NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC MẠCH SỐ SỬ DỤNG MEMSISTOR

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC MẠCH SỐ SỬ DỤNG MEMSISTOR Memristor Memristor từ viết tắt “memory resistor”, hay gọi điện trở nhớ Một phần tử điện trở nhớ có hai cực, trở kháng phụ thuộc vào độ lớn, chiều phân cực khoảng thời gian điện đặt lên Khi tắt điện điện trở nhớ nhớ mức trở kháng trước tắt lần bật lên Memristor coi phần tử thụ động thứ tư mạch điện điện trở, tụ điện cuộn cảm Tạo thành mối quan hệ phi tuyến điện tích liên kết từ thông, phụ thuộc vào điện áp, dòng, chiều tác động thời gian đặt lên Hiện nay, memristor hướng nhà khoa học quan tâm Đây công nghệ hứa hẹn định hướng cho công nghệ sau CMOS Trong năm 1960, Giáo sư Leon Chua, Đại học Purdue, thành lập hàm toán học cho lý thuyết mạch phi tuyến Ông cha đẻ lý thuyết mạch phi tuyến mạng lưới thần kinh tế bào Chua tìm tương quan phần tử mạch điện: R, L, C phương trình thể mối tương quan chúng thông qua đơn vị định lượng {v,q,i,} Từ bốn đơn vị định lượng ông xác định tổ hợp mối quan hệ cặp đơn vị định lượng sau (hình 1.): (,q) ; (q,v) ; (,i) ; (q,v) ; (q,i) ; (v,i) Trong đó:  (,v), (q,i) thể mối quan hệ điện từ  (v,i); (,i); (q,v) thể thông qua phần tử mạch thụ động R,L,C Hình Quan hệ tham số tạo nên linh kiện thụ động[2] Từ suy có mối quan hệ khác biệt độc lập nguyên tắc kết hợp cách tính điện tích q chảy thông qua mạch thông lượng φ mạch, dφ = M dq 2 Nguyên lý hoạt động 2.1 Cấu tạo Memristor chế tạo nhiều hãng phòng thí nghiệm, cấu tạo HP điển hình Linh kiện memristor cấu tạo từ chất bán dẫn màng mỏng chuyển đổi điện, kẹp hai điện cực kim loại Platium mô tả hình Các bán dẫn màng mỏng có chiều dài D định, bao gồm khu vực pha tạp TiO2-x khu vực chưa pha tạp TiO2 Hình 2: Cấu trúc memristor HP Bảng 1: So sánh số tham số với công nghệ memristor [7] Tham số Mật độ tích hợp Công suất Tốc độ TTL Mật độ tích hợp thấp Công suất tiêu tán cỡ 10mW Thời gian trì hoãn khoảng 10ns nên tốc độ nhanh CMOS 14nm Công suất tiêu tán cỡ 10nW 10-50 ns MEMRISTOR 10nm < 10 nW < 10 ns Họ 2.2 Nguyên lý hoạt động memristor Trước tiên ta so sánh hoạt động memristor với điện trở thường, thể hình Dong dien qua R (A) Quan he dien ap va dong dien cua R 0.04 0.02 -0.02 -0.04 -2 -1.5 -1 Dong qua memristor (A) -4 -0.5 Dien ap (V) 0.5 1.5 1.5 Quan he giua dien ap va dong cua memristor x 10 -1 -2 -2 -1.5 -1 -0.5 Dien ap (V) 0.5 Hình 3: So sánh điện trở thường memristor Đối với điện trở thường, dòng tăng điện áp tăng, ngược lại dòng giảm điện áp giảm Mối quan hệ dòng áp điện trở thường tuyến tính thể đường thẳng hình Còn memristor, dễ dàng thấy nửa chu kỳ tín hiệu dương dòng điện có trạng thái phân biệt cao thấp Lớp kép memristor gồm hai loại bán dẫn đi-ô-xít TiO2 TiO2-x mấu chốt hoạt động bật tắt linh kiện TiO2 cách điện, TiO2-x dẫn điện Do vị trí thiếu oxy có khả cho electron làm cho thân chúng có điện tích dương Phần ô-xít thiếu oxy bị đẩy lên hay xuống tùy thuộc điện áp chúng có mang điện tích Khi tác động điện áp dương lên điện cực phía linh kiện đẩy phần tử ô-xít thiếu oxy TiO2-x đến lớp TiO2 tinh khiết Quá trình biến lớp TiO2 thành TiO2-x khiến cho trở nên dẫn điện Do linh kiện chuyển sang trạng thái bật (ON-logic1) Và ngược lại, điện áp âm có tác dụng ngược lại: Các phần tử TiO2-x bị hút ngược trở lại điện cực dưới, khỏi TiO2 độ dày lớp TiO2 tăng lên linh kiện chuyển sang trạng thái tắt (OFF- logic 0) Hình 4: Trạng thái memristor Nếu gọi W độ dài lớp TiO2-x D độ dài lớp TiO2-x TiO2 Sự thay đổi W thay đổi giá trị điện trở memristor Nếu khu vực pha tạp cực đại, tức W / D = 1, tổng điện trở suất thiết bị bị chi phối vùng điện trở suất thấp, với giá trị đo RON Khi khu vực chưa pha tạp cực đại, tức W/ D = 0, trở kháng ký hiệu ROFF Có thể mở rộng phạm vi quy định RON ROFF: • 0< w(t)/DRON Ngược lại, m2 mức trở kháng RON m1 ROFF hệ số khuếch đại xấp xỉ Với điện áp đầu vào dương m2= ROFF, m1=RON ngược lại Do đó, mạch khuếch đại không đảo sử dụng memristor cho hệ số khuếch đại lớn đầu vào dương Một ứng dụng memristor sử dụng mạch dao động Hình thể sơ đồ mạch dao động dùng mắt RC dịch pha 600 Hình 7: Mạch dao động dịch pha sử dụng memristor Mạch dao động hình mạch tự dao động, cấp điện áp chiều để hoạt động đầu cho dạng tín hiệu hình sin Các tụ C1, C2, C3 trở R1, R2, M1 tạo thành cấu hồi tiếp dương tạo dao động cho mạch  Ứng dụng điện tử số Việc thể hai trạng thái dẫn khác làm cho memristor có khả sử dụng để xây dựng vi mạch số giống phần tử chuyển mạch transistor Hình 8: Hai trạng thái dẫn Memristor Khi cho dòng điện I1 chạy qua memristor theo chiều hình vẽ trở kháng memristor giảm mạnh, ký hiệu RON (mức logic 1) Lúc memristor cho dòng điện chạy qua cách dễ dàng Ngược lại, cho dòng điện I2 chạy qua memristor theo chiều ngược lại, trở kháng memristor tăng lên cao, ký hiệu ROFF (mức logic 0) Với RONVcond, Vset- Vcond Q = ̅ P Bảng 2: Logic IMPLY kết hợp với hàm ‘FALSE’ P Q PQ 0 1 0 Từ bảng chân lý thực hàm  ̅̅̅̅ AB=((A(B ‘0’))  ‘0’) ‘0’.(NAND) Bảng 3: Cổng NAND IMPLY B‘0’  A(B‘0’) ̅̅̅̅ 𝐀𝐁 (A(B‘0’) ‘0’ 1 1 1 1 0 ̅̅̅̅̅̅̅ A + B= ((A ‘0’)  B) ‘0’.(NOR) Bảng 4: Cổng NOR IMPLY  A ‘0’ (A ‘0’) B ̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐀+𝐁 0 1 0 1 ̅ =A ‘0’ (NOT) A Bảng 5: Cổng NOT IMPLY A A ‘0’ ̅ 𝐀 1 0 4.2 Magic logic Họ logic có cổng xây dựng với memristor riêng biệt cho đầu vào, memristor riêng biệt cho đầu Cũng giống IMPLY, giá trị logic lưu dạng trở kháng Họ logic bao gồm hoạt động logic AND,OR,NOT Mỗi cổng logic hoạt động dựa điện áp mà phân chia memristor theo giá trị logic chúng bật hoặt tắt chúng Bởi vì, thực tế memristor đầu phải khởi tạo trước hoạt động  Cổng NOT Hình 10: Cổng NOT[9] Cổng NOT bao gồm memristor đầu vào memristor đầu ra, điện trở thường sử dụng để phân áp Memristor đầu thiết lập mức logic ‘0’ trước tính toán Điều kiện điện áp vào sau : 𝑅𝑓 𝑅𝑂𝐹𝐹 ( + ) 𝑖𝑡ℎ < 𝑉𝑖𝑛 < (1 + 𝑅𝑓 𝑅𝑂𝑁 ) 𝑖𝑡ℎ (2) Trong : ith : ithreshold : dòng ngưỡng RON: giá trị trở kháng memristor trạng thái điện trở thấp ROFF: giá trị trở kháng memristor trạng thái cao trở  Cổng NAND Hình 11: Cổng NAND Memristor đầu cổng NAND cài đặt với mức logic ‘1’ trước tính toán Điều kiện điện áp đầu vào là: (1+x)ithRON