Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления
METHOD TO CONTROL OPERATION OF MEMRISTOR AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

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.
2
2
3
х
В частном случае для переключения мемристора, имеющего структуру Au / Та (8 нм) / ZrO (12 мол.% YO, 10 нм) / ТаО (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.
2
2
3
х
При этом в примере осуществления предлагаемого способа для переключения мемристора 13, имеющего структуру Au / Та (8 нм) / ZrO (12 мол.% YO, 10 нм) / ТаО (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.
2
2
3
х
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) / ZrO (12 мол.% YO,10 нм) / ТаО (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%.