一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法，利用空间电荷限制电流机制SCLC对阈值转变忆阻器进行建模；其中，所述阈值转变忆阻器包括TaOx、VOx、NbOx已被实验证明有阈值特性的忆阻器；利用直接隧传到福勒

【技术实现步骤摘要】
一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法


[0001]本专利技术涉及忆阻器
，尤其涉及一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法。

技术介绍

[0002]忆阻器作为新兴的电子元件，由蔡少棠于1971年提出，具有低功耗、高密度、快速运行和高耐久性，以及与标准CMOS电路的集成能力，使记忆技术成为人们关注的焦点。构建合适的忆阻器模型对于探索忆阻器的应用场景具有重要意义。
[0003]目前对阈值转变忆阻器的模型研究尚不成熟，缺乏相应的建模方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法，该方法相较于单一的建模更加的完整、高效，且进一步探究了阈值忆阻器完整的电气特性，从而方便忆阻器在电路中的灵活应用。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法，所述方法包括：
[0007]步骤1、利用空间电荷限制电流机制SCLC对阈值转变忆阻器进行建模；其中，所述阈值转变忆阻器包括中间层是氧化钽、氧化钒、氧化铌或氧化铌已被实验证明有阈值特性的忆阻器；
[0008]步骤2、利用直接隧穿到福勒
‑
诺德海姆隧穿机制DT
‑
FNT对另一类阈值转变忆阻器进行建模；其中，所述另一类阈值转变忆阻器包括中间层是氧化铪掺银、氮氧化硅掺银或二氧化硅掺银已被实验证明有阈值特性的忆阻器。
[0009]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法相较于单一的建模更加的完整、高效，且进一步探究了阈值忆阻器完整的电气特性，从而方便忆阻器在电路中的灵活应用。
附图说明
[0010]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0011]图1为本专利技术实施例提供的基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法流程示意图；
[0012]图2为本专利技术实施例所设计的Spice模型示意图；
[0013]图3为本专利技术实施例基于DT
‑
FNT所设计的Spice模型示意图。
具体实施方式
[0014]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0015]如图1所示为本专利技术实施例提供的基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法流程示意图，所述方法包括：
[0016]步骤1、利用空间电荷限制电流机制SCLC对阈值转变忆阻器进行建模；
[0017]其中，所述阈值转变忆阻器包括中间层是氧化钽、氧化钒、氧化铌或氧化铌被实验证明有阈值特性的忆阻器；
[0018]在该步骤中，空间电荷限制电流机制SCLC通常发生在电荷从金属电极注入到绝缘体等介质时，在界面处产生空间电荷区，控制通过介质的电流，对于低电压和低电荷注入，电流主要是由于存在于介质中的自由电荷，并遵循欧姆行为I～V(电流电压关系曲线)，由于通过欧姆定律电流密度J符合下式：
[0019]J～Eexp(
‑
Eae/KT)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0020]式中，E为电场；Eae为电子活化能；K为玻尔兹曼常数；T为阈值转变忆阻器内部温度；
[0021]实际上，真正的电介质的特征是存在晶格缺陷、杂质等，这些缺陷会导致电子陷阱的存在，考虑到电子陷阱的存在，电流密度与电压的关系取决于陷阱的能量分布，当为浅陷阱时，即遵循曲线I～V2(浅陷阱区)，满足等式2：
[0022][0023]其中，θ代表自由电子的比例；Nc作为导带底部的态数；Nt为陷阱态数；μ是电子迁移率；薄膜介电常数；d膜厚度；Ea描述能量陷阱的活化能水平低于导带；
[0024]当为深陷阱时，即遵循曲线I～V
n n>2(深陷阱区)，满足等式3：
[0025][0026]其中，Tt为陷阱温度；l+1为电流正比于V
n
中的指数n，TaOx忆阻器的实验对数I
‑
V曲线与SCLC机制恰好吻合；
[0027]通过以上分析，在基于SCLC的基础上对阈值转变忆阻器进行物理建模，在等式1
‑
3两边分别除以电压，得到以下物理模型：
[0028]R
ohm
＝R1exp(E
ae
/KT)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029][0030]R
deep
＝R34T
n
‑1V
‑
(n
‑
1)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0031][0032]其中，Rohm、R
shollow
、R
deep
分别为阈值转变忆阻器的电流电压在遵循欧姆定律、曲线
I～V2、曲线I～V
n n>2时的器件电阻；R1、R2、R3分别为这三种状态下的初始电阻；
[0033]为了描述自热效应，我们利用传热定律式7来描述所述阈值转变忆阻器的导电区域与外部环境之间的能量交换，类似于热电容，其温度变化可以用焦耳加热和散热来描述；R和i分别为器件的实时电阻和电流；Гth为导热系数；C为热电容；ΔT＝T
‑
Tamb，介于环境温度Tamb与纤维区域温度T之间；
[0034]以上等式1
‑
4为利用空间电荷限制电流机制SCLC设计的阈值转变忆阻器物理模型。
[0035]另外，为了探究阈值转变忆阻器完整的电气特性，还需要将其放在电路软件中仿真，故根据上述所建立的物理模型，本专利技术实施例还设计了Spice模型，如图2所示为本专利技术实施例所设计的Spice模型示意图：
[0036]图2左边表示完整的阈值转变忆阻器，三个电容分别是以上等式(4)(5)(6)的电阻，当电压很小时，Rohm很小，另外两个电阻阻值很大，导致Rshollow和Rdeep的分支电路基本不能导通，这时器件内部的焦耳热基本由Rohm提供；同理当电压稍微增大和很大时，焦耳热分别由Rshallow和Rdeep提供。
[0037]图2右边是等式(7)的等效电路，即热电容，由基尔霍夫节点电流法可知，电流从I＝joule()流进结点T，从电容和电阻流出，等效于忆阻器随电压的增加，电流I相当于内部纤维温度产生的热，但同时器件也会耗散掉一部分的热量(由R3上的电流表示)，产生的热减去耗散的热等于器件内部的净生产热，即电容C1上的电流。
[0038本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、利用空间电荷限制电流机制SCLC对阈值转变忆阻器进行建模；其中，所述阈值转变忆阻器包括中间层是氧化钽、氧化钒、氧化铌或氧化铌已被实验证明有阈值特性的忆阻器；步骤2、利用直接隧穿到福勒
‑
诺德海姆隧穿机制DT
‑
FNT对另一类阈值转变忆阻器进行建模；其中，所述另一类阈值转变忆阻器包括中间层是氧化铪掺银、氮氧化硅掺银或二氧化硅掺银已被实验证明有阈值特性的忆阻器。2.根据权利要求1所述基于传输机制的阈值转变忆阻器的建模方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：基于空间电荷限制电流机制SCLC，通过欧姆定律的电流密度J符合下式：J～Eexp(
‑
Eae/KT)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，E为电场；Eae为电子活化能；K为玻尔兹曼常数；T为阈值转变忆阻器内部温度；考虑到电子陷阱的存在，电流密度与电压的关系取决于陷阱的能量分布，当为浅陷阱时，即遵循曲线I～V2，满足等式2：其中，θ代表自由电子的比例；Nc作为导带底部的态数；Nt为陷阱态数；μ是电子迁移率；薄膜介电常数；d膜厚度；Ea描述能量陷阱的活化能水平低于导带；当为深陷阱时，即遵循曲线I～V
n n>2，满足等式3：其中，Tt为陷阱温度；l+1为电流正比于V
n
中的指数n；通过以上分析，在基于SCLC的基础上对阈值转变忆阻器进行物理建模，在等式1
‑
3两边分别除以电压，得到以下物理模型：R
ohm
＝R1exp(E
ae
/KT)
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(4)R
deep
＝R34T
n
‑1V
‑
(n
‑
1)
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(6)其中，Rohm、R
shollow
、R
deep
分别为阈值转变忆阻器的电流电压在遵循欧姆定律、曲线I～V2、曲线I～V
n n>2时的器件电阻；R1、R2、R3分别为这三种状态下的初始电阻；式7用来描述所述阈值转变忆阻器的导电区域与外部环境之间的能量交换，类似于热电容，其温度变化可...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴祖恒，邹建勋，李星，代月花，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：