【摘 要】憶阻器作為推動(dòng)信息時(shí)代快速發(fā)展的因素之一，給電子行業(yè)帶來了新的發(fā)展契機(jī)，其發(fā)生、發(fā)展的整個(gè)過程都非常具有代表性，并且未來發(fā)展方向也是值得深入研究的，本文針對(duì)憶阻器的發(fā)生及特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及材料、應(yīng)用途徑進(jìn)行分析，并對(duì)憶阻器在未來如何發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】憶阻器 電子技術(shù) 存儲(chǔ)功能

科技飛速發(fā)展的時(shí)代下，信息傳遞是影響社會(huì)發(fā)展的重要元素之一，海量的信息存儲(chǔ)及快速處理等需求推動(dòng)電子行業(yè)的快速發(fā)展。憶阻器作為一種有記憶功能的非線性電阻，帶來了電子電路的結(jié)構(gòu)體系、原理、設(shè)計(jì)理論的巨大變革，是繼電阻、電容、電感之后的第四種無源基本電路元件，為電子技術(shù)中存儲(chǔ)功能的進(jìn)一步提高提供了基礎(chǔ)。

一、憶阻器的發(fā)生及特點(diǎn)

（一）憶阻器的發(fā)生

1971年，科學(xué)家蔡紹棠通過研究發(fā)現(xiàn)電壓、電流、電荷、磁通（v，i，q，φ）這四種變量之間，兩兩之間組合成的六種關(guān)系中，有5個(gè)是已知的，只有q，φ之間的關(guān)系尚不明確，蔡紹棠根據(jù)對(duì)稱性的原理提出了第4種無源基本電路元件存在，將這第4種基本電路元件命名為憶阻器，憶阻值M與電荷q、φ之間的關(guān)系為：dφ=M（q）dq。

2008年惠普公司成功發(fā)明了具有典型特征的固態(tài)憶阻器，自此證明了科學(xué)家蔡紹棠提出的第4中基本電路元件存在，在惠普公司的發(fā)展史上，憶阻器的發(fā)明帶來了新的變革空間，主要應(yīng)用于電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論等方面。

（二）憶阻器和其他基本電路元件的關(guān)系

無源電路元件集是由憶阻器（M）、電容（C）、電阻（R）和電感（R）一起組成的。四種電量之間分別由這四種電路元件來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，四種電路之間不可以相互替代，不可相互模擬。C、L與憶阻器相比較，雖然是動(dòng)態(tài)元件，都有記憶功能，但是前兩者在實(shí)用中存儲(chǔ)的能量泄放的很快，憶阻器則在撤掉電流以后，能一直保持憶阻值，憶阻器具有非易失特性。M和R的比較，當(dāng)憶阻值M為常量時(shí)，和電阻R是等同的，而R又不具備憶阻器的憶阻滯回特性，憶阻滯回特性應(yīng)用于開關(guān)電路中，可以替代存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)器被非易失的阻性隨機(jī)訪問。

（三）憶阻器和有源器件的比較

憶阻器屬于無源電路元件，但是它可以用有源和無源器件混合組成的電路來模擬，這說明了憶阻器在一定因素影響下可以具有有源器件的某些功能。但是憶阻器并不能完全取代晶體管，因?yàn)閼涀杵鳟吘箤儆跓o源電路元件，晶體管能量控制作用，因?yàn)閼涀杵魉痪邆渚w管能量控制的有源特性。

（四）憶阻器和二極管的比較

憶阻器和二極管的共同點(diǎn)是都是非線性的器件，不同點(diǎn)是二極管沒有記憶的能力。二極管可以組成ROM存儲(chǔ)矩陣，其存儲(chǔ)原理是通過邏輯陣列完成邏輯關(guān)系，而憶阻器本身即可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此憶阻器可用作非易失隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器NVRAM。

二、憶阻器的材料及結(jié)構(gòu)

（一）憶阻器制作材料

有機(jī)材料中有些具有憶阻特性，但目前使用的憶阻材料更傾向于無機(jī)固體材料。近年來多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，有機(jī)材料制作的憶阻器，對(duì)高溫不耐受，敏感度較高，其性能不太穩(wěn)定。具有憶阻特性的材料類型主要有：有機(jī)薄膜、硫化物、金屬氧化物，特別是TiO2 以及各種鈦礦化合物等。影響憶阻器材料選用及采用的因素包括成本、性能等，稀有、貴重的材料價(jià)格必然會(huì)很高，不能廣泛的應(yīng)用于實(shí)際中，在材料的選用上還要考慮是否能與集成電路工藝兼容。充分考慮各項(xiàng)影響因素后，再進(jìn)行選用，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低制作成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍?？馆椛淠芰σ彩悄壳斑x用材料的特性之一，傳統(tǒng)的晶體管抗輻射能力較低，憶阻器的制作材料具有更強(qiáng)的抗輻射能力。目前磁性存儲(chǔ)器（MRAM）、鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）、Si+Ag混合材料存儲(chǔ)器件和金屬氧化物存儲(chǔ)器（CMORAM）等是比較成功具有憶阻特性的器件。

（二）憶阻器的結(jié)構(gòu)

薄膜結(jié)構(gòu)是憶阻器空間結(jié)構(gòu)主要采用的結(jié)構(gòu)，憶阻特性在器件尺寸較小的前提下，發(fā)揮的越明顯；憶阻器本身的結(jié)構(gòu)可以做到幾nm尺寸，這一點(diǎn)與MOS器件相比較，MOS管就很難做到或不能做到；憶阻器的空間結(jié)構(gòu)和集成電路兼容性好，從而使成本得到了合理控制，加快了憶阻器的應(yīng)用速度，發(fā)揮了憶阻器在電子行業(yè)發(fā)展中的商業(yè)作用。

（三）憶阻器的種類

自2000年以來，多種材料制作的新型憶阻器件被研究成功，都具有非易失的憶阻器特性，主要有相變存儲(chǔ)器、磁性存儲(chǔ)器、復(fù)雜金屬氧化物存儲(chǔ)器件、鐵電存儲(chǔ)器、硅和銀合金薄膜存儲(chǔ)器件、惠普實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的TiO2薄膜器件（目前非常受關(guān)注）。憶阻器在存儲(chǔ)器及模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

三、憶阻器的各種應(yīng)用途徑

（一）憶阻器在存儲(chǔ)器中的應(yīng)用

非易失的記憶能力是憶阻器的特性，因此憶阻器在存儲(chǔ)器中的作用最為顯著，憶阻器是基本的存儲(chǔ)單元，體積和功耗都比較小，是傳統(tǒng)單元所不能達(dá)到的。

第一個(gè)基于輪烷有機(jī)分子的納米交叉結(jié)構(gòu)阻變存儲(chǔ)單元，是2003年惠普實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)洛杉磯分校合作通過壓印方法制備出來的，是納米交叉結(jié)構(gòu)的阻變存儲(chǔ)器進(jìn)入電子行業(yè)的開端。

（二）憶阻器在模擬電路中的應(yīng)用

憶阻器的非易失記憶能力在模擬電路中也帶來了新的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的電子器件中如二極管、晶體管、熱敏電阻等都不具備憶阻器的特性，這些電子器件結(jié)合憶阻器構(gòu)成了新型的混合電路，隨之也出現(xiàn)了模擬電路的某些新功能及新特性，使電路功能更加先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更多的電路功能，如非常規(guī)波形發(fā)生器和混沌振蕩器等。

（三）憶阻器在人工智能計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

憶阻器的主要功能是有記憶的能力，除此之外憶阻器還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，這一功能可以把數(shù)據(jù)處理模塊與存儲(chǔ)電路模塊結(jié)合在一起，從而改變傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)，帶來計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的重組，為計(jì)算機(jī)體系的發(fā)展帶來了新的動(dòng)力。

1.憶阻器數(shù)據(jù)寫入

通過在憶阻器兩端施加超過其閾值的電壓，便會(huì)使其處于導(dǎo)通或關(guān)斷的狀態(tài)，從而完成憶阻器的置位操作，在此基礎(chǔ)上通過施加不同信號(hào)，來完成憶阻器的寫操作。這種給憶阻器兩端直接施壓的方式，優(yōu)點(diǎn)是直接方便，但是缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)榧{米憶阻器電阻值及其他相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布往往呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)正態(tài)分布，每次寫操作完成后存儲(chǔ)單元的憶阻模擬狀態(tài)變量便會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)現(xiàn)象，影響RRAM可靠性和持續(xù)讀寫性，也會(huì)影響存儲(chǔ)單元中高阻態(tài)之間的電阻差距。解決這些問題的方法是在2010年Huang等人提出的一個(gè)反饋系統(tǒng)，通過運(yùn)算放大器可以持續(xù)給憶阻器施加電壓，使得憶阻器能夠較穩(wěn)定處于所需要狀態(tài)?；萜諏?shí)驗(yàn)室于2011年設(shè)計(jì)出更加完備的閉環(huán)反饋電路用于數(shù)據(jù)寫入，確保了憶阻器兩端電壓的穩(wěn)定性，提高了數(shù)據(jù)寫入的可靠性。

2.憶阻器的數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)讀取與數(shù)據(jù)寫入有很大的相似之處，施加相同電壓，不同狀態(tài)間阻值相差較大的原因?qū)е码娏鞑罹噍^大。與數(shù)據(jù)寫入的區(qū)別是憶阻器連段施加的電壓不能超過閾值，在不改變憶阻器的狀態(tài)下，通過流經(jīng)存儲(chǔ)陣列的負(fù)荷電阻的電流來判斷憶阻器的存儲(chǔ)數(shù)值。也可以運(yùn)算放大器來輔助讀取數(shù)據(jù)。

3.憶阻器在模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

在模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，突觸功能一般可由軟件和硬件來完成，軟件和硬件相比較軟件完成的速度較慢、整體效率較低，很少被采用。硬件一般通過模擬電路、模數(shù)混合電路和數(shù)字電路來完成。目前，憶阻器的功能是相對(duì)于其他器件最接近神經(jīng)元突觸的電子器件，因此在構(gòu)筑模擬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，憶阻器與以上其他實(shí)現(xiàn)方式相比較，是最先進(jìn)、最好的一種實(shí)現(xiàn)方式，為模擬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著巨大的推動(dòng)性作用。

4.憶阻器帶來的變革

憶阻器與其他各類基本電子器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，最為突出的是其非易失特性，這一特性導(dǎo)致電路組成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)重大的變革，并且工作原理也隨之發(fā)生改變。電子電路設(shè)計(jì)理論及開發(fā)工具針對(duì)憶阻器的特性而做出改變，在目前電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化開發(fā)工具非常成熟的基礎(chǔ)上，不同種類憶阻器件首先要建立器件模型，把器件模型加入模型庫后便可以投入使用。憶阻器帶來的各項(xiàng)變革中，也存在著比較難點(diǎn)的問題，表現(xiàn)為電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，必須構(gòu)建新型的電路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論及工作原理，這是憶阻器變革中的巨大挑戰(zhàn)，也是今后研究的主要內(nèi)容之一。

四、憶阻器研究難點(diǎn)

憶阻器在存儲(chǔ)功能方面的發(fā)展是目前研究的方向之一，在生產(chǎn)工藝改進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量提高、憶阻器在工業(yè)中的應(yīng)用、讀寫功能滿足計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)要求等等問題都是目前憶阻器研究中的難點(diǎn)問題，也是亟待解決的問題。納米級(jí)器件制備采用的各項(xiàng)技術(shù)，如納米壓印、溶液制備、電子束光刻技術(shù)等在實(shí)際中效果并不理想，開關(guān)比較小，制備工藝的改進(jìn)直接影響到存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度及良率，憶阻器性能怎樣有效提高，如何提高讀寫速度，憶阻器怎樣滿足計(jì)算機(jī)對(duì)速度和穩(wěn)定性的各項(xiàng)要求，這都是今后研究的重點(diǎn)。

五、展望

作為基本電路元件，憶阻器在未來將會(huì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、技術(shù)操作等方面發(fā)揮巨大的作用，器件模型的研究也將會(huì)更加適應(yīng)實(shí)際電路需求，在促進(jìn)電子產(chǎn)品發(fā)展的同時(shí)開發(fā)更多的應(yīng)用電子技術(shù)。逐漸普及憶阻器的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大憶阻器的特殊用途范圍，通過其特殊優(yōu)勢(shì)及功能得到電子市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。目前憶阻器的很多應(yīng)用途徑需要進(jìn)一步開發(fā)及完善。在未來憶阻器一定會(huì)成為電子器件的優(yōu)化產(chǎn)品，滿足電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)各項(xiàng)要求：速度快、功耗低、密度高、體積小及功能強(qiáng)、成本低、環(huán)保等。憶阻器很可能滿足以上所有特點(diǎn)，為電子電路發(fā)展貢獻(xiàn)巨大的力量。

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作者簡介：

賈存華（1966年8月出生），男，河北省邯鄲，總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗(yàn)所工程師，大學(xué)本科學(xué)歷。主要從事計(jì)算機(jī)、通信自動(dòng)化工作。