بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
کاربرد ممريستوردرحافظه هاي غيرفراروپياده سازي گيت هاي منطقي
چکيده :
ممريستورکه به عنوان چهارمين عنصرپايه مداربعدازمقاومت ،خازن وسلف معرفي شده است ،يک قطعه دوپايانه اي است که درابعادمقياس نانوساخته شده ومقاومت آن به دامنه ،پلاريته ومدت زمان ولتاژاعمال شده به آن بستگي دارد. منحني هيسترتيک جريان _ولتاژدرممريستورباعث مي شودتااين عنصربتواندبه عنوان يک حافظه مقاومتي غيرفرارعمل کرده و اطلاعات راتازماني که ولتاژي بامقداروپلاريته متفاوتي به آن اعمال شودحتي تايک سال بعدبه يادآورد. ممريستورمي تواندجايگزين بسياري ازترانزيستورهادربعضي ازمدارات شده وجاي کمتري اشغال کند. دراين تحقيق به بررسي تئوري ممريستوروکاربردآن به عنوان حافظه غيرفرار ونيزپياده سازي عمليات منطقي به شکل عنصرنگهدارنده پرداخته شده است .
کلمات کليدي : RRAM،memory resistor،memristor،crossbar
ا- مقدمه
در سال های اخیر حافظه های غیر فرار به طور گسترده به کار رفته اند. برای مثال حافظه فلش جریان اصلی از حافظه غیر فرار می باشد و در هر جایی از زندگی روزمره ما یافت می شود. به هر حال حافظه فلش دارای مشکلاتی از قبیل ولتاژ عملکرد بالا و سرعت کار پایین می باشد که نیازمندی های یک حافظه غیر فرار کامل را بر آورده نمی کند. علاوه بر آن قانون مور" که مربوط به افزایش چگالی ترانزیستورها در هر دو سال می باشد در سال های آتی به پایان خود خواهد رسید و مواد و تکنولوژی های موجود در صنعت نیمه هادی در حال رسیدن به محدودیت های فیزیکی خود می باشند. لذا در طراحی الکترونیک تأکید بر این است که در کنار بر قراری قانون مور، به سمت قطعاتی بروند که نه تنها اندازه بی نهایت کوچک در حد نانو دارند بلکه توانا نیز باشند. بنابر این گسترش انواع سلول های حافظه مقیاس نانو در حافظه های غیر فرار ضروری می باشد. بر این اساس ابداعات بسیاری از حافظه های غیر فرار مانند حافظه های دسترسی رندم فرو الکترونیک FeRAM، حافظه دسترسي رندم مغناطيسي MRAMو حافظه دسترسي رندم مقاومتي RRAM مورد بررسي قرار گرفته اند. در ميان اين حافظه هاي غيرفرار، RRAM به علت خواندن بدون خطا، ولتاژ عملکرد پايين ، سرعت بالا، زمان نگهداري طولاني ، ساختار ساده و اندازه بسيار کوچک در حد مقياس نانو نقش بسيارمهمي ايفامي کند[١].
در سال ١٩٧١ ميلادي لئون چوآ٦نشان داد يک عنصر مداري دوپايانه اي جديدبه نام ممريستوروجودداردکه توسط رابطه اي بين شارالکتريکي وبارتوصيف مي شود. اين عنصربه عنوان چهارمين عنصرپايه مداربعداز مقاومت ، خازن و سلف معرفي شد[٢] . در سال ١٩٧٦ ميلادي چوآ مفهوم ممريستور را به دسته وسيعي از سيستم هاي غيرخطي به نام سيستم هاي ممريستيوبسط داد[٣] . در سال ٢٠٠٨ ميلادي آر.استنلي ويليامز٧ به همراه گروه تحقيقاتي خود در آزمايشگاه 8HP قطعه ممريستور را براساس فيلم نازک TiO٢ ساخت و براي اولين باريک مدل فيزيکي پايه براساس معادلات رياضي که چوآدرسال ١٩٧١ ارائه داده بودمعرفي کرد 4]].در سال ٢٠٠٩ نيز مدل هاي مداري متفاوتي براساس مدل ممريستور ارائه شده توسط گروه تحقيقاتي آزمايشگاه HP طراحي شده اند[٧،٦،٥] . ممريستور٩که يک قطعه دوپايانه اي است ،درابعادمقياس نانوساخته مي شودو مقاومت آن به دامنه ، پلاريته ومدت زمان ولتاژبه کار رفته شده در آن بستگي دارد. وقتي ولتاژ قطع شود ممريستورآخرين مقاومت ايجاد شده درخودراتا زماني که ولتاژي با مقدار و پلاريته متفاوتي به آن اعمال شود حتي تا يک سال بعد به ياد مي آورد. از آنجايي که محمفرظ يستموير نومضايعديت ، قمبيلتيواندخوبه د رطاورحتنايمحپدس ودازاطقلاطعع ات توارن ا ذخيره کرده وفقط زماني که مي خواهيم اطلاعات را از آن بخوانيم انرژي مصرف کند. اين قطعه مي تواند جايگزين بسياري ازترانزيستورهادربعضي ازمدارات شده وجاي کمتري اشغال کند. قابليت نگه داشتن مقادير مقاومت در ممريستور نشان مي دهد که اين قطعه مي تواندبه عنوان حافظه هاي غيرفرارمقاومتي (RRAM)به کاررود،که وقتي توان قطع شوداطلاعات درون خودرا به شکل مقاومت حفظ مي نمايد[٤].
٢ـتئوري ممريستور
طبق تعريف يک ممريستوربه وسيله رابطه مشخص مي شود. اگررابطه فوق تنهابه صورت تابعي يک متغيره ازبار(شارپيوندي ) بيان شود ممريستورراکنترل شونده بابار(کنترل شونده باشارپيوندي ) مي گويند. ولتاژ دو سرممريستورکنترل شونده با بارطبق رابطه زيربه دست مي آيد:
به طوريکه :
به طور مشابه جريان ممريستورکنترل شونده با شار از رابطه زيربه دست مي آيد:
به طوري که :
ممريستنس افزاينده ١٠ و ممداکتانس ١١ افزاينده نام دارد. ملاحظه کنيد که مقدار ممريستنس ( ممداکتانس ) افزاينده درهرزمان t0 بستگي به انتگرال زمان جريان ممريستور(ولتاژ) از دارد. ازاين رو ممريستوردريک لحظه اززمان t0 مثل يک مقاوت معمولي رفتار مي کند که مقاومت (رسانايي) آن به جريان (ولتاژ) ممريستوردرزمان گذشته وابسته است .
شکل ١نمادمداري ممريستوررانشان مي دهد [٢].
ممريستورمشخصات غيرخطي بسيارجالبي ازخودنشان مي دهد. اين مشخصات غير خطي باعث مي شود ممريستورمورد ويژه اي ازدسته وسيعي ازسيستم هاي ديناميکي به نام سيستم هاي ممريستيو باشد. در بين مشخصات سيستم هاي ممريستيو پاسخ فرکانسي شکل ليساجو١٢به ورودي سينوسي نيز جالب است .اين منحني به شکل هيسترتيک بوده و وقتي فرکانس به سمت بي نهايت افزايش مي يابد،شکل ليساجوجمع شده وبه يک خط صافي که ازمبدامي گذردتمايل دارد. اين امرنشان مي دهد اثر هيستريک در سيستم ممريستيو با افزايش فرکانس کاهش یافته و سر انجام به یک سیستم مقاومتی خالص تبدیل میشود ( شکل 2 ) [3]
شکل ٢: پاسخ فرکانسي منحني ليساجوس
٣ـ عملکرد ممريستور به عنوان حافظه مقاومتي غيرفرار
جزء اصلي در يک حافظه RRAM عنصر هيسترتيک مقاومتي با دوحالت مقاومت پايدارمي باشد. همان طور که قبلا توضيح داديم ممريستور نيز داراي چنين خصوصياتي مي باشد و مي تواند به عنوان يک حافظه RRAM به کاررود. درشکل ٣منحني Vـ I هيسترتيک مقاومتي ايده آل دريک ممريستوررامشاهده مي کنيم . با به کارگيري پالس ولتاژ مثبت بزرگ تر از ولتاژ آستانه (Vth1) مقاومت قطعه به مقدار پايين و با به کارگيري پالس ولتاژمنفي بزرگ ترازمقدارآستانه (Vth0)مقاومت قطعه به مقدار بالا سوئيچ مي کند. حالت هاي اهميک پايين و بالا به ترتيب نمايانگر منطق "١" و "٠" مي باشند. جهت خواندن بايد ازولتاژي دربين مقادير Vth0 وVth1 استفاده شود. چون در اين محدوده ولتاژ سوئيچينگ صورت نگرفته و قطعه مقاومت قبلي خود را حفظ مي کند [٨،٩].
شکل ٣: منحني Vـ I هيسترتيک مقاومتي ايده آل دريک ممريستور
ساختارهاي اصلي ممکن براي اين حافظه ها سلول ترانزيستوري (فعال ) وسلول کراس بار١٣(غيرفعال ) مي باشند.
٣ـ١ـ ساختار حافظه ممريستور بر اساس سلول ترانزيستوري (1T1M)
هر سلول حافظه ممريستور در اين ساختار از يک ترانزيستور جهت دسترسي به آن و جدا شدن از سلول هاي موجود در رديف هاي ديگر استفاده مي کند[٨] .
ساختار چنين حافظه هايي بر اساس آرايه NOR و NAND رادرشکل ٤مشاهده مي کنيم .
شکل ٤: الف ) ساختار حافظه ممريستور بر اساس سلول ترانزيستوري به شکل آرايه NOR ب ) ساختار حافظه ممريستوربراساس سلول ترانزيستوري به شکل آرايه NAND شکل ٥نحوه نوشتن "١" و "٠"منطقي درسلول آرايه NOR را نشان مي دهد. جهت نوشتن "١" منطقي در سلول ، خط بيت (BL)١٥ درولتاژ VDD قرارمي گيرد و خط صفحه (PL)١٦ به زمين وصل مي شود. سپس يک پالس به خط کلمه (WL)١٧ جهت فعال شدن ترانزيستور دسترسي اعمال مي شود (شکل ٥(الف )). جهت نوشتن "٠"منطقي همان روش قبل بايدانجام شود،بااين تفاوت که مقادير ولتاژ BL و PL با يکديگر جابجا مي شوند (شکل ٥(ب )) .
