忆阻器(Memristor)
忆阻器被证实存在
按照我们目前的知识，基本的无源电子元件只有3大类，即电阻器、电容器和电感器。而事实上，无源电路中有4大基本变量，即电流、电压、电荷和磁通量。早在1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠(Leon Chua)教授就提出一种预测：应该有第四个元件的存在。他在其论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提出了一类新型无源元件—记忆电阻器(简称忆阻器)的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力。忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。
2008年，美国惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称，他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件———忆阻器(Memristor)的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。在该系统中，固态电子和离子运输在一个外加偏置电压下是耦合在一起的。这一发现可帮助解释过去50年来在电子装置中所观察到的明显异常的回滞电流—电压行为的很多例子。忆阻器器件的最有趣的特征是它可以记忆流经它的电荷数量。其电阻取决于多少电荷经过了这个器件，即让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———多少电荷向前或向后经
目前已经可以通过一些技术途径实现忆阻器，但制约这类新硬件发展的主要问题是电路中的设计。目前还没有忆阻器的设计模型使其用于电路当中。有人预测，这种产品5年后才可能投入商业应用。
忆阻器将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC（个人电脑）、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等，甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，这将对电子科学的发展历程产生重大影响。
忆阻器
基础电子学教科书列出三个基本的被动电路元件：电阻器、电容器和电感器；电路的四大基本变量则是电流、电压、电荷和磁通量。任教于加州大学伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua），37年前就预测有第四个元件的存在，即忆阻器（memristor）。简单说，忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器
事实上从西元两千年始，研究人员就已经在多种二元金属氧化物和钙钛矿结构(ABO3)的薄膜中发现了电场作用下的电阻变化，并将其应用到了下一代非挥发性存
储器-阻抗存储器(RRAM)中【2】-【5】。在工业界，英飞凌，三星，美光，夏普，Unity，Spansion等公司早已经开始了RRAM的研究和产品的开发,预计未来5年讲会陆续有基于RRAM技术的存储器上市。关于电阻转变的机理目前还有很多争议，但一般认为薄膜中由于氧空位迁移而形成的细丝(filament）是产生电阻变化的原因【6】。
惠普实验室的研究人员认为RRAM就是Chua所说的忆阻器，其报道的基于TiO2的RRAM器件在08年5月1日的《自然》期刊上发表【7】。加州大学伯克利分校教授蔡少棠，1971年发表《忆阻器：下落
不明的电路元件》论文，提供了忆阻器的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力，即使电力中断亦然。惠普实验室的论文则以《寻获下落不明的忆阻器》为标题，呼应前人的主张。蔡少棠接受电话访问时表示，当年他提出论文后，数十年来不曾继续钻研，所以当惠普实验室人员几个月前和他联系时，他吃了一惊。RRAM可使手机将来使用数周或更久而不需充电；使个人电脑开机后立即启动；笔记型电脑在电池耗尽之后很久仍记忆上次使用的信息。忆阻器也将挑战掌上电子装置目前普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍记忆数据的能力。RRAM将比今日的闪存更快记忆信息，消耗更少电力，占用更少空间。忆阻器跟人脑运作方式颇为类似，惠普说或许有天，电脑系统能利用忆阻器，像人类那样将某种模式（patterns）记忆与关联。
RRAM为制造非易失性存储设备、即开型PC、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等铺平了道路，未来甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，对电子科学的发展历程产生重大影响。
研究人员表示，忆阻器器件的最有趣特征是它可以记忆流经它的电荷数量。蔡教授原先的想法是：忆阻器的电阻取决于多少电荷经过了这个器件。也就是说，让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———或多少电荷向前或向后经过了它。这一简单想法的被证实，将对计算及计算机科学产生深远的影响。
有望制成更快更节能的即开型PC
忆阻器最简单的应用就是作为非易失性阻抗存储器(RRAM)，今天的动态随机存储器所面临的最大问题是，当你关闭PC电源时，动态随机存储器就忘记了那里曾有过什么，所以下次打开计算机电源，你就必须坐在那儿等到所有需要运行计算机的东西都从硬盘装入到动态随机存储器。有了非易失性随机存储器，那个过程将是瞬间的，并且你的PC会回到你关闭时的相同状态。
研究人员称，忆阻器可让手机在使用数周或更久时间后无需充电，也可使笔记本电脑在电池电量耗尽后很久仍能保存信息。忆阻器也有望挑战目前数码设备中普遍使用的闪存，因为它具有关闭电源后仍可以保存信息的能力。利用这项新发现制成的芯片，将比目前的闪存更快地保存信息，消耗更少的电力，占用更少的空间。
为开发模拟式计算机铺平道路
忆阻器还能让电脑理解以往搜集数据的方式，这类似于人类大脑搜集、理解一系列事情的模式，可让计算机在找出自己保存的数据时更加智能。比如，根据以往搜集到的信息，忆阻器电路可以告诉一台微波炉对于不同食物的加热时间。当前，许多研究人员正试图编写在标准机器上运行的计算机代码，以此来模拟大脑功能，他们使用大量有巨大处理能力的机器，但也仅能模拟大脑很小的部分。研究人员称，他们现在能用一种不同于写计算机程序的方式来模拟大脑或模拟大脑的某种功能，即依靠构造某种基于忆阻器的仿真类大脑功能的硬件来实现。其基本原理是，不用1和0，而代之以像明暗不同的灰色之
中的几乎所有状态。这样的计算机可以做许多种数字式计算机不太擅长的事情———比如做决策，判定一个事物比另一个大，甚至是学习。这样的硬件可用来改进脸部识别技术，应该比在数字式计算机上运行程序要快几千到几百万倍。
惠普在忆阻器设计上再次取得重大突破美国惠普公司科学家4月8日在《自然》杂志上撰文表示，他们在忆阻器（memristor）设计上取得重大突破，发现忆阻器可进行布尔逻辑运算，用于数据处理和存储应用。科学家认为，公众将在3年内看到忆阻器电路，其或许可取代目前似乎已经处于“穷途末路”的硅晶体管，最终改变整个电脑行业。
目前，最先进的晶体管的大小为30纳米到40纳米，比一个生物病毒还小（一个生物病毒约为100纳米），惠普纳米技术研究实验室的资深专家斯坦·威廉姆斯表示，惠普现正着手研究3纳米级的忆阻器，开、关的时间只需要十亿分之一秒。
他表示，3年内，该公司生产的基于忆阻器的闪存，1平方厘米将可以存储20G字节，这项技术有望成为低功耗计算机以及存储系统发展的里程碑。
忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻器，1971年由美国加州大学伯克利分校的电子工程师蔡少棠教授首次提出，但当时还没有纳米技术，他的发现因此被搁浅。
直到2008年5月，惠普科学家在《自然》杂志撰文指出，他们终于成功研制出世界首个忆阻器。通过向其施加方向、大小不同的电压，
可以改变其阻值。如果利用其不同阻值代表数字信号，在半导体电路中实现数据存储也大有前途。
忆阻器不同于电容器、电感器和电阻器这3种基本电路元件的地方是，忆阻器在关掉电源后，仍能记忆通过的电荷。这意味着，如果突然停机，然后重新启动，用户关机之前打开的所有应用程序和文件仍在屏幕上。目前，这种用途还不能被任何电阻器、电容器和电感器的电路组合所复制，因此，有业内专家认为，忆阻器是电子工程领域第4种基本电路元件。
研究人员去年在《美国国家科学院院刊》上撰文指出，他们设计出了一种新方法，可以从三维忆阻器阵列中存储和恢复数据。新方案可让设计人员以类似搭建摩天大楼的方式堆叠成千上万个忆阻器，创造出逼近极限的超致密计算设备。
威廉姆斯称，2008年到现在，其团队一直在提升忆阻器的开关速度，研究人员在实验室中测试证明，它们能够可靠地进行成千上万次读写。
此外，忆阻器也不同于IBM、英特尔等公司研发的新型存储芯片相变存储器（PCM），PCM利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。惠普公司表示，PCM的开关速度比较慢，可能需要更多的能量。
无源电子器件忆阻器的特性分析及应用前景 摘要：忆阻器被认为是除电阻、电感、电容外的第四种基本电路元件，是一种有记忆功能的非线性电阻。本文分析了忆阻器电路学特性，并且展望了其在未来各方面的应用前景。 关键字：忆阻器；电路学特性；前景 Abstract ：Besides Resistors,Inductors and Capacitors ，which are three basic passive circuit elements ．Memristors are considered to be the fourth basic circuit element ．This element is a kind of non-1inear resistor which has the ability to remember ．This paper analyzed memristor’s circuit characteristics ，And its application foreground in all aspects of future are discussed ． Keywords ： Meristor ；memri stor’s circuit characteristics ；prospect 1 引言 2008年，Strokov [1]等成功实现了电路世界中的第四种基本无源二端电路元件----记忆电阻器，简称忆阻器(meristor)，证实了美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡绍棠[2]于1971 年提出的忆阻器元件概念和1976年建立的忆阻器件与系统理论。 忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻，通过控制流过忆阻器的电流，可以改变其阻值。忆阻器被认为是除电阻、电感、电容外的第四种基本电路元件，是一种有记忆功能的非线性电阻。目前，忆阻器原理及其应用是国际电路学研究的热点和前沿问题之一。忆阻器的出现将可能从根本上改变传统电路格局，“具有引发电路革命的潜质”。 2 忆阻器的电路学特性 2.1忆阻器存在的对称性依据 忆阻器的发展经历了两个主要阶段，其中概念的提出与理论探索阶段是忆阻器发展的理论基础。这一阶段的发展经历了存在性预测、实验室有源模型搭建、理论电路特性、新奇应用的构想等主要步骤，之间环环相扣，前面的研究作为后面的基础。蔡绍棠在电路变量对称性得到了忆阻器存在的依据，为后续理论上的研究打下基础。 如图1所示，五种已知电路变量关系中，由法拉第电磁感应定律及楞次定律得到的关系 ()()t q t i d ττ-∞=? (1) ()()t t d ?νττ-∞ =? (2) 上述两式分别表示电荷()q t 是电流关于时间的积分，磁通量()t ?是电压关于时间的积分。其余三种关系是已知电路基本元件的定义式，即理想电阻、电容、电感分别满足 d Rdi ν= (3) dq Cd ν= (4) d Ldi ?= (5) 电流 电荷电压 磁通量 电阻 未知 电容 电感dt ??dt ??
阻变存储器概述 阻变存储器（Resistive Random Access Memory, RRAM）是一种基于非电荷存储机制的新型存储技术。RRAM的上下电极之间是能够发生电阻转变的阻变层材料。在外加偏压的作用下，器件的电阻会在高低阻态之间发生转换从而实现“0”和“1”的存储。在二进制存储中，一般将低阻态代表“1”，高阻态代表“0”。器件从高阻变化为低阻的过程称为Set，从低阻变为高阻的过程称为Reset。Set 过程中，一般需要限制通过器件的最大电流，以避免器件完全损坏。虽然阻变存储器的研究自2000年后才兴起，但薄膜的阻变现象早在1967年就由英国Standard Telecommunication Laboratories的J. G. Simmons等人发现[1]。1971年，美国加州大学伯克利分校的华裔教授Leon Chua就在理论上预言了除了电阻、电容、电感之外的第四种基本器件——忆阻器（Memristor）的存在[2]。在2008年的Nature杂志上，惠普公司报道已成功制备出忆阻器原型器件并提出了相应的物理模型。他们模拟了(a)有动态负微分现象的电阻器件、(b)无动态负微分现象的电阻器件、(c)存在非线性离子运动的电阻器件三种不同器件的工作机制：(a)中当所加正电压到达最大值时，器件还未完全发生电阻转变，在正电压逐渐减小的过程中器件继续发生电阻转变（电阻减小），因此观察到了明显的负微分电阻现象；在(b)中所加正向电压到达最大值之前，器件已经完全发生电阻转变，之后在未加负偏压之前器件电阻一直保持不变，因此没有负微分电阻现象；在(c)器件中，离子运动是非线性的，其到达上下电极两种边界条件是突变的，因此其一般只有两种状态（OFF和ON态）。阻变存储器RRAM可以归为忆阻器(c)类器件中的一员。 2.1 阻变存储器的材料体系 2.1.1 固态电解质材料 固态电解质体系中包含两个要素：一是固态电解质层，二是可在固态电解质层中发生氧化还原反应的金属。基于这类体系的RRAM器件被称为PMC （programmable metallization cell）或CBRAM（Conductive Bridging RAM）[5]，其特征是两个电极一边是惰性金属如Pt，另一边是易于发生氧化还原反应的活泼金属如Cu和Ag。两电极中间是固态电解质层，金属离子可以在固态电解质中移动。当Cu或Ag等活泼金属作为阳极时，这些易氧化的金属原子失去电子成为金
一个新的基于忆阻器的超混沌系统及其电路实现 尹玮宏1 ,王丽丹1,*, 段书凯1 1西南大学物理科学与技术学院电子信息工程学院重庆中国400715 摘要忆阻器被认为是第四个基本电路元件，它除了是下一代非易失性存储中有竞争力的候选器件外，由于拥有超越其它元件的超级性能，还能构建具有复杂动力学的非线性电路。特别地，新的基于忆阻器的混沌振荡器的实现已成为非线性电路设计的范例。本文首先推导两个基于磁控忆阻器模型的串联忆阻器的特性及磁通电荷关系。然后通过使用这个忆阻系统获得一个新颖的四维超混沌系统，它有两个正的李雅普诺夫指数。通过观察各种混沌吸引子、功率谱和分岔图可看到丰富的动力学现象。最后，建立了模拟该系统的SPICE电路。SPICE 仿真结果与数值分析一致，这进一步显示了该超混沌系统的混沌产生能力。 关键词:忆阻器,超混沌系统,混沌吸引子,电路实现 1 引言 忆阻器（Memristor）是一种非线性无源元件，具有非线性和非易失性。几年来的研究工作取得了可喜的进展，各种基于忆阻器的应用成为了研究的热点。2008 年，惠普实验室的科学家在《Nature》上发表论文宣称，成功制成了第一个物理实现的忆阻器[1]，证实了37 年前加州大学蔡少棠（Leon O. Chua）教授的推测[2]。此后，忆阻器受到了广泛的关注和研究。忆阻器的体积小，功耗低，因此忆阻器是混沌中非线性电路部分的理想选择[3]，各种基于忆阻器的混沌系统得到了研究人员的密切关注[4-7]。基于忆阻器的混沌系统应当具有以 本项目受到新世纪优秀人才支持计划（教技函［2013］47号）, 国家自然科学基金(61372139, 61101233, 60972155)，教育部“春晖计划”科研项目（z2011148）,留学人员科技活动项目择优资助经费（国家级, 优秀类, 渝人社办〔2012〕186号）, 重庆市高等学校优秀人才支持计划（渝教人〔2011〕65号）,重庆市高等学校青年骨干教师资助计划（渝教人〔2011〕65号）,中央高校基本科研业务费专项资金(XDJK2014A009, XDJK2013B011）的资助。作者简介：尹玮宏（1987-），男，湖南邵阳人，研究生，主要从事非线性电路与系统的研究。*通信作者: 王丽丹，教授，硕士生导师，现任电子信息工程学院副院长，重庆市高等学校青年骨干教师资助计划获得者。主要从事智能信息处理、智能控制器、非线性电路与系统、忆阻器件及忆阻系统等领域研究，先后主持主研国家自然科学基金、中国博士后基金特别资助项目等项目20余项，发表SCI/EI检索论文40余篇，联系邮箱：ldwang@https://www.doczj.com/doc/ad9585375.html,。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/ad9585375.html, 阻变存储器可靠性的研究 作者：沈冬云 来源：《科学与财富》2017年第21期 摘要：随着我国现代化建设的不断发展，各种存储器设备在工业生产与民用消费中得到了广泛应用。我国在集成电路制造领域不断进步的过程中，以浮栅结构为基础的FLASH存储器在物理尺寸上已经达到物理极限，如何对储存器进行进一步的开发已经成为相关机械十分重要的研究课题之一。 中阻变存储器以结合简单、高速度、低功耗等方面的特点得到了广泛的关注。然而，中阻变存储器在技术与应用上还没有十分成熟，在可靠性方面也没十分充分的保证。本文对阻变存储器在可靠性方面的问题进行了详细的阐述与分析，并根据具体的问题提出了相关的解决方法，希望可以起到参考作用。 关键词：问题分析；可靠性国；阻变存储器 阻变存储器属于三明治结构器件的一种，内部结构中的电极材料对于器件的性能也有一定的影响。对于阻变存储器的研究目前主要集中在电极材料与功能层材料上。 一、器件的工艺制备 本次实验研究所采用的器件结构为1T1R，通常情况下，晶体管能够起到限流与形状两方面的作用，阻变存储器结构为Pt/Ti/HfOx/Cu结构，其中Cu是阻变存储器的下电极，在CMP 工艺处理下，该部件能够起到电极的作用。功能层FfOx，离子束或ALD蒸发生长。Ti/Pt为上电极，粘附层为Ti层，能够使功能层与Pt的粘附性得到提，上电极Ti/Pt与功能层HfOx，厚度分别为70nm与6nm。具体工艺流程如下。 （一）硅片清洗 以硅片为衬底，阻态越高越好，去掉硅片表面所附着的有机物，具体操作方法为通过双氧水与浓硫酸对硅片进行冲洗，再对氢氟酸溶液进行稀释处理，将自然氧化层去除掉，再用气氛将水分吹干。 （二）SiO2层的生长 SiO2能够对硅片起到决绝作用，在对硅片清洗干净后将其置于热氧化炉，经过4-5小时的干法氧化后，SiO2会得到生长，可以达到200nm的厚度； （三）ZrO2或HfO2原子层或原子层沉积或离子束溅射
国内发展状况 忆阻器的理论是于1971年由美国华裔科学家蔡少堂提出，并且在2008年被HP公司发现。虽说有关忆阻器的发言权在西方国家，但是无论是最新理论创新方面还是忆阻器应用方面，我国在这方面的研究并不比他们落后多少。 早在上世纪九十年代（1991年），我国对气体放电灯的电压电流特性进行了深刻的研究，发现了气体放电灯的一些新性质，最后指出气体放电灯属于一种流控忆阻器，其特性不能用电路中的三个传统的基本元件来描述。同时，它们对气 体放电灯的一些忆阻特性进行了大篇幅的分析探讨[1]。在1995年，他们又在原来的基础上发表了论文[2]，这篇论文主要研究气体放电灯在音频段至射频段的电 压电流函数。他们采用了新型电子仪器设备，对气体放电灯在该频段的动态特性进行了实验测试，得到了一些新的实验结果，并且进一步说明了气体放电灯的流控忆阻器特性。借助于大量的实验，它们在音频段至射频段给出了气体放电灯的八组电压电流波形，波形显示，其形状如同一个分布在一三象限的八字形蝴蝶结，与惠普实验室的实验结果吻合的很好，这一发现比惠普实验室早了十多年，但是当时的科技发言权不再中国，使得我国的这一发现至今仍然鲜为人知。 2008年9月，我国清华大学校友陈怡然等人发表论文[3]，主要给出了基于 纳米电子自旋效应的三种电子自旋忆阻器，属于世界领先水平。电子自旋是原子中普遍存在的现象。这篇论文根据纳米电子自旋产生的磁性效应，给出了三种电子自旋忆阻器，这三种忆阻器的原理不同于惠普实验室的二氧化钛双极开关模型，这种新型电子自旋忆阻器可以在从皮秒量级到微秒量级等不同的速率下进行电阻值的转换，以满足不同应用的需要，相信在不久的将来，这种忆阻器将会得到广泛的应用。 国外发展状况 早在1995年，惠普实验室接到了科研上层的任务，即：研究纳米级的电子器件。经过多年的研究与实验，在2006年就发现了用二氧化钛组成的忆阻器，并且在2008年第一个发表相关论文，同年5月份，惠普公司用两端纳米级电阻开关点阵器件实现了人工神经网络。 2008年6月1日，美国波士顿George Mason University研究生Victor Erokhin 和M.P.Fontana研制了一个聚合体忆阻器[4] 2008年7月15日，惠普实验室高级科研者Stanley Williams等人发表论 文[5]，主要讲到了纳米级金属/氧化物/金属开关的忆阻特性，揭示了它属于一个 双极开关，以及它的忆阻器开关特性与机制。 2008年8月26日，韩国三星公司在他们所研制的双层氧化物器件中发现了电流记忆特性，并且表明它也属于一种忆阻器，这个忆阻器的工作机理也与惠普实验室的有所不同。 2008年11月底，美国加州大学伯克利分校，美国半导体行业协会和美国国家科学基金会共同举办了忆阻器及忆阻系统研讨会，惠普实验室在会上展示了忆阻器的最新进展———世界首个3D忆阻器混合芯片。 2009年1月，Massimiliano Di Ventra,Yuriy V.Pershin,Leon O. Chua
目录 引言 (1) 1 RRAM技术回顾 (1) 2 RRAM工作机制及原理探究 (4) 2.1 RRAM基本结构 (4) 2.2 RRAM器件参数 (6) 2.3 RRAM的阻变行为分类 (7) 2.4 阻变机制分类 (9) 2.4.1电化学金属化记忆效应 (11) 2.4.2价态变化记忆效应 (15) 2.4.3热化学记忆效应 (19) 2.4.4静电/电子记忆效应 (23) 2.4.5相变存储记忆效应 (24) 2.4.6磁阻记忆效应 (26) 2.4.7铁电隧穿效应 (28) 2.5 RRAM与忆阻器 (30) 3 RRAM研究现状与前景展望 (33) 参考文献 (36)
阻变随机存储器（RRAM） 引言： 阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。近年来，NVM器件由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展当中占据着越来越重要的地位。硅基flash存储器作为传统的NVM器件，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[1、2]，这其中包括铁电随机存储器（FeRAM）[3]、磁性随机存储器（MRAM）[4]、相变随机存储器（PRAM）[5]等。然而，FeRAM及MRAM 在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。在这样的情况下，RRAM器件因其具有相当可观的微缩化前景，在近些年已引起了广泛的研发热潮。本文将着眼于RRAM 的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。 1 RRAM技术回顾 虽然RRAM于近几年成为存储器技术研究的热点，但事实上对阻变现象的研究工作在很久之前便已开展起来。1962年，T. W. Hickmott通过研究Al/SiO/Au、Al/Al2O3/Au、Ta/Ta2O5/Au、Zr/ZrO2/Au以及Ti/TiO2/Au等结构的电流电压特性曲线，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻 变现象[6]。如图1所示，Hickmott着重研究了基于Al2O3介质层的阻变现象，通
忆阻器 忆阻器，全称记忆电阻。最早提出忆阻器概念的人是华裔的科学家蔡少棠，时间是1971 年。2013年，比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪〃托马斯博士研制的忆阻器被内臵于比人头发薄600倍的芯片中，利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。 基本介绍 忆阻器，全称记忆电阻，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。 用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。 由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的
工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。[1] 2发展过程 提出 蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路刚起步不久的阶段，离家用电脑普及还有至少15年的时间，这时候HP 就登场了。 研究
什么是忆阻器？ 忆阻器 忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory（记忆）」和「Resistor（电阻）」两个字的合并，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是 1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。 忆阻器有什么用？ 在发现的当时...没有。蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，但当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，而且更重要的，也没有人在找 -- 那是个连集成电路都还刚起步不久的阶段，离家用电脑开始普及都还有至少 15 年的时间呢！于是这时候 HP 就登场了。事实上 HP 也没有在找忆阻器，当时是一个由 HP 的 Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为Crossbar Latch 的技术的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，
阻变存储器单元结构及集成 1.1 交叉阵列中的串扰 图1. 1.1 交叉阵列结构集成中的串扰现象 阻变存储器被认为是很有潜力的下一代存储器的候选者。它具有电阻转变速度快、功耗低、存储密度高和良好的可缩小性特点。由于具有最小的单元面积4F2，交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。但是，目前所报道的阻变存储器的低阻态I-V特性曲线几乎是线性且对称的（类似于电阻特性），在一个最简单的2×2交叉阵列结构中，如果有一个存储器单元处于高阻态而其他三个单元处于低阻态，在读取该高阻态的存储单元状态时电流将沿着三个处于低阻态的存储器单元形成一条漏电通道，如图1. 1.1所示，这就是串扰。当阵列m×n（m, n>2）变得很大时，所述漏电通道将增多，漏电流增大从而导致误读。目前解决误读最有效的方法就是在每个存储单元上集成一个晶体管或者二极管构成有源结构和无源结构。 1.1.1 有源结构 在有源结构单元中，使用一个晶体管和阻变存储器串联来形成one transistor one resistor（1T1R）。如图1.1.1所示，在1T1R结构中，晶体管起到选通和隔的作用。当对阻变存储器单元操作时，晶体管导通，这样就选择了所需操作的单元；而其他阻变存储器单元的晶体管关闭，这样能够避免对周围单元产生串扰和误操作，起到隔离的作用。1T1R结构中器件的最小面积取决于选择晶体管的大小，最小单元面积为6F2。2002年Zhuang等人首次采用0.5 μm CMOS工艺制备了基于1T1R结构的64位的RRAM阵列。1T1R结构集成时是将晶体管在前端工艺完成，而RRAM存储器件则在后端工艺完成，由于RRAM存储器在后端工艺完成，所以必须考虑热预算，工艺温度不可过高。 图1.1.1 1T1R 结构阻变存储器单元示意图 1.1.2 无源交叉阵列结构 相比于有源结构单元，由于具有最小的单元面积4F2，无源的交叉阵列结构被认为是存储器最经济的集成方式。在交叉阵列结构中，通过相互垂直的上下电
忆阻器(Memristor) 忆阻器被证实存在 按照我们目前的知识，基本的无源电子元件只有3大类，即电阻器、电容器和电感器。而事实上，无源电路中有4大基本变量，即电流、电压、电荷和磁通量。早在1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠(Leon Chua)教授就提出一种预测：应该有第四个元件的存在。他在其论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提出了一类新型无源元件—记忆电阻器(简称忆阻器)的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力。忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。 2008年，美国惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称，他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件———忆阻器(Memristor)的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。在该系统中，固态电子和离子运输在一个外加偏置电压下是耦合在一起的。这一发现可帮助解释过去50年来在电子装置中所观察到的明显异常的回滞电流—电压行为的很多例子。忆阻器器件的最有趣的特征是它可以记忆流经它的电荷数量。其电阻取决于多少电荷经过了这个器件，即让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———多少电荷向前或向后经
目前已经可以通过一些技术途径实现忆阻器，但制约这类新硬件发展的主要问题是电路中的设计。目前还没有忆阻器的设计模型使其用于电路当中。有人预测，这种产品5年后才可能投入商业应用。 忆阻器将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC（个人电脑）、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等，甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，这将对电子科学的发展历程产生重大影响。 忆阻器 基础电子学教科书列出三个基本的被动电路元件：电阻器、电容器和电感器；电路的四大基本变量则是电流、电压、电荷和磁通量。任教于加州大学伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua），37年前就预测有第四个元件的存在，即忆阻器（memristor）。简单说，忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器
基于忆阻器的多层信息存储技术 摘要：本文提出了一种新的运用忆阻器作为多层存储的方法。 在实际应用忆阻器来实现多层存储的过程中会遇到许多障碍。 其中一个难题是由于磁通量与电荷量曲线的非线性对设定阻值信号的的脉宽造成了难度；另一个问题是由于忆阻器存储了所有的信号，包括忆阻中的噪声，使得忆阻器与初始值相比出现扰动。本文提出的方法是通过使用一个参照电阻阵列使忆阻器固定在一个预先设定的参照阻值而使忆阻能被用来做多层次存储器。我们提出了写入电路（编程）和一个采用参照电阻阵列信息存储技术的读出/恢复电路。 关键字：忆阻器；电阻阵列；基于参照物的多层存储；写入电路；读出电路 1. 介绍 据估计，摩尔定理将在未来十年走到尽头，存储器行业已经提出了许多用于延缓该定理使用的方法。 一种方法是发展多层单元技术（MLC ），以信息多层次的方法来存储多个比特在一个存储单元【1-2】。 商业上可用的MLC NAND 存储器每个单元，现有技术下能够存储四个状态。大部分的是用基于晶体管的PRAM(阶段改随机存储)【3】， 除了HP 公司的基于电阻的RRAM 【4-5】. 最近 Stanley Williams et al. 研制出了一个二氧化钛膜由铂电子包夹的，表现为倒滞后环的具有明显存储功能的材料----忆阻器 【6】。 忆阻器是leon O.Chua 于1971年【7】作为第四电路的基本元件提出的一种假定。它是基于自然界中电磁机制的非线性特性。 相对于传统的晶体管存储器，忆阻存储器有许多的优点。 第一是其极小的尺寸。 尽管忆阻的发展还处于萌芽阶段， 但他只是同等规格RAM 的十分之一【9】。 如果忆阻的制造工艺得到提高， 那么他的优势将更加明显。 忆阻另一个无法比拟的潜在优点就是能够存储模拟信息，这就使得忆阻能够在一个存储单元储存多个BIT 的信息【7-8】。 另外忆阻也是人工神经网络中执行神经触角权重【10】理想的装置。 尽管有这么多有利的功能，但忆阻在实际应用中还是存在一些缺点。 一个是由于磁通量与电荷量曲线的非线性使得在为实现预定阻值而选择合适脉冲宽度时造成困难。 如果这个非线性在制造芯片过程中的死区表现得非常明显， 那么这个问题就会很严重。另一个是由于忆阻器存储了所有的信号，也包括忆阻中的噪声，这就造成了忆阻器与初始值相比出现扰动。 2． 忆阻的基本原理 忆阻器的基本原理是基于基础电路的非线性特性。在定义基础电路元件的相互关系时，电荷量可以定义为电荷量对时间的积分，即： ()t q i d ττ-∞=?（t) （1） 同样的，电流i 是电荷量q 对时间的微分 dq i dt = （2） 类似的，通量?被定义为电压对时间的积分 ()()t t v d ?ττ-∞ =? （3） 同样的，电压v 是通量对时间的微分 d v dt ?= （4） 用（4）式除以（2）式，我们可以得到电阻
.- 目录 引言 (1) 1 RRAM技术回顾 (1) 2 RRAM工作机制及原理探究 (4) 2.1 RRAM基本结构 (4) 2.2 RRAM器件参数 (6) 2.3 RRAM的阻变行为分类 (7) 2.4 阻变机制分类 (9) 2.4.1电化学金属化记忆效应 (11) 2.4.2价态变化记忆效应 (15) 2.4.3热化学记忆效应 (19) 2.4.4静电/电子记忆效应 (23) 2.4.5相变存储记忆效应 (24) 2.4.6磁阻记忆效应 (26) 2.4.7铁电隧穿效应 (28) 2.5 RRAM与忆阻器 (30) 3 RRAM研究现状与前景展望 (33) 参考文献 (36)
阻变随机存储器（RRAM） 引言： 阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。近年来，NVM器件由于其高密度、高速度和低功耗的特点，在存储器的发展当中占据着越来越重要的地位。硅基flash存储器作为传统的NVM器件，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了flash存储器的进一步发展。作为替代，多种新兴器件作为下一代NVM器件得到了业界广泛的关注[1、2]，这其中包括铁电随机存储器（FeRAM）[3]、磁性随机存储器（MRAM）[4]、相变随机存储器（PRAM）[5]等。然而，FeRAM及MRAM 在尺寸进一步缩小方面都存在着困难。在这样的情况下，RRAM器件因其具有相当可观的微缩化前景，在近些年已引起了广泛的研发热潮。本文将着眼于RRAM 的发展历史、工作原理、研究现状及应用前景入手，对RRAM进行广泛而概括性地介绍。 1 RRAM技术回顾 虽然RRAM于近几年成为存储器技术研究的热点，但事实上对阻变现象的研究工作在很久之前便已开展起来。1962年，T. W. Hickmott通过研究Al/SiO/Au、Al/Al2O3/Au、Ta/Ta2O5/Au、Zr/ZrO2/Au以及Ti/TiO2/Au等结构的电流电压特性曲线，首次展示了这种基于金属-介质层-金属(MIM)三明治结构在偏压变化时发生的阻 变现象[6]。如图1所示，Hickmott着重研究了基于Al2O3介质层的阻变现象，通
忆阻器为基础的非易失性随机存取内存：混合架构的低功耗紧凑的存储器设计 摘要 在本文中，一种通过基于忆阻器的非易失性静态随机存取存储器（SRAM）单元采用忆阻器和金属氧化物半导体器件的组合的设计的新方法被提出。忆阻器与台湾半导体制造公司的180纳米的MOSFET 技术被用于构成一个单细胞。此单元的预测的区域显著地少，并且平均读写功率比相同的互补金属氧化物半导体技术的一个常规的6-T的SRAM单元少25倍。读时间比6-T的SRAM单元少得多。然而，写入时间是有一点高，但是可以通过增大忆阻器的流动性得到改善。非易失性特性细胞使得非易失性随机存取存储器设计有吸引力。 关键词：CMOS，记忆元件，忆阻器，SPICE model，非易失性随机访问存储器 引言 1971年蔡少堂[1]假设四分之一无源二端电路称为忆阻器元件（另外三个存在的元器件即电阻器，电容器，还有一个是电感）。在2008年，研究人员在惠普（HP）实验室报告说，忆阻器是采用物理双端钛- 二氧化钛（TiO2）纳米器件[2]。惠普实验室所描述的首次实验demo 证明了物理忆阻器的存在，终于验证了蔡少堂的理论，在电子和企业界引起了巨大的轰动[3]。基本上，忆阻器是一个有记忆的电阻，当有电压通过它的时候，它的阻值能够一直保持到那个值，直到电压移除或者改变。忆阻器与它们主要的不同是，其他三个传统的元器件都是线性的，而忆阻器是非线性的。 惠普忆阻器利用了二氧化钛纳米级材料的薄膜性质。忆阻器的其他物理的实施方案也是可能的，最近一直提出的那个耦合流和自旋传输在纳米级尺寸，可用于实现忆阻器忆阻[4]，[5]。在许多文献中模拟电路和忆阻器的结合已经出现很多。Witrisal认为忆阻器在超宽带接收器，以减少信号的处理功率[6]。忆阻器也可用作可编程电阻负载运用在差分放大器[7]。Varghese 和Gandi使用忆阻器作为一个互补金属氧化物半导体（CMOS）的差分对和一个源极退化元件[8]。参考文献[9]可见各种基于模拟忆阻器内存包括运算放大器基于可变增益放大器（VGA）的可编程模拟功能块。脉冲编程手段在忆阻器用于模拟记忆的微分放大器中的应用被考虑在[10]. 由于忆阻器的可行性，它被众多的科学家们所研究，特别是作为未来的一种强有力的候选预备材料[11]，非易失性的属性和在交叉开关中高的堆积密度，特别能让研究者们兴奋，我们所提出的电路的的主要特点是他的非易失性，数据能够被存储在内存中特别是当在非特定的时间电源被关掉，另一个应用前景是相比传统的6T-SRAM，电路的尺寸能够被大幅度的消减由于只有三个晶体管所提出的电路的每个单元中使用时，其面积可以比常规的SRAM单元少得多。在建议的结构所消耗的功率是显着地低于常规的SRAM结构。所有这些功能都在本文中进一步讨论以后。本文通过引入忆阻器及其特性开始起飞。之后，一些相关工作进行了讨论。然后，它直接进入到提出的电路，其工作原理及其功能的结构，那么它讨论的角度，得出了一些比较，应受它与电路的可能的未来前景总结。
一第３９卷第１期 杭州电子科技大学学报(自然科学版)V o l ．３９N o ．１一一２０１９年１月J o u r n a l o f H a n g z h o u D i a n z i U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e s )J a n ．２０１９一 D O I :１０．１３９５４/j ．c n k i ．h d u ．２０１９．０１．００３具有滞回特性R T D 开关单元的分析研究与设计 潘文剑,林一弥,吕伟锋(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州３１００１８)收稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ２４基金项目:国家自然科学基金资助项目(６１５７１１７１,６１３０２００９),浙江省自然科学基金资助项目(L Y １８F ０４０００５ )作者简介:潘文剑(１９９４－),男,研究方向:电路与系统.E Ｇm a i l :w j _p a n ＠o u t l o o k ．c o m .通信作者:林弥,副教授,研究方向:数字集成电路设计和多值逻辑理论研究.E Ｇm a i l :l i n m i ＠h d u ．e d u ．c n .摘要:负阻器件共振隧道二极管R T D 和局部有源的忆阻器两者均在I ＧV 特性上具有微分负阻 N D R 特性且具有多种阻态.根据该特性,研究并设计了基于R T D 的开关单元电路,仿真结果显示:该单元电路具有与忆阻器部分相似的滞回特性二阈值电压以及高低阻态特征.分析了R T D 的 MO S ＧN D R 网络中MO S 管的沟道宽长比W /L 参数变化对R T D 开关单元滞回特性的影响.设计的R T D 开关单元与忆阻器特性上具有相似性, 可应用于门限忆阻器适用的逻辑电路二存储器二神经网络和R T D 与忆阻器相结合的研究设计中. 关键词:微分负阻;R T D ;滞回特性曲线;忆阻器中图分类号:T N ４０２一一一一文献标志码:A一一一文章编号:１００１Ｇ９１４６(２０１９)０１Ｇ００１３Ｇ０５ ０一引一言 随着C MO S 集成电路的发展,电路集成度不断提高,量子效应所带来的短沟道效应二二维量子化二S i O ２膜击穿和功率损耗等各种问题, 使得研究新器件和新设计方法成为当前集成电路发展的迫切需要[１].微分负阻器件共振隧道二极管(R e s o n a n tT u n n e l i n g D i o d e ,R T D )是近年来热门的新型器件之一,相比较于C MO S 器件,R T D 在工作频率和特征尺寸方面具有极大的优势.由于其自身的双稳和自锁等特性,R T D 在数字电路设计中还能大大节省器件数和节点数以及内连线长度, 降低寄生效应和功耗,非常适合于数字电路设计[２].当前,引起国内外广泛关注的另一新型器件具有记忆性的非线性电阻忆阻器在I ＧV 特性上也具有负阻特性,其高低阻态和阈值特性与R T D 的双稳和自锁特性具有相似性. 若将R T D 的负阻特性与忆阻器的非易失性二 低功耗二高速和阈值开关等特性相结合,将有非常大的研究价值[３].目前,该领域已经进行了前期的研究,并取得了一系列初步的进展,例如,R T D 和忆阻器都 提出了一种阈值逻辑门最小化技术[４].基于R T D 和忆阻器构成的神经细胞网络也在彩色图像处理等 领域有了一定的研究成果[５Ｇ６].基于此,本文根据R T D 的自锁和多阻态的特性, 构建具有滞回特性的R T D 开关单元电路,研究实现了与门限忆阻器具有局部相似性的滞回曲线和阈值开关特性,为R T D 在 忆阻器领域的逻辑电路研究提供一种新的设计方法和思路. １一R T D 与忆阻器负阻电路模型 １．１一R T D 的特性曲线及其模拟 R T D 是一种双端器件,其电路符号和伏安特性曲线如图１所示.V A B 为加载在R T D 两端的电压, V P 为R T D 电流到达峰值时对应的电压,I P 为峰值电流,V V 为电流达到谷值时对应的电压,I V 为谷值电流.a b 是第一正阻抗区,b c 是负阻抗区,c d 是第二正阻抗区,在３个工作区域中,R T D 有不同的工
中国计量学院 本科毕业设计（论文） 基于忆阻器的非线性电路系统建模与软 件仿真 The modeling and simulation software of nonlinear circuit system base on memristor 学生姓名邢聪聪学号 0900102204学生专业自动化班级 09自动化2班二级学院机电工程学院指导教师高坚副教授 中国计量学院 2013年6月
诚信声明 本人声明：所呈交的毕业论文是本人在指导教师指导下独立完成的。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的材料，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 若经查实有抄袭行为，本人承担相应的责任，包括取消毕业设计成绩、直接取消毕业资格和学位授予资格的全部责任。 学生签名：日期：
分类号：TP214 密级：公开UDC：62 学校代码：10356 中国计量学院 本科毕业设计（论文）基于忆阻器的非线性电路系统建模与软 件仿真 The modeling and simulation software of nonlinear circuit system base on memristor 作者邢聪聪学号0900102204 申请学位工学学士指导教师高坚副教授 学科专业自动化培养单位中国计量学院 答辩委员会主席卫东评阅人那文波 2013年6月
致谢 通过这段时间的工作学习，这次毕业设计的任务快要完成了。本次毕业设计应该说是针对我在大学期间所学的知识的一种综合与实践考核。对于一个本科生的毕业设计肯定难免会有许多考虑不全的方面，如果没有导师的精心指导和同学们的帮助，独自去完成这个毕业设计是不大可能的。在这里我首先要感谢的是高坚老师。高老师平日里虽然很忙，但在每个设计阶段里都对我进行了仔细的指导。他科学研究的精神很值得我学习，也会对我今后的学习和工作产生非常积极的促进作用。 我还要感谢帮助过我的同学和各位老师。正是你们给予我的帮助使我才能顺利地完成此次设计任务。 最后，我还要感谢生我养我的父母，正是因为得到了你们给予我的鼓励和生活上的帮助，我才会有今日的收获。
突触的本质是一个两端器件，与忆阻器有惊人的相似之处，忆阻器的电导可以通过控制流过它的电荷和电流来改变。Jo等人描述了突触功能在纳米硅基忆阻器中的实现，特别是，他们证实了激励时间依赖的可塑性（STDP，一个重要的突触修饰竞争学习规则），可以在包含CMOS神经元和忆阻器突触的突触/神经元混合电路中实现。 Pershin等人利用忆阻器神经元模型的概念进行进一步的研究，其中忆阻器被用来模拟变形虫的学习行为。Pershin等人使变形虫经受温度的变化，发现变形虫会降低其在温度降低过程中的运动。接着，他们应用一个周期性的温度变化，其特征在于先将温度降低，然后返回正常状态。可以观察到，变形虫会学习温度变化时的频率，并且温度变化一旦停止，变形虫会在预期的降低温度下继续减缓其移动。一个简单的忆阻器电路可以用来建立变形虫学习行为的模型。在这种情况下，改变电压用来模拟温度的变化。有趣的是，实验表明如果温度变化不是周期性的，而是以某种方式被中断，变形虫（以基于忆阻器电路模型的变形虫）在刺激一旦停止的情况下不会预期到这种变化。 研究人员采用忆阻器“仿真器”建立了一个神经网络。仿真器包含数字电位器、模拟/数字(A/D)转换器和一个可编程的微控制器，以提供忆阻器的I-V特性。神经网络被用来描述联想学习，它包含三个神经元，每一个都可用来作为食物的视景、声音和流涎。这样设计，是为了刺激视觉神经元能够导致流涎神经元的激发。最初，刺激声觉神经元没有导致唾液分泌。本研究的目的是培养基于忆阻器电路，以便声音可以与食物的视觉联系并因此触发流涎神经元。这个结果表明这确实是可能的，很像Pavlov的狗，在电路调试之后，当声觉神经被刺激时，流涎神经元也被激发，从而证明了采用一个非常简单的忆阻器为基础的电路的联想学习功能。 3.电路器件设计 忆阻器以其独特的记忆性能和电路特性，在电路器件设计方面给人们提供了新的思路。如依赖其记忆性能的高密度非易失性存储器，基于忆阻器电学性能的参考接收机、调幅器。由于具有电阻转换功能，忆阻器也可能被用来制作多路信号分离器和复用器]。网状结构的忆阻器与互补金属氧化物（CMOS)的复合集成电路，即使在高缺陷度的情况下仍能够实现可重构逻辑功能，这将促成新型的晶体管-忆阻器复合电路结构的实现。此外，忆阻器也可用于组成具自降级、对内部变化自愈、高容错率等功能的适应性可重现网络。 3.4生物记忆行为仿真 对生物记忆行为的电路仿真，是忆阻器另一个极具吸引力的用途。忆阻器参与组成的电路己被Pershin等用于对多头绒泡菌对环境刺激学习行为的电路仿真，他们成功地用电路对外加激励的电学响应模仿了生物对外界环境刺激的响应行为。因为具有与神经系统中神经键行为类似，忆阻器可以用于对大脑部分功能的模仿，由它和晶体管、纳米线等组成的系统将在桥梁道路的实时监控系统得到应用。可以相信，此类结构在对生物记忆、学习行为的电路仿真中将发挥更加重要的作用。
阻变存储器概述 阻变存储器（RRAM）是利用脉冲电压对存储单元进行写入和消除，进而导致记忆单元电阻改变，这就是电脉冲诱使阻变效应。 2.1 电阻转换现象 利用一些薄膜材料在电激励条件下薄膜电阻在不同电阻状态（高阻态（HR S）、低阻态（LRS））之间的相互转换来实现数据存储。根据电阻转换所需外加电压极性的不同，RRAM器件的电阻转变特性可以分为两种切换模式：单极转换和双极转换。从HRS到LRS的转换被称为“SET”过程。相反，从LRS到H RS的转换被称为“RESET”过程。单极转换是指器件在高低组态之间转变时外加电压极性相同。如果器件能在任意极性的电压实现高低阻态的转变，它被称作为无极性转换。双极开关的切换方向取决于所施加的电压的极性。 图2.2.1 （a）RRAM基本结构示意图和RRAM转换特性，（b）单极性转换，（c） 双极性转换 对于单极转换必须设置限制电流，对于双极转换，不一定需要设置限定电流的大小。施加在RRAM上的电压可以是脉冲电压或扫描电压，实际应用中利用扫描电压改变记忆单元电阻是不行的。除了使用直流电压改变阻态，还可以用电脉冲诱导电阻转变（EPIR）效应实现记忆单元阻值转换。利用改变脉冲电压的极性完成高低阻态的转变，如图1.2.2所示。
图2.2.2 脉冲诱使电阻转换的可重复现象 2.2 RRAM器件的阻变机制 到目前为止，电阻转换的真正机制还未确定，机制的不明确严重影响阻变存储器的应用步伐[6]。阻变效应属于材料的体效应还是氧化物与电极间的界面效应是需要解决的重大难点。目前，对于电阻转换现象的解释，研究人员提出了下面几种模型，主要有：导电细丝模型，界面接触势垒模型，缺陷能级模型。 2.2.1 导电细丝模型 导电细丝（CF，conducting filament）机制是一种局域化的效果，仅在介质薄膜的局部发生电阻的转变。从目前报道来看，固态电解液和大多数金属氧化物RRAM的电阻转变都与局部导电细丝的形成与断裂有关[7]。 图2.2.1 导电细丝模型 导电细丝主要原理：电路导通时，薄膜内部会形成传导路径，使通过电流变大，这时薄膜器件处于开启状态（ON state）；当导电通道断裂后，薄膜电流变小，这时薄膜器件处于关闭状态（OFF state）。图2.2.1为C.C Lin et al.人提出的导电细丝模型。（a）处于ON state，（b）、（c）、（d）都处于OFF state。