ỨNG DỤNG MEMRISTOR để THIẾT kế MẠCH NHẬN DẠNG kí tự

M CL C
Trang t a

Trang

Lụ L CH KHOA H C ............................................................................................ i
L I CAM ĐOAN ................................................................................................... ii
L I C M N ........................................................................................................ iii
TÓM T T .............................................................................................................. iv
ABSTRACT ............................................................................................................ v
M C L C .............................................................................................................. vi
DANH SÁCH HỊNH V ..................................................................................... viii
DANH SÁCH B NG BI U .................................................................................. ix
CH

NG 1 T NG QUAN .................................................................................... 2

1.1. T ng quan chung ......................................................................................... 2
1.2. Các k t qu nghiên c u đƣ công b ............................................................. 3
1.3. M c đích c a đ tƠi...................................................................................... 5
1.4. Nhi m v và gi i h n c a đ tài .................................................................. 5
1.4.1. Nhi m v c a đ tài .............................................................................. 5
1.4.2. Gi i h n c a đ tài ................................................................................ 6
1.5. Ph

ng pháp nghiên c u ............................................................................. 6

1.6. Tóm t t đ tƠi ............................................................................................... 6
CH

NG 2 C S Lụ THUY T ....................................................................... 8

2.1. T ng quan v memristor .............................................................................. 8
2.2. Tính chất c a memristor .............................................................................. 9
2.3. Đ nh nghĩa memristor ................................................................................ 12
2.4. Tr kháng nh (memristance) ................................................................... 12
2.5. Nguyên lý ho t đ ng c a memristor ......................................................... 14
2.5.1. Hình dáng bên ngoài ........................................................................... 14
2.5.2. Quá trình ho t đ ng ............................................................................ 14
2.6. So sánh gi a transistor vƠ memristor ........................................................ 17
2.7. Các ng d ng ............................................................................................. 18
2.7.1. B nh không bay h i......................................................................... 18

vi


2.7.2. Các m ch logic/ tính toán ................................................................... 18
2.7.3. M ng thần kinh sinh h c (neuromorphic) .......................................... 19
2.7.4. Các ng d ng khác ............................................................................. 19
2.8. Chất li u lƠm memristor ............................................................................ 19
2.8.1. T bƠo ph kim lo i ............................................................................ 19
2.8.2. Perovskite: .......................................................................................... 19
2.8.3. Phơn tử/ polime: .................................................................................. 20
2.9. Các thu n l i c a memristor:..................................................................... 20
2.10. Các thách th c chính ............................................................................... 21
CH

NG 3 MỌ HỊNH MEMRISTOR C A HP................................................ 22

3.1. Cấu trúc mô hình memristor ...................................................................... 22
3.2. Mô hình d ch tuy n tính ............................................................................ 23

CH

NG 4

D NG Kệ T

NG D NG MEMRISTOR TRONG THI T K M CH NH N
...................................................................................................... 26

4.1. Memristor trong cấu trúc m ch t h p ...................................................... 26
4.1.1. Cấu trúc memristor lỦ t

ng ............................................................... 26

4.1.2. C ng ắkéo theo” ................................................................................. 27
4.1.2.1. Đặc đi m ...................................................................................... 27
4.1.2.2. Nguyên lỦ ho t đ ng .................................................................... 28
4.1.3. C ng XOR .......................................................................................... 29
4.1.3.1. Đặc đi m ...................................................................................... 29
4.1.3.2. Nguyên lỦ ho t đ ng .................................................................... 30
4.1.3.3. Mô ph ng bằng cadence............................................................... 31
4.2.

ng d ng memristor trong thi t k m ch nh n d ng kí t ....................... 35

4.2.1. S đ m ch nh n d ng kí t sử d ng memristor ................................ 35
4.2.2. Nguyên lỦ ho t đ ng ........................................................................... 39
4.2.3. Mô ph ng: M ch nh n d ng kí t bằng phần m m Cadence ............. 40
CH

NG 5 K T LU N, ĐÁNH GIÁ VÀ H

NG PHÁT TRI N ................. 44

TÀI LI U THAM KH O ..................................................................................... 46

vii


DANH SÁCH HỊNH VẼ
HÌNH
TRANG
Hình 2.1: 4 nhơn t m ch c b n ........................................................................... 8
Hình 2.2: 17 memristor đ

c phóng to bằng kính hi n vi .................................... 9

Hình 2.3: S đ minh h a memristor qua dòng đi n vƠ đ l n c a ng ............. 10
Hình 2.4: Đặc tuy n I-V c a đi n tr vƠ memristor ............................................ 11
Hình 2.5: Đặc tuy n I-V c a memristor vƠ s co l i khi tần s tăng................... 12
Hình 2.6: kí hi u c a memristor .......................................................................... 12
Hình 2.7: Ki n trúc crossbar vƠ chuy n m ch đi n tr nh đ

c phóng to ........ 14

Hình 2.8: s khu ch tán các phơn tử oxy ............................................................ 16
Hình 3.1: S đ c a m t memristor HP .............................................................. 22
Hình 4.1: Đặc tuy n lỦ t

ng c a memristor ...................................................... 26

Hình 4.2: Kí hi u c a c ng ắkéo theo” ............................................................... 27
Hình 4.3: C ng ắkéo theo” đ
Hình 4.4: Mô t m t tr

c xơy d ng từ 2 memristor vƠ 1 đi n tr ........... 28

ng h p c ng ắkéo theo” .............................................. 29

Hình 4.5: Kí hi u c ng XOR ............................................................................... 30
Hình 4.6: (a) C ng XOR đ

c xơy d ng từ 2 memristor RP và RY; (b) Quá trình

th c thi; (c) B ng tr ng thái ho t đ ng ................................................................ 30
Hình 4.7: S đ m ch c ng XOR trong Cadence ............................................... 31
Hình 4.8: D ng sóng tín hi u đi u khi n S1, S2, VP ............................................ 31
Hình 4.9: V l i hình 4.7: (a) B

c 2 v i Vx = 0; (b) B

c 2 v i Vx = VEVL > 0

.............................................................................................................................. 32
Hình 4.10: D ng sóng ngõ ra c a Vx, Ry, Rp ..................................................... 34
Hình 4.11: S đ kh i m ch nh n d ng kí t [10] .............................................. 35
Hình 4.12: So sánh 2 kh i nh n d ng kí t sử d ng b nhơn: (a) V i c ng XOR
thông th

ng; (b) V i c ng XOR sử d ng memristor ......................................... 36

Hình 4.13: (a) M ch c ng L bit; (b) M ch c ng 1 bit ......................................... 37
Hình 4.14: Cấu trúc c ng XOR sử d ng memristor ............................................ 38
Hình 4.15: M ch hình 4.12(b) đ

cv l i

viii

b

c III ......................................... 39


Hình 4.16: (a) S đ m ch nh n d ng kí t trong Cadence; (b) Cấu trúc 1 c ng
XOR ..................................................................................................................... 41
Hình 4.17: D ng sóng ngõ ra c a m ch nh n d ng kí t .................................... 42

DANH SÁCH B NG BI U
B NG

TRANG

B ng 2.1: So sánh gi a transistor vƠ memristor .................................................. 17
B ng 4.1: B ng s th t c a c ng ắkéo theo” ....................................................... 27
B ng 4.2: B ng s th t c a c ng XOR truy n th ng (⊕) ................................... 29
B ng 4.3: So sánh m ch nh n d ng theo 2 công ngh ........................................ 38
B ng 4.4: Trình t th c thi c a m ch nh n d ng kí t ........................................ 39
B ng 4.5: 16 tr

ng h p ngõ vƠo v i k t qu ngõ ra t

ng ng (theo tính toán)

.............................................................................................................................. 41
B ng 4.6: Đi n áp ngõ ra đo đ

c

b

c III t

ix

ng ng v i các ngõ vƠo .......... 42


Ch

ng 1: T ng quan

CH

NG 1

T NG QUAN
1.1. T ng quan chung
Theo đ nh lu t Moore, s transistor trong mỗi chip s nhơn đôi sau 2 năm. Tuy
nhiên, t c đ nƠy đang dần ch m l i do các thƠnh t đƣ b thu hẹp kích cỡ xu ng

ch còn vƠi phơn tử vƠ rất khó đ thu hẹp nh n a vì vấn đ v đ chính xác vƠ
n đ nh. Vì th mƠ nhi u ph

ng pháp, lỦ thuy t m i ra đ i. VƠ v i s đ c p

ắmemristor”(đi n tr nh ) c a nhƠ nghiên c u Leon Chua, thì m t t

ng lai m i

đƣ m ra v i m t công ngh khác, công ngh nƠy th m chí còn t t h n c công
ngh CMOS v n đƣ vƠ đang phát tri n m nh hi n t i.
Từ khi công ngh đi n tử b t đầu ra đ i, thì ta ch bi t đ n 3 lo i thi t b m ch c
b n là đi n tr (R), cu n c m (L) và t đi n (C). Nh ng đ n năm 1971, nhà
nghiên c u Leon Chua c a UC Berkeley đƣ nh n ra kh năng t n t i c a m t lo i
thi t b th t , m t lo i thi t b th hi n m i quan h gi a đi n l

ng (q) v i từ

thông (φ), đó là Memristor. Và mãi lơu sau đó, thì R. Stanley Williams cùng v i
các đ ng nghi p

phòng thí nghi m Hewlett-Packard m i hoàn thành đ

cm t

memristor đầu tiên.
Thi t b này có kh năng nh m t đi n tr , nh ng đi n tr này có m t kh năng
đặc bi t là thay đ i đ

c tr ng thái tr kháng c a chính mình khi có dòng đi n,

đi n áp đặt vào hai đầu nó, khi dừng vi c cấp đi n áp thì thi t b này v n l u tr
đ

c tr ng thái ngay lúc đó mà không h b mất theo th i gian dài. V i kích th c

càng nh thì kh năng thay đ i nhi u tr ng thái tr kháng càng rõ ràng, nên
memristor đƣ và đang đ

c nghiên c u rất nhi u v i vai trò nh m t b nh có

th th c hi n các phép logic, hay ho t đ ng nh m t b nh có nhi u m c tr ng
thái khác nhau, nhằm c i thi n công ngh s n xuất chip hi n nay v i t c đ
nhanh, ti t ki m đi n, chi phí thấp, cấu trúc đ n gi n vƠ đ tích h p dƠy đặc h n.
VƠ đặc bi t là ti m năng mô t sử d ng đi n tr nh này nh là các kh p thần
kinh nhằm b t ch

c các ch c năng c a m t b não th t s v i kích th c nh

h n rất nhi u lần so v i các công ngh tr
2

c đơy.


Ch

ng 1: T ng quan

V lý thuy t, Memristor s có giá r h n vƠ t c đ cao h n so v i b nh flash,

và cho phép m t đ b nh l n h n nhi u. Nh ti t ki m chi phí và gi m thi u
l

ng linh ki n sử d ng nên công ngh này s t o ra nh ng h th ng máy tính giá

r đ vừa trong chi c túi áo và ch y nhanh h n gấp nhi u lần so v i các h th ng
hi n t i.
Memristor mang l i rất nhi u u đi m nh ít t n năng l
h n vƠ trong cùng m t khu v c l u tr t
th

ng thì memristor có th l u tr l

ng đ

ng, ho t đ ng nhanh

ng trên b nh bán d n thông

ng d li u nhi u h n ít nhất là 2 lần.

Ngoài ra, trên th c t thì memristor "mi n d ch" v i các b c x v n là nguyên
nhân gây gián đo n các công ngh bán d n hi n th i. V i y u t này, memristor
s giúp các thi t b tr nên nh h n bao gi h t nh ng cũng m nh m h n bao
gi h t. M t u đi m n a c a memristor là chúng không bao gi "quên", đi u
này cho phép nó có th thay th cho RAM, vƠ cho phép các h th ng máy tính
không cần ph i kh i đ ng qua m t quá trình r m rƠ mà ng

i dùng ch vi c b t

t t máy nh công t c đèn.
Và v i đặc tính v n có thì Memristor s th c s t o ra m t th h máy tính m i
nh kh năng ghi nh c chuỗi tr ng thái đi n năng h n lƠ ch có tr ng thái ắt t”
hoặc ắb t” nh trong các b xử lý s hi n đ i.
Chính vì nh ng tính năng u vi t c a memristor nên đ tƠi quy t đ nh ch n
h

ng nghiên c u lƠ: ắ ng d ng memristor đ thi t k m ch nh n d ng kí t ”,

nhằm nghiên c u các đặc tính c b n c a memristor cũng nh t o ti n đ đ
nghiên c u sơu h n v công ngh nƠy trong t

ng lai, m t công ngh mƠ có th

thay th cho công ngh CMOS hi n nay v i m t đ tích h p nh , ti t ki m năng
l

ng, kh năng l u tr , xử lỦ tín hi u nhanh và t t h n.

1.2. Các k t qu nghiên c u đƣ công b
K từ năm 1971, nhà nghiên c u Leon Chua c a UC Berkeley đƣ nh n ra kh
năng t n t i c a memristor nh là m t lo i thi t b c b n th t trong bài báo:
ắMemristor ậ The Missing Circuit Element”, c a Leon O. Chua, thành viên ch

3


Ch

ng 1: T ng quan

ch t c a IEEE, và đ

c công b vào năm 1971. Đây là nhân t m ch th đ ng,

th hi n m i quan h gi a đi n l
th ch ng minh rõ ràng đ

ng và từ thông ch y qua nó. Nh ng ông ch a

c s t n t i th t s c a nó.

Cho đ n năm 2008, thì R. Stanley Williams cùng các đ ng nghi p đƣ công b các
chi ti t v đi n tr nh này v i m t s kh năng tuy t v i c a nó trong bài báo:
ắHow we found the missing Memristor”. V i s k t h p transistor v i đi n tr
nh , R. Stanley có th tăng hi u năng c a các m ch s mà không cần thu nh các
transistor l i. Sử d ng các transistor hi u qu h n có th giúp chúng ta duy trì
lu t Moore và không cần t i quá trình nhân đôi m t đ transistor v n t n nhi u
chi phí và ngày càng khó khăn. V lâu dài thì đi n tr nh th m chí còn có th là
b

c ngoặt đánh dấu s xuất hi n c a các m ch t

ng t (analog) bi t tính toán

nh sử d ng ki n trúc gi ng nh ki n trúc c a b não. Qua bài báo này, ông cũng
trình bày s b v đặc đi m c a memristor. Đi n tr nh (memristor) là từ vi t
g n c a ắmemory resistor” vì đó chính là ch c năng c a nó: ghi nh l ch sử c a
b n thân. M t phần tử đi n tr nh có hai c c, v i tr kháng c a nó ph thu c
vào đ l n, chi u phân c c và kho ng th i gian c a đi n th áp lên nó. Khi b n

t t đi n th này thì đi n tr nh v n nh m c tr kháng ngay tr

c khi t t cho t i

lần b t lên k ti p, bất chấp vi c này có x y ra sau đó m t ngày hay m t năm.
BƠi báo:”Disclosing the secrets of memristors and implication logic” c a Jens
Burger l i t p trung vào th o lu n memristor trong ng c nh t ng h p logic s .
Và đ a ra m t cái nhìn t ng quan v các đặc tính c a memristor và chúng đ

c

sử d ng trong logic s nh th nào. Bài báo s gi i thi u cách th c mà memristor
ánh x v i các phép toán logic s và bằng cách nào memristor có th đ
d ng v i các ph

c sử

ng pháp t ng h p chung đ bi n m t ch c năng lu n lý d thay

đ i thành m t m ch logic c th .
V i bài báo: ắMemristor-based Circuits for Performing Basic Arithmetic
Operations” c a Farnood Merrikh-Bayat, Saeed Bagheri Shouraki. Trong hầu
h t các m ch đi n hi n t i, đặc bi t là trong các m ch t

ng t th c thi các ng

d ng xử lý tín hi u, các phép tính s h c ví d nh phép nhân, phép c ng, phép

4

Ch

ng 1: T ng quan

trừ và phép chia đ

c th hi n bằng các giá tr đi n áp và dòng đi n. Tuy nhiên,

bài báo này đ xuất m t ph

ng pháp m i đ n gi n đ th c hi n các phép toán

s h c, đó lƠ các tín hi u đ

c đ i di n và l u tr thông qua kh năng nh tr

kháng c a m t nhân t m i đ

c phát hi n, memristor. VƠ k t qu mô ph ng đƣ

th hi n đ

c s hi u qu , đ chính xác, tính đ n gi n vƠ t c đ nhanh c a các

m ch đƣ đ

c đ xuất.

M t đ n v tính toán logic có tính tr kháng d a trên memristor đ

c gi i thi u

qua bài báo: ắMemristive Computing ậ Multiplication and Correlation” c a
Sangho Shin, Kyungmin Kim, và Sung-Mo ắSteve” Kang

tr

ng đ i h c c a

California, Stanta Cruz. Bài báo này t p trung vƠo th c hi n phép nhân các tín
hi u bằng các thi t b memristor đ n c c và các thi t b chuy n m ch đi u khi n.
K t qu tính toán s đ

c l u vào m t b nh memristor, có th l u tr đ

li u ngay c khi t t ngu n, và ngõ ra c a tính toán có th đ

cd

c truy c p l i vào

bất c lúc nào bằng vi c đ c tr ng thái c a ngõ ra memristor.
1.3. M c đích c a đ tƠi
V i các yêu cầu ngƠy cƠng kh c khe trong lĩnh v c vi m ch ngƠy nay, nên đ tƠi
nƠy đ

c ti n hƠnh v i m c đích nghiên c u cấu trúc, đặc đi m, nguyên lý c a

công ngh m i ậ ắMemristor”, cũng nh kh năng thay th vƠ k t h p v i cấu

trúc vi m ch hi n th i đ tăng kh năng tích h p, t c đ xử lỦ, gi m chi phí và
ti t ki m đi n năng tiêu hao cho thi t b .
1.4. Nhi m v và gi i h n c a đ tài
1.4.1. Nhi m v c a đ tài
-

Phơn tích cấu trúc, đặc đi m vƠ nguyên lỦ ho t đ ng c a đi n tr nh
(memristor).

-

Tìm hi u công ngh thi t k vi m ch hi n nay.

-

Xem xét đ

tích h p, t c đ

th c thi c a m ch đi n khi sử d ng

memristor.

5


Ch

ng 1: T ng quan
-

CƠi đặt vƠ nghiên c u sử d ng b công c thi t k vi m ch Cadence trên
n n h đi u hƠnh Redhat.

-

ng d ng memristor xơy d ng các m ch t h p s c b n.

-

ng d ng memristor trong thi t k m ch nh n d ng kí t m u.

1.4.2. Gi i h n c a đ tài
Đ tƠi ch t p trung vƠo nghiên c u lỦ thuy t, thi t k vƠ mô ph ng memristor
trên máy tính, không th thi công th c t vì chi phí l n. B

c đầu kh o sát cách

th c ho t đ ng c a memristor trong các m ch t h p s ; qua đó,

ng d ng

memristor vƠo thi t k m t m ch nh n d ng kí t

ng d ng

memristor vƠo thi t k các m ch t
1.5. Ph

căn b n, ch a

ng t .

ng pháp nghiên c u

Do m c đích nghiên c u c a đ tƠi ch y u t p trung vƠo nghiên c u công ngh
vi m ch m i, nên ph

ng pháp nghiên c u đ

c sử d ng ch y u là:

-

Tìm hi u v đặc đi m, cấu trúc memristor,

-

Đặc tuy n vƠ nguyên lý ho t đ ng,

-

Ph

-

Thông qua đó, ng d ng memristor trong thi t k m t s m ch t h p, và

ng pháp k t h p memristor v i các cấu trúc vi m ch sẵn có.

trong cấu trúc c a m t m ch nh n d ng kí t m u.
1.6. Tóm t t đ tƠi
V i các yêu cầu vƠ m c tiêu đ ra, lu n văn đ

c xơy d ng bao g m các ch

ng

sau:
-

Ch

ng 1: T ng quan v lĩnh v c cũng nh đ tƠi nghiên c u. Trình bƠy

khái quát v tình hình lĩnh v c vi m ch nghiên c u hi n nay, thông qua đó
đ c p đ n tầm quan tr ng c a đ tƠi.
-

Ch

ng 2: Trình bƠy v cấu trúc, đặc đi m, chất li u vƠ nguyên lỦ ho t

đ ng c a memristor. Qua đó, trình bày kh năng ng d ng c a memristor

6


Ch

ng 1: T ng quan
trong nhi u lĩnh v c k thu t, và rút ra nh ng tính năng v

t tr i, cũng

nh thách th c c a v t li u m i nƠy.
-

Ch

ng 3: Trình bƠy v m t mô hình memristor đ

c xơy d ng b i các

nhƠ nghiên c u c a t p đoƠn HP.
-

Ch

ng 4: Trình bƠy v

ng d ng memristor k t h p v i công ngh

CMOS truy n th ng đ xơy d ng các m ch s t h p. Và d a trên các
m ch s t h p sử d ng memristor, thi t k m ch nh n d ng kí t .
-

Ch

ng 5: K t lu n vƠ h

ng phát tri n đ tƠi.

7


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

CH

C

S

NG 2

Lụ THUY T

2.1. T ng quan v memristor
Trong lỦ thuy t m ch đi n tử, có 3 thi t b m ch c b n đƣ bi t, đó lƠ đi n tr ,
cu n dơy, vƠ t đi n. Mỗi thi t b nƠy đ

c đ nh nghĩa d a trên m i liên h gi a

hai trong b n bi n s m ch c b n: dòng đi n, từ thông, đi n tích, đi n áp. Dòng
đi n đ

c đ nh nghĩa nh

Faraday, đi n áp đ

lƠ vi phơn c a c a đi n tích. Theo nh

đ nh lu t

c đ nh nghĩa nh lƠ vi phơn c a từ thông. Đi n tr đ

đ nh nghĩa b i m i quan h c a dòng đi n vƠ đi n áp, t đi n đ
b i m i quan h gi a đi n tích vƠ đi n áp, vƠ cu n dơy đ

c

c đ nh nghĩa

c đ nh nghĩa b i m i

quan h gi a từ thông vƠ dòng đi n. V i 4 bi n s m ch c b n thì có 6 m i liên
h gi a 2 bi n s v i nhau. Tuy nhiên, cho đ n nay, ta ch thấy có 5 s k t h p
nƠy. Vì v y, nhƠ nghiên c u Leon Chua đƣ đ xuất m t nhơn t m ch th 4, th
hi n m i liên h gi a từ thông vƠ đi n tích, nhằm hoƠn thƠnh s đ đ i x ng gi a
các bi n s m ch nh hình sau:

Hình 2.1: 4 nhơn t m ch c b n [12]
Leon Chua đƣ đặt tên cho nhơn t nƠy lƠ memristor, vi t t t c a: memory resistor.
Memristor có tr kháng th hi n m i liên h gi a từ thông vƠ đi n tích. VƠo năm

8

Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

2008, Stanley Williams, c a t p đoƠn Hewlett Packard, đƣ công b
memristor đầu tiên đƣ đ

m t

c s n xuất.

2.2. Tính chất c a memristor
Memristor lƠ m t nhơn t 2 c c th đ ng, mô t m i quan h c a đi n tích ch y
qua thi t b (tích phơn theo th i gian c a dòng đi n) v i từ thông; hay có th đ nh
nghĩa memristor lƠ m t thi t b bán d n 2 c c mƠ tr kháng c a nó ph thu c vƠo
đ l n vƠ c c tính c a đi n áp đặt vƠo nó vƠ th i gian mƠ đi n áp đó tác đ ng
vƠo. Khi mƠ ta ng ng đi n áp nƠy thì memristor v n ghi nh tr kháng gần nhất
c a nó cho đ n lần ti p theo tác đ ng vƠo nó bất chấp th i gian sau đó lƠ bao lơu,
có th lƠ m t vƠi ngƠy hay m t vƠi năm sau.

Hình 2.2: 17 memristor đ

c phóng to bằng kính hi n vi [13]

Cái tên c a nó ng Ủ rằng, memristor có th ắnh ” dòng đi n đƣ ch y qua nó lƠ
bao nhiêu. Đáng chú Ủ nhất lƠ nó có th l u tr ng thái đi n tử c a nó th m chí c
khi dòng đi n đƣ đ

c ng t, đi u nƠy giúp ta có th thi t k m t b nh l u tr

m i sử d ng memristor đ thay th cho b nh flash hi n nay.
Memristor có đặc tính cũng khá gi ng tr kháng. Gi sử xem m t đi n tr nh lƠ
m t cái ng mƠ dòng n

c ch y qua nó. Xem dòng n

năng c n tr dòng đi n tích c a đi n tr đ

c nh lƠ đi n tích. Kh

c xem nh lƠ đ l n đ

ng kính c a

ng: ng cƠng nh , tr kháng cƠng l n. Trong l ch sử thi t k m ch, các đi n tr
có bán kính ng n

c c đ nh. Nh ng m t memristor lƠ ng n
9

c mƠ có th thay


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

đ iđ

ng kính ng bằng l

nó. N u cho n
nh ng n u n

ng n

c vƠ h

c ch y vƠo theo m t h
c ch y theo h

H n n a, khi ng ng cấp n

ng ng

c ch y qua

ng, thì ng s l n lên (tr kháng gi m),
c l i thì ng s b co l i (tr kháng tăng).

c thì memristor v n nh đ

ch y qua lần cu i cùng. Ta thấy, ng n
có bao nhiêu n

ng ch y c a lu ng n

ng kính c a nó khi n

c không l u tr n

c

c mƠ nó ch nh đƣ

c ch y qua nó.
Dòng
đi n tăng

Dòng đi n
thu n

Tr kháng
trung bình

Tr kháng
gi m

Dòng đi n
ng c

Tr kháng
tăng

Hình 2.3: S đ minh h a memristor qua dòng đi n vƠ đ l n c a ng [13]
Nguyên nhơn mƠ memristor khác c b n so v i các nhơn t m ch căn b n khác lƠ
nó có kh năng nh . Khi nh ng cung cấp đi n áp cho nó thì nó v n ti p t c nh
đƣ có bao nhiêu đi n áp đ
th đ t đ

c

c đặt vƠo vƠ đƣ đặt vƠo bao lơu. K t qu nƠy không

bất c nhơn t m ch căn b n nƠo, vì th mƠ memristor đ

nh lƠ m t nhơn t m ch căn b n. V mặt kĩ thu t thì c ch nƠy có th đ

c xem
c tái

t o bằng cách sử d ng nhi u transistor vƠ t đi n nh ng nh th thì quá t n kém
vƠ ph c t p.
M t memristor lỦ t

ng lƠ m t thi t b đi n tử 2 c c th đ ng, vƠ ch mô t duy

nhất đặc tính tr kháng nh . Tuy nhiên, rất khó đ xơy d ng đ

c m t memristor

tinh khi t nh v y khi mƠ tất c thi t b th c t đ u ch a m t l

ng nh đặc tính

khác.
Hai tính chất đáng chú Ủ nhất c a memristor đó lƠ: th nhất, tính chất nh c a nó,
th hai lƠ kích th

c nano siêu nh . Tính chất vƠ kh năng nh c a memristor

cho chúng ta nghĩ v nhi u ph
kích th

ng pháp máy tính siêu nh m i. V i m t thi t b

c nano thì m t đ tích h p s rất cao vƠ t n ít năng l
10

ng. Thêm n a,


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

quá trình s n xuất các thi t b nano thì đ n gi n h n vƠ r h n vi c s n xuất sử
d ng công ngh CMOS truy n th ng.
Do memristor lƠ m t thi t b th đ ng nên đ sử d ng nó, ta cần tích h p nó vƠo
m t m ch đi n v i các nhơn t ch đ ng ví d nh transistor. M t m ch đi n mƠ
có thêm memristor thì s có nhi u thu n l i trong vi c tăng c

ng ch c năng c a

m ch v i ít nhơn t h n, trong m t vùng di n tích nh h n vƠ t n ít năng l

ng

h n.

Nhơn t m ch m i nƠy có nhi u đặc đi m gi ng v i đi n tr vƠ cũng có đ n v
đo bằng Ohm. Tuy nhiên, khác v i đi n tr , có tr kháng c đ nh, thì tr kháng
nh (memristance) có th đ

c l p trình hay chuy n sang các tr ng thái tr

kháng khác d a vƠo đi n áp đặt vƠo memristor tr

ng nƠy có th

c bằng đặc tuy n I-V c a đi n áp vƠ dòng qua đi n tr vƠ memristor.

Dòng đi n

quan sát đ

c đó. Hi n t

Đi n áp

Hình 2.4: Đặc tuy n I-V c a đi n tr vƠ memristor [13]
V i đi n tr thông th

ng thì m i quan h gi a dòng đi n vƠ đi n áp lƠ tuy n

tính, nên đặc tuy n I-V lƠ m t đ

ng thẳng, do tr kháng c a nó không đ i. Tuy

nhiên, do tính chất thay đ i tr kháng nh c a memristor, nên đặc tuy n I-V cũng

bi n thiên m t cách phi tuy n nh hình v .
ắVòng đ

ng cong I-V” b co l i khi mƠ tần s ngu n tăng. Hình 2.5 mô t đặc

tuy n I-V c a memristor, vƠ s thay đ i c a đ

11

ng cong I-V khi thay đ i tần s .


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

Th t v y, khi mƠ tần s kích thích tăng đ n vô cùng, thì memristor ho t đ ng nh
m t đi n tr .

Hình 2.5: Đặc tuy n I-V c a memristor vƠ s co l i khi tần s tăng [13]
2.3. Đ nh nghĩa memristor
Memristor vi t t t c a: memory resistor, lƠ m t thi t b th đ ng, m t nhơn t
m ch hai c c, th hi n m i quan h gi a từ thông vƠ đi n tích, trong đó từ thông
gi a hai c c lƠ m t hƠm c a l
lƠ m t nhơn t ch a năng l

ng đi n tích ch y qua nó. Memristor không ph i

ng.

NhƠ nghiên c u Leon Chua đ nh nghĩa nhơn t nƠy nh m t đi n tr , mƠ tr
kháng thay đ i d a trên l

ng đi n tích ch y qua. Kí hi u nh hình sau:

Hình 2.6: kí hi u c a memristor
2.4. Tr kháng nh (memristance)
Tr kháng nh lƠ m t tính chất c a memristor. Khi lu ng đi n tích ch y qua thi t
b theo m t h
ch y theo h

ng, thì tr kháng c a thi t b tăng lên. Còn khi lu ng đi n tích
ng ng

c l i thì tr kháng c a thi t b gi m. Khi mƠ đi n áp đặt

vƠo thi t b b ng t, t c lƠ lu ng đi n tích ngừng, thì memristor v n nh tr ng
thái tr kháng cu i ngay tr

c khi t t ngu n cấp. Khi mƠ cấp đi n áp tr l i thì

12


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

tr kháng c a thi t b cũng s gi ng nh lƠ tr kháng cu i cùng mƠ nó l u tr
đ

c tr

c khi ng t ngu n.

Mỗi memristor đ

c mô t b i m t hƠm tr kháng nh , mô t t c đ thay đ i từ

thông d a trên đi n tích ch y qua thi t b .
(2.1)
Theo nh đ nh lu t v c m ng đi n từ c a Faraday thì từ thông chính lƠ nguyên
phơn c a đi n áp vƠ đi n tích lƠ nguyên phơn c a dòng đi n theo th i gian, vì th
mƠ ta có th vi t công th c trên theo m t d ng khác nh sau:
(

)

(2.2)

Theo công th c trên ta thấy, tr kháng nh nh lƠ tr kháng mƠ ph thu c đi n
tích. N u M(q(t)) lƠ m t hằng s thì ta có th thu đ

c đẳng th c theo đ nh lu t

Ohm: R(t) = V(t)/ I(t). Tuy nhiên, M(q(t)) bi n đ i theo đi n tích, vì th mƠ đẳng
th c nƠy không đúng. Xem đi n áp nh m t hƠm c a th i gian, ta s có m i liên
h sau:
V(t) = M(q(t)). I(t)

(2.3)

Bi u th c nƠy cho thấy rằng tr kháng nh xác đ nh m t m i liên h tuy n tính
gi a dòng đi n vƠ đi n áp khi đi n tích không thay đ i. Mi n lƠ M thay đ i ít, ví
d ta sử d ng ngu n cấp xoay chi u, thì memristor có th xem nh lƠ m t đi n
tr có tr kháng c đ nh.
Công suất tiêu th c a memristor đ

c tính toán nh sau:
P(t) = V(t). I(t) = I2(t). M(q(t))

(2.4)

N u không cấp áp cho memristor, t c V(t) = 0 thì I(t) = 0, vƠ M(t) lƠ không đ i,
đơy chính lƠ tính chất c a hi u ng b nh . Đ ng th i, m ch không tiêu hao năng
l

ng.

13


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

2.5. Nguyên lý ho t đ ng c a memristor
2.5.1. Hình dáng bên ngoài
Memristor trong phòng thí nghi m c a HP có nhi u m ch đi n tr nh lo i
crossbar ch a m t dƣy các dơy d n b ch kim r ng 40 ậ 50nm và dày kho ng 2 ậ

3nm song song v i nhau, nằm
nằm

l pd

l p trên vƠ vuông góc v i các dơy d n b ch kim

i. Các l p trên vƠ d

iđ

c tách bi t nhau bằng m t chuy n m ch

bán d n dƠy xấp x 3 ậ 30nm. Các chuy n m ch bán d n nƠy ch a 2 phần Titan
oxit (TiO2) tinh khi t và TiO2-x ch a lỗ tr ng oxy bằng nhau. Dơy b ch kim l p
d

iđ

th đ

c n i v i phần TiO2 thuần khi t, phần còn l i lƠ l p TiO2 thi u oxy, có
c kí hi u lƠ TiO2-x v i x lƠ s nguyên tử oxy b thi u hay còn g i lƠ lỗ

tr ng. ToƠn b m ch vƠ c ch không th quan sát đ
th t

ng t

c bằng m t, nh ng ta có

ng m ch nh hình 2.7:

Hình 2.7: Ki n trúc crossbar vƠ chuy n m ch đi n tr nh đ

c phóng to [13]

2.5.2. Quá trình ho t đ ng
Quá trình ho t đ ng nh lƠ m t chuy n m ch c a memristor có th đ
thích theo 3 b

c. B

dòng đi n đi qua. B

c m t lƠ đặt vƠo memristor m t ngu n năng l
c th hai g m l

c gi i
ng hay

ng th i gian mƠ dòng đi n ch y qua các

14


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

dơy d n crossbar vƠ lƠm cách nƠo mƠ kh i titan oxit chuy n từ chất bán d n sang
chất d n đi n. B

c cu i cùng lƠ tr kháng nh th t s c a kh i titan oxit có th

đ

c đ c nh lƠ d li u.

B

c 1: Nh gi i thích

trên, mỗi kh i titan oxit đ

c n i v i 2 dơy platium

ch a m t hỗn h p 2 l p titan oxit. Tr ng thái ranh gi i ban đầu c a hỗn h p nƠy
lƠ chính gi a 2 phần chất d n vƠ chất bán d n. Hai dơy platium đ
năng l

ng nƠo, có th lƠ theo h

theo h

ng d

ng d

ng hoặc theo h

ng ơm. Năng l

ng s lƠm cho chuy n m ch đóng l i, còn h

chuy n m ch m ra. Áp d ng m t ngu n năng l

c ch n đ đặt
ng

ng ơm s lƠm

ng có th lƠm chuy n m ch

m hoƠn toƠn nh ng không th đóng hoƠn toƠn chuy n m ch vì v t li u sử d ng
đơy v n lƠ chất bán d n. Năng l

ng có th đ

c đặt vƠo bất c dơy d n nƠo đ

m hoặc đóng các chuy n m ch trong memristor t
B

c 2: B

ng ng.

c 2 s trình bƠy quá trình tác đ ng c a năng l

m c nguyên tử, nên không th quan sát đ

ng vƠo chuy n m ch

c bằng m t th

s đóng hay m chuy n m ch mƠ áp d ng năng l

ng. Quá trình nƠy

ng vƠo nó. Nh trong b

thì chuy n m ch g m m t nửa lƠ TiO2 vƠ m t n a lƠ TiO2-x v i x đ
lƠ 0.05. Khi mƠ m t dòng đi n d
đi n tích d

ng đ

đ

c kh i t o

c đặt vƠo, thì các lỗ tr ng oxy đ

cn p

ng b đẩy sang phần TiO2, đi u nƠy lƠm tr kháng c a chuy n m ch

gi m, tăng kh năng d n đi n, vƠ lƠm dòng đi n tăng. Ng
đi n ng

c 1,

cđ

c đặt vƠo thì các lỗ tr ng oxy b kéo ng

c l i, khi m t dòng
c l i từ phần TiO2 và

c ng ng t t i phần TiO2-x, phần TiO2 l n dần lên vƠ đi u nƠy lƠm cho

chuy n m ch tăng tính c n tr dòng đi n, dòng đi n gi m. Khi dòng đi n d
đặt vƠo thì chuy n m ch đ

ng

c xem nh m (HI), tr ng thái nƠy g i lƠ m c 1. Khi

dòng đi n ơm vƠ dòng b gi m, chuy n m ch đ
(LOW), tr ng thái nƠy g i lƠ m c 0.

15

c xem lƠ

tr ng thái đóng


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

Hình 2.8: s khu ch tán các phơn tử oxy. (a) L p TiO2-x ch a các lỗ tr ng oxy,
l p TiO2 lƠ l p cách đi n. (b) Đi n áp d

ng đ

c đặt vƠo l p trên, đẩy các lỗ

tr ng oxy vƠo l p cách đi n TiO2 phía d

i. (c) Đi n áp ơm trên chuy n m ch thì

hút các bong bóng oxy đ

ng ra kh i l p TiO2. [13]

B

c 3: B

c 3 lƠ b

c cu i cùng, vƠ đơy chính lƠ b

th c t . Nh gi i thích
nh đ

c n p đi n d

c sử d ng memristor vƠo

trên, tr kháng nh chính lƠ m t đi n tr có kh năng

c dòng đi n đƣ ch y qua. Khi năng l

v n gi nguyên v trí k từ lần cu i tr

ng đ

c ng t, thì các lỗ tr ng oxy

c khi t t ngu n cấp. Nghĩa lƠ tr kháng

c a v t li u nƠy s gi nguyên cho đ n khi m t ngu n năng l

ng m i đ

c đặt

vƠo. Đơy chính lƠ đặc tính chính c a tr kháng nh . Bằng m t đi n áp ki m tra
đ nh , không gơy nh h

ng đ n s di chuy n c a các phơn tử trong memristor,

ta s ti n hƠnh đ c tr ng thái tr kháng c a memristor nh lƠ đ c m t d li u
đ

c l u tr tr

c đó.

N u mu n sử d ng m t đi n áp d
oxit có ch a các lỗ tr ng nằm

ng đ t t memristor, thì ta sử d ng l p titan

l p trên. Nh ng n u mu n đi n áp d

m t memristor, thì ta ch vi c xoay ng
tr ng s nằm

l pd

ng m

c memristor l i, l p titan oxit có ch a lỗ

i.

Bằng ki n trúc crossbar nƠy, ta có th xơy d ng đ
l n, v i đ tích h p cao.

16

c m t b nh có dung l

ng

Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

2.6. So sánh gi a transistor vƠ memristor
B ng 2.1: So sánh gi a transistor vƠ memristor
Transistor

Memristor

- Thi t b chuy n m ch 3 c c: c c ngõ

- Thi t b 2 c c v i m t c c vừa có th ho t

vƠo (source), c c ngõ ra (drain) vƠ

đ ng nh c c đi u khi n hay c c ngu n, tùy

c c đi u khi n (gate).

thu c vƠo biên đ đi n áp đặt vƠo.

- Cần ngu n đ duy trì tr ng thái.

- Không cần ngu n v n duy trì đ

- L u tr d li u bằng đi n tích.

- L u tr d li u bằng tr ng thái tr kháng.

- Thu nh kích th

- Thu nh kích th

c khó vì không

ch a kim lo i.

c d h n vì có ch a kim

lo i titan.

- Kh năng th c thi các ch c năng s
cũng nh t

c tr ng thái.

- Kh năng th c thi các ch c năng s cũng nh

ng t , tùy thu c vƠo

đi n áp ng ỡng đ

t

c sử d ng.

- Sử d ng kĩ thu t quang kh c.

ng t , tùy thu c vƠo tần s , đi n áp hay

chất li u c th đ s n xuất memristor.
- Sử d ng kĩ thu t quang kh c, các kĩ thu t
khác (r h n) nh kĩ thu t quang kh c
nanoimprint vƠ t t h p có th đ

c sử d ng.

LỦ do memristor có th thay th cho transistor:
-

Transistor đƣ đ
memristor m i đ
đ

c nghiên c u vƠ phát tri n xấp x 60 năm. Trong khi đó,
c phát hi n kh năng ti m tƠng vƠ cũng m i b t đầu

c đ a vƠo nghiên c u nh ng năm gần đơy. Công ngh nƠy khá m i vƠ

ch a nhi u kh năng v
đang đ
-

t tr i ch a đ

c khám phá. Vì v y, mƠ memristor

c các nhƠ nghiên c u vi m ch xem xét vƠ nghiên c u khá nhi u.

M t lỦ do khác đ

ng d ng memristor vƠo thi t k vƠ s n xuất vi m ch đó

lƠ chất li u sử d ng đ ch t o memristor. Transistor th
silicon, không ph i kim lo i. Th
th

ng lƠm bằng

ng thì chất li u không ph i kim lo i

ng rất khó đ lƠm nh . Trong khi đó, memristor đ

Titan lƠ m t kim lo i, nên vi c ch t o v i kích th

c lƠm từ titan oxit.
c nh d dƠng h n.

Memristor cần ngu n cấp l n gấp nhi u lần transistor, tuy nhiên khi
memristor đ

c lƠm nh h n thì phần cấp ngu n không cần thi t ph i nh

theo.

17

Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

2.7. Các ng d ng
Ba lĩnh v c chính ng d ng memristor lƠ:
-

B nh không bay h i

-

Các m ch logic vƠ toán h c

-

M ng l

i thần kinh sinh h c (Neuromorphics).

2.7.1. B nh không bay h i
Đơy lƠ lĩnh v c c t y u đ ch ng minh hi u qu c a công ngh memristor. Hi n
nay có nhi u lo i b nh nh RAM, ROM, SDRAM, Flash…; trong đó b nh
Flash lƠ chi m u th nhất trong lĩnh v c b nh bán d n. Mỗi t bƠo b nh
flash thì cần ít nhất m t transistor. Trong khi đó, thi t k b nh
memristor th
transistor

ng d a trên cấu trúc crossbar, th

ng không cần thi t ph i có các

trong các t bƠo. Mặc dù các transistor v n cần trong các m ch

đ c/ghi vƠo b nh , nh ng xét v t ng th thì s l
m t b nh sử d ng công ngh memristor đƣ đ

ng transistor cần thi t cho

c gi m đi rất nhi u lần. M t

gi i h n c b n khác c a các ki n trúc b nh truy n th ng lƠ hi n t
c chai, th

sử d ng

ng th t nút

ng gơy khó khăn trong vi c đ nh v thông tin khi mƠ m t đ tích h p

ngƠy cƠng nh . Memristor đƣ đ a ra m t gi i pháp đ lo i b đ

c rƠo c n nƠy

đó lƠ vi c tích h p c ch c năng ghi nh vƠ ch c năng xử lỦ vƠo trong cùng m t
ki n trúc chung, v i ki n trúc nƠy thì m ch l u tr vƠ m ch xử lỦ ho t đ ng đ c
l p nhau; vì th mƠ tránh đ

c các xung đ t c h u trong ki n trúc b nh hi n

t i.
2.7.2. Các m ch logic/ tính toán
Ki n trúc c a crossbar c a Memristor rất thu n l i trong vi c tái cấu trúc các
ki n trúc tính toán ví d nh các m ch FPGA, ki n trúc mƠ có b c c gi a các
m ng c ng logic c b n có th đ

c thay đ i bằng cách tái l p trình m i liên k t

gi a các dơy d n. Nên, khi các chất li u memristor có th đi u ch nh đ

18

c tr ng


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

thái tr kháng m t cách n đ nh thì chúng có th xơy d ng đ
tính toán t

c m t h th ng

ng t , và s hi u qu h n các b xử lỦ s hi n nay.

2.7.3. M ng thần kinh sinh h c (neuromorphic)
Neuromorphic đ

c xem nh lƠ m ch đi n t

ng t , mô ph ng ki n trúc m ng

n -ron sinh h c. Từ nh ng bƠi báo đầu tiên c a Leon Chua đƣ có xem xét cấu
trúc memristor gần gi ng nh m t t bƠo thần kinh. VƠ n u memristor đ
nghiên c u vƠ ng d ng các đặc tính ghi nh vƠ vi c xử lỦ tín hi u t

ng t nh

các kh p thần kinh thì ta có th xơy d ng m t h th ng đi n tử nhơn t o t
nh b nƣo ng

i đ có th xử lỦ các ng d ng t

c

ng t

ng đ i ph c t p vƠ tinh vi.

2.7.4. Các ng d ng khác
Xử lỦ tín hi u, tính toán toán h c, so sánh m u, trí thông minh nhơn t o, máy
h c.
2.8. Chất li u lƠm memristor
Có nhi u lo i oxit nh nguyên có đặc tính tr kháng nh gi ng memristor nh
WO3, Ir2O3, MoO3, ZrO2, RhO2…. VƠ cũng đƣ có nhi u cu c thí nghi m v i
nhi u lo i oxit khác nhau trong nhi u năm qua nh TiO, CuO, NiO, ZrO, HfO.
Tùy lo i chất li u sử d ng thì memristor đ

c t o nên cũng có nh ng đặc tính

khác bi t nhau, tuy nhiên, chúng v n ch a các đặc tính chung nhất c a m t tr
kháng nh .
2.8.1. T bƠo ph kim lo i
Hi u ng tr kháng nh xuất hi n lƠ do s hình thƠnh các s i dơy kim lo i đ

c

k t n i v i hai c c, cách ly b i v t li u đi n phơn. Các s i kim lo i nƠy có th b
h ra hoặc n i l i tùy thu c vƠo c c tính c a đi n áp đặt vƠo.
2.8.2. Perovskite:

19


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

Chất li u Perovskite đ

c d a trên m t lo t các oxit lƠ b ba chất nh PCMO,

SrTiO3, SrZrO3, và BaTiO3. Nh ng lo i nƠy có tr kháng bi n đ i m t cách rất
n đ nh, vƠ đi u ch nh rất d dƠng thông qua vi c đi u ch s l
đ ng; đi u nƠy lƠm cho vi c ch t o các m ch đi n tử t

ng xung dao

ng t s d dƠng h n.

2.8.3. Phơn tử/ polime:
Chất li u phơn tử vƠ polime cũng đƣ đ

c nghiên c u b i HP (Hewlet-Packard)

vƠ AMD (Advanced Micro Devices) nh

lƠ n n t ng c a nhi u lo i b nh

không bay h i m i. V t li u polime vƠ phơn tử ion có các tính chất c a m t tr
kháng nh t t h n so v i các v t li u khác.
2.9. Các thu n l i c a memristor:
- Cung cấp m t đ tin c y vƠ kh năng ph c h i t t khi ngừng cung cấp năng
l

ng.

- Có m t đ tích h p cao.
-K th pđ

c công vi c c a b nh đang lƠm vi c v i các

c ng l u tr vƠo

cùng 1 thi t b .
- Nhanh vƠ r h n RAM.
- T n ít năng l

ng vƠ ít phát sinh nhi t.

- Cho phép kh i đ ng h th ng nhanh sau khi t t máy.
- Không mất d li u khi t t máy.
- Có th b t ch

c các ch c năng c a b nƣo.

- Có th nh đ

cl

- Các thi t b thông th

ng đi n tích đƣ ch y qua.
ng ch có 2 m c logic 0,1; trong khi memristor có th có

nhi u m c giá tr (ví d : 0.3, 0.5, 0.8…), lƠm cho memristor có th l u tr đ

c

nhi u d li u.
- Nhanh h n b nh Flash.
- Đ tăng t c đ vƠ s c m nh c a memristor, thì ta ch cần thay đ i chất li u c a
thi t b .

20


Ch

ng 2: C s lỦ thuy t

- M t dòng đi n l n vƠ nhanh giúp cho memristor ho t đ ng nh m t thi t b s .
- M t dòng đi n nh vƠ ch m có th giúp memristor ho t đ ng nh m t thi t b
t

ng t , nhi u m c.

- Kích th c b nh lƠm từ memristor có dung l
kích th
-T

ng 100GB t

ng đ

ng v i

c 16GB c a b nh flash.

ng thích công ngh CMOS hi n nay.

- Nh m t b nh không bay h i, memristor không tiêu th đi n khi

tr ng thái

ngh .
2.10. Các thách th c chính
- Thách th c chính lƠ t c đ c a nó t
nghiên c u xơy d ng các m ch đi n m i đ

ng đ i thấp, vƠ cần các nhƠ thi t k
ng d ng memristor vƠo th c t .

- Ch a có tiêu chuẩn thi t k c th .
- Tiêu t n năng l

ng khi đ c, vi t d li u.

- Cần nhi u kĩ thu t xử lỦ sai s h n.
- Đƣ có nhi u nghiên c u v chất bán d n memristor, nh ng v n ch a th t s
hoƠn thi n.

21


Ch

ng 3: Mô hình Memristor c a HP

CH

NG 3

MỌ HỊNH MEMRISTOR C A HP
3.1. Cấu trúc mô hình memristor
Trong năm 2008, 37 năm sau khi Leon Chua đ xuất các khái ni m ban đầu v
memristor, thì Stanley Williams và nhóm c a ông ấy đƣ hi n th c hóa memristor
phòng thí nghi m HP. Đ xây d ng memristor,

trong d ng m t thi t b th c t

h đƣ sử d ng m t tấm phim titan oxit (TiO2) rất m ng. Tấm phim đ

cn iv i

2 c c làm bằng b ch kim (Pt). M t bên c a TiO2 đ

c pha thêm các lỗ tr ng oxy.

Các lỗ tr ng oxy này là các ion mang đi n tích d

ng. Do đó có m t l p chuy n

ti p TiO2, v i m t bên là không pha và m t bên là có pha. Thi t b đ
d ng b i HP đ

c xây

c cho nh hình 5.

`
Hình 3.1: S đ c a m t memristor HP [13]
Trong hình 5, D lƠ đ dài c a memristor, w lƠ đ dài c a phần đ

c pha. V i

phần TiO2 thuần khi n là m t chất bán d n có đi n tr suất cao. Các lỗ tr ng oxy
đ

c thêm vào t o thành chất li u d n đi n TiO2-x.

Quá trình ho t đ ng c a memristor HP di n ra nh sau. Khi mƠ đi n áp d
đ

c đặt vào, thì các lỗ tr ng mang đi n tích d

ng

ng trong phần TiO2-x b đẩy

sang phần TiO2 không pha. K t qu là, biên gi a 2 phần chất li u b di chuy n,
lƠm tăng đ dài c a phần đ

c pha, tăng w. Đi u nƠy lƠm tăng đ d n đi n c a

c thi t b . Khi mƠ đi n áp ơm đ

c đặt vào, các lỗ tr ng oxy b hút ra kh i l p

TiO2 thuần khi t. Đi u nƠy lƠm tăng phần TiO2 thuần khi t, d n đ n tr kháng
c a thi t b cũng tăng. Khi mƠ ngừng cấp đi n áp cho memristor, thì các lỗ tr ng
oxy ngừng di chuy n, biên gi a 2 phần titan oxit cũng không đ i. Đơy chính lƠ
cách memristor ghi nh năng l

ng đƣ cung cấp cho nó tr
22

c đó.