Ом, в разомкнутом - 1 ГОм.
Обоснование разницы в физическом механизме переключения мемристора в заявляемой группе изобретений и группе изобретений по патенту US 9837147.
Впервые понятие мемристора ввел Леон Чуа в 1971 году в работе (L.O. Chua, Memristor-the missing circuit element. IEEE Trans. Circuit Theory. 18, 507-519 (1971)). В соответствии с данным им определением электрическое сопротивление мемристора определяется зарядом q, прошедшим через мемристор. Если известно, какой ток I(t) (где t - это текущее время) протекал через мемристор в течение некоторого времени, то заряд, прошедший через мемристор к моменту времени Т, можно, по определению, записать как интеграл:
Таким образом, зная этот интеграл, можно определить величину электрического сопротивления мемристора. Но все это верно лишь для идеального мемристора, введенного Чуа. Реальные современные электронные компоненты, называемые мемристорами, в действительности являются так называемыми мемристивными системами, которым присущи некоторые (но не все) из свойств идеального мемристора (см., например, обзор на английском языке автора Daniele lelmini «Resistive switching memories based on metal oxides: mechanisms, reliability and scaling» - Semicond. Sci. Technol. 2016, v. 31, №063002). Для реальных электронных компонентов точный вид зависимости электрического сопротивления от прошедшего через них заряда неизвестен. Более того, электрическое сопротивление таких мемристивных систем зависит не только от заряда, но и от других факторов, и сам вид зависимости может меняться со временем.
В описании группы изобретений по патенту US 9837147 нет информации о том, как следует получать напряжение мемристора («memristor voltage»), это понятие введено без точного определения. Однако описан детектор - устройство для получения этого напряжения. Устройство представляет собой конденсатор, включенный последовательно с мемристором. Ток, протекающий через мемристор, заряжает конденсатор, напряжение на котором пропорционально заряду, накопленному на обкладках конденсатора. Этот заряд определяется по формуле (1). Таким образом, измеряя напряжение на конденсаторе, можно получить информацию о заряде, который накопился на его обкладках, пройдя сквозь мемристор. А зная заряд, прошедший через мемристор, можно узнать и сопротивление мемристора. Такова логика устройства, предложенного в патенте US 9837147. Использовать такое устройство на практике можно лишь при условии того, что известна точная зависимость сопротивления мемристора от прошедшего через него заряда. Однако, как уже было сказано выше, в общем случае такая зависимость неизвестна, более того, даже если ее предварительно измерить, это не решит проблему, поскольку зависимость эта меняется со временем. Поэтому в заявляемой группе изобретений отсутствует измерение заряда, прошедшего через мемристор 13, и вычисление сопротивления мемристора 13 по измеренной величине заряда, а происходит измерение сопротивления мемристора 13 напрямую. Измерение сопротивления основывается на определении сопротивления как величины, равной отношению падения напряжения на мемристоре 13 к току, протекающему через этот мемристор. При использовании в резистивных делителях 5, 6 и 15 одинаковых резисторов 8, 10 и 14, автоматически обеспечивается равенство токов, протекающих через делители 5 и 15 (или через делители 6 и 15 - в зависимости от того, происходит переключение мемристора 13 в низкоомное или в высокоомное состояние соответственно) в тот момент, когда сравниваются напряжения, подаваемые на вход компаратора 11 (или12 - для переключения в высокоомное состояние). Таким образом, в тот момент, когда напряжения, подаваемые на компаратор 11 (или 12), сравняются, будет известно, что электрическое сопротивление мемристора 13 стало равным электрическому сопротивлению резистора 7 (или резистора 9). Поскольку величина сопротивления резисторов 7 или 9 не зависит от напряжений, создаваемых источниками 1 или 2, не будет от этого напряжения зависеть и сопротивление мемристора 13, переведенного в высокоомное или низкоомное состояние.
Причем в отличие от способа по патенту US 9837147 в предлагаемом способе для записи логической «1» или логического «0» в мемристор 13 используют импульсы напряжения с постоянной фиксированной амплитудой и с переменной длительностью, величина которой определяется временем, которое потребуется мемристору 13 для перехода в высокоомное или в низкоомное состояние. Алгоритм процедуры записи в таком устройстве выглядит следующим образом:
1) Пусть мемристор 13, находящийся в низкоомном состоянии, требуется перевести в высокоомное состояние. Для этого подадим на него импульс напряжения отрицательной полярности -U, длительность которого будем определять по изменению сопротивления мемристора 13 в процессе подачи импульса напряжения. Поскольку в начальный момент времени мемристор 13 находится в низкоомном состоянии, его сопротивление меньше величины сопротивления резистора 9, следовательно, напряжение на неинвертирующем входе компаратора 12, равное в соответствии с законом Ома -U*r/(R13+r) будет меньше, чем напряжение на инвертирующем входе компаратора 12, равное -U*r/(R9+r) (здесь r - это величина сопротивления идентичных резисторов 8, 10 и 14, R9 - сопротивление резистора 9, a R13 - текущее сопротивление мемристора 13). При подаче на мемристор 13 импульса напряжения отрицательной полярности сопротивление мемристора 13 начнет расти. Поскольку процесс роста сопротивления мемристора 13 имеет сложную стохастическую природу, предсказать заранее длительность импульса напряжения, по истечении которого величина сопротивления мемристора 13 достигнет требуемого для высокоомного состояния значения Rmax, крайне сложно. В связи с этим в данном изобретении предлагается во время подачи импульса напряжения проводить непрерывное измерение сопротивления мемристора 13. Как только значение этой величины достигнет значения Rmax, где Rmax - требуемое значение сопротивления мемристора 13 в высокоомном состоянии, равное сопротивлению резистора 9, напряжение на выходе компаратора 12 изменится, ключ 4 разомкнется, прекратив подачу импульса напряжения положительной полярности на мемристор 13. Таким образом, мемристор 13 будет переведен в высоокомное состояние с заранее заданным фиксированным значением сопротивления, равным сопротивлению резистора 9 и независящем от величины напряжения, создаваемым источником 2, используемым для переключения состояния мемристора 13.
2) Пусть теперь мемристор 13, находящийся в высокоомном состоянии, требуется перевести в низкоомное состояние. Для этого подадим на него импульс напряжения положительной полярности +U, длительность которого так же будем определять по изменению величины сопротивления мемристора 13 в процессе подачи импульса напряжения. Поскольку теперь в начальный момент времени мемристор 13 находится в высокоомном состоянии, его сопротивление выше, чем сопротивление резистора 7, следовательно, напряжение на неинвертирующем входе компаратора 11, равное в соответствии с законом Ома U*r/(R13+r) будет ниже, чем на инвертирующем входе компаратора 11, равное U*r/(R7+r) (здесь R7 - сопротивление резистора 7). При подаче на мемристор 13 импульса напряжения положительной полярности сопротивление мемристора 13 начнет уменьшаться. В тот момент, когда сопротивление мемристора 13 снизится до величины, равной сопротивлению резистора 7, напряжение на выходе компаратора 11 изменит свое значение, разомкнув ключ 3. Таким образом, в результате данной процедуры мемристор 13 будет переведен в низкомное состояние с заранее заданным фиксированным значением сопротивления Rmin, равным сопротивлению резистора 7, независящем от величины напряжения, создаваемым источником 1, используемым для переключения состояния мемристора 13.
Таким образом, в предлагаемом изобретении контролируется длительность импульса напряжения фиксированной амплитуды, подаваемого на мемристор 13, для перевода его в одно из двух логических состояний - с низким и с высоким сопротивлением. Такой контроль обеспечивает снижение разброса значений сопротивления мемристора 13 (по сравнению со случаем, когда для переключения мемристора 13 используется подача импульсов напряжения фиксированной длительности) за счет использования системы контроля текущего сопротивления мемристора 13, а также независимость получаемых значений сопротивления мемристора 13 в высокоомном и низкоомном состояниях от амплитуд подаваемых на него импульсов и от предыстории работы мемристора 13.
Точность установки значений сопротивления мемристора 13 определяется соотношением времени переключения мемристора 13 и времени срабатывания компаратора 11 или 12. При изготовлении предлагаемого устройства в качестве интегральной микросхемы время срабатывания компаратора 11 или 12 составит 1-10 не, при этом типовое время переключения мемристора 13, имеющего структуру Au / Та (8 нм) / ZrO2 (12 мол.% Y2O3,10 нм) / ТаОх (10 нм) / TiN / Ti, при х, имеющем величину от 2.0 до 2.5, составляет 1 мкс и более. Таким образом, время срабатывания компаратора 11 или 12 меньше времени переключения мемристора 13 более чем в 100 раз. При таком отношении указанных времен средняя величина разброса значений сопротивления меммристора 13 в высокоомном или в низкоомном состоянии при использовании предлагаемого устройства составит не более 1-2%.
Claims (4)
1. Способ управления работой мемристора, включающий измерение текущей величины сопротивления мемристора, сравнение ее с задаваемыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии и одновременная с указанными операциями подача на мемристор импульса напряжения с постоянной по величине амплитудой, достаточной для его переключения, полярностью, соответствующей направлению переключения, и длительностью, определяемой временем действия указанного импульса до наступления момента, по меньшей мере, равенства измеряемого текущего сопротивления мемристора с задаваемыми величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии для обеспечения в этот момент переключения мемристора в одно из указанных состояний.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для переключения мемристора, имеющего структуру Au / Та (8 нм) / ZrO2 (12 мол.% Y2O3, 10 нм) / ТаОх (10 нм) / TiN / Ti, при х, имеющем величину от 2.0 до 2.5, измеряют текущую величину его сопротивления, которую сравнивают с величиной сопротивления мемристора в высокоомном состоянии 100 КОм или величиной сопротивления мемристора в низкоомном состоянии 1 КОм и одновременно подают прямоугольный импульс с постоянной амплитудой не менее 3 В, с полярностью, положительной или отрицательной для переключения мемристора, соответственно в высокоомное или низкоомное состояние, и длительностью в пределах интервала величин от 10 нс до 10 мс в зависимости от наступления момента равенства измеряемого текущего сопротивления мемристора с указанными величинами сопротивления мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирование импульсов напряжения, подаваемых на мемристор для его переключения, производят в автоматическом режиме.
4. Устройство для управления работой мемристора в соответствии со способом по п. 1 или 3, содержащее два источника постоянного напряжения с противоположной друг к другу полярностью, два ключа, два резистивных делителя и два компаратора, образующие по одному две группы элементов для переключения мемристора в высокоомное или низкоомное состояние, причем в каждой указанной группе ключ соединен своим входом с источником постоянного напряжения и управляющим входом с выходом компаратора и своим выходом с первым электродом мемристора, а резистивный делитель соединен своими первым входом с источником постоянного напряжения и вторым входом с землей и своим выходом с инвертирущим входом компаратора, при этом ко второму электроду мемристора подсоединен резистор, образующий с мемристором, выполняющим функцию второго резистивного плеча, дополнительный резистивный делитель, выход которого подключен к неивертирующим входам обоих компараторов в указанных группах, а входящие в состав обоих резистивных делителей в указанных группах резисторы с их подключением к соответствующим источникам постоянного напряжения имеют сопротивления, равные сопротивлениям мемристора в высокоомном или низкоомном состоянии.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019140968A RU2737794C1 (ru) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления |
| PCT/RU2020/050369 WO2021118415A1 (ru) | 2019-12-10 | 2020-12-08 | Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019140968A RU2737794C1 (ru) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2737794C1 true RU2737794C1 (ru) | 2020-12-03 |
Family
ID=73792410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019140968A RU2737794C1 (ru) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2737794C1 (ru) |
| WO (1) | WO2021118415A1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114117810A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 杭州电子科技大学 | 一种通用多值忆阻器的建模方法 |
| RU2795273C1 (ru) * | 2022-12-21 | 2023-05-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" | Устройство программирования резистивных состояний мемристорных элементов |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2573207C2 (ru) * | 2010-06-18 | 2016-01-20 | Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик | Магнитоэлектрическое запоминающее устройство |
| US9343145B2 (en) * | 2008-01-15 | 2016-05-17 | Micron Technology, Inc. | Memory cells, memory cell programming methods, memory cell reading methods, memory cell operating methods, and memory devices |
| US9837147B2 (en) * | 2014-04-30 | 2017-12-05 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Regulating memristor switching pulses |
| US9847128B2 (en) * | 2014-06-20 | 2017-12-19 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Memristive memory cell resistance switch monitoring |
| RU2643650C1 (ru) * | 2017-04-05 | 2018-02-02 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" | Логическая матрица на основе мемристорной коммутационной ячейки |
| RU2706197C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-11-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Способ управления работой мемристивной конденсаторной структуры металл-диэлектрик-полупроводник |
-
2019
- 2019-12-10 RU RU2019140968A patent/RU2737794C1/ru active
-
2020
- 2020-12-08 WO PCT/RU2020/050369 patent/WO2021118415A1/ru active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9343145B2 (en) * | 2008-01-15 | 2016-05-17 | Micron Technology, Inc. | Memory cells, memory cell programming methods, memory cell reading methods, memory cell operating methods, and memory devices |
| RU2573207C2 (ru) * | 2010-06-18 | 2016-01-20 | Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик | Магнитоэлектрическое запоминающее устройство |
| US9837147B2 (en) * | 2014-04-30 | 2017-12-05 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Regulating memristor switching pulses |
| US9847128B2 (en) * | 2014-06-20 | 2017-12-19 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Memristive memory cell resistance switch monitoring |
| RU2643650C1 (ru) * | 2017-04-05 | 2018-02-02 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" | Логическая матрица на основе мемристорной коммутационной ячейки |
| RU2706197C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-11-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Способ управления работой мемристивной конденсаторной структуры металл-диэлектрик-полупроводник |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114117810A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 杭州电子科技大学 | 一种通用多值忆阻器的建模方法 |
| RU2795273C1 (ru) * | 2022-12-21 | 2023-05-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" | Устройство программирования резистивных состояний мемристорных элементов |
| RU2814564C1 (ru) * | 2022-12-29 | 2024-03-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Способ переключения мемристора |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021118415A1 (ru) | 2021-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Characterizing endurance degradation of incremental switching in analog RRAM for neuromorphic systems | |
| US20030067797A1 (en) | Resistive memory element sensing using averaging | |
| TW201717203A (zh) | 用於監控相關電子開關的電路及方法 | |
| US9196380B2 (en) | Method for measuring data retention characteristic of resistive random access memory device | |
| Le et al. | RADAR: A fast and energy-efficient programming technique for multiple bits-per-cell RRAM arrays | |
| DE102011083180A1 (de) | Auslesungsverteilungsverwaltung für Phasenwechselspeicher | |
| DE10134635C1 (de) | Widerstandsmessschaltung | |
| RU2737794C1 (ru) | Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления | |
| CN106981301B (zh) | 半导体装置与其补偿方法 | |
| US9640238B2 (en) | Data generating device and data generating method | |
| DE102017223535A1 (de) | Verfahren und Batteriesensor zur Ermittlung eines Laststroms | |
| Grossi et al. | Relationship among current fluctuations during forming, cell-to-cell variability and reliability in RRAM arrays | |
| WO2020068121A1 (en) | Charge metering circuit for memristor | |
| JP4298827B2 (ja) | 少なくとも１つの電流調整段の監視方法及び少なくとも１つの電流調整段の監視用装置 | |
| KR101979536B1 (ko) | 직렬 연결 배터리팩에 대한 저항정보기반 soh 추정방법 | |
| Mokhtar et al. | Write and read circuit for memristor analog resistance switching | |
| Liu et al. | Optimizing incremental step pulse programming for RRAM through device–circuit co-design | |
| DE112012000372T5 (de) | Programmieren von Phasenwechselspeicherzellen | |
| CN108572273B (zh) | 低电流测量电路及其测量方法 | |
| DE10255665A1 (de) | Schaltung und Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer elektrischen Kenngrößen einer integrierten Schaltung | |
| TWI595486B (zh) | 電阻式記憶胞的寫入方法及電阻式記憶體 | |
| US11482295B2 (en) | Testing magnetoresistive random access memory for low likelihood failure | |
| Bunnam et al. | An excitation time model for general-purpose memristance tuning circuit | |
| CN108335713A (zh) | 半导体存储器装置及其操作方法 | |
| US20200005867A1 (en) | Method for programming a resistive random access memory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20210624 |