Главная страница
Навигация по странице:

  • 2. Краткий обзор литературы 2.1. Основные свойства диэлектриков

  • 2.2. Протекание тока в диэлектрических пленках

  • 2.3. Мемристорный эффект в структурах «металл-диэлектрик-металл»

  • 3. Экспериментальное исследование мемристорного эффекта 3.1. Методика проведения эксперимента

  • 3.2. Результаты и обсуждение

  • 3.3. Частотные характеристики структур при переключении НС-ВС и ВС-НС

  • 4. Заключение и выводы

  • мемристорный эффект в тонких пленках. Мемристоры 1 (1). Краткий обзор литературы 4 Основные свойства диэлектриков 4 Протекание тока в диэлектрических пленках 6


    Скачать 488.83 Kb.
    НазваниеКраткий обзор литературы 4 Основные свойства диэлектриков 4 Протекание тока в диэлектрических пленках 6
    Анкормемристорный эффект в тонких пленках
    Дата19.10.2022
    Размер488.83 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаМемристоры 1 (1).docx
    ТипКраткий обзор
    #742044


    Содержание

    1. Введение 3


    2. Краткий обзор литературы 4

    2.1. Основные свойства диэлектриков 4

    2.2. Протекание тока в диэлектрических пленках 6

    2.3. Мемристорный эффект в структурах «металл-диэлектрик-металл» 8

    3. Экспериментальное исследование мемристорного эффекта 10

    3.1. Методика проведения эксперимента 10

    3.2. Результаты и обсуждение 10

    3.3. Частотные характеристики структур при переключении НС-ВС и ВС-НС 18

    4. Заключение и выводы 19

    Литература 20

    1. Введение
    В современном мире очень быстрыми темпами нарастает поток информации, необходимой людям для их жизнедеятельности. Эту информацию необходимо уметь хранить, генерировать, обрабатывать и пересылать. Для этих целей человечество использует электронную технику. Существующие устройства для хранения информации перестают удовлетворять текущим требованиям по скорости записи и считывания, плотности записи, объему хранимой информации на одном устройстве, по долговременности хранения. В связи с этим идут интенсивные поиски альтернативных способов и устройств хранения информации. Одним из наиболее перспективных направлений являются исследования мемристорного эффекта в диэлектриках. Суть этого эффекта заключается в том, что при смене полярности пропускаемого через мемристор тока его сопротивление может изменяться в широком диапазоне, на основе чего можно сделать вывод о том, что можно выбрать два состояния, которые можно принять за логический нуль и логическую единицу, и осуществлять запись, хранение и чтение логических битов с мемристорной структуры. Причем хранимая информация не накоплена в виде заряда, поэтому со временем, если не подключать структуру к току, информация не потеряется, как это происходит, например, с обычной FLASH-памятью.

    В электротехнике и электронике очень широко применяются различные диэлектрические материалы. До сих пор использовалось одно из главных свойств этих материалов: не пропускать через себя электрический ток даже при высоких напряжениях и полях до 106 В/см. Однако, в последние годы по мере совершенствования технологий интерес стали вызывать явления в тонких диэлектрических пленках толщиной в несколько десятков нанометров. Через такие пленки возможно протекание электрического тока при сравнительно небольших разностях потенциалов (порядка единиц вольт), но в таких объектах наблюдается мемристорный эффект.

    Цель данной работы заключалась в изучении мемристорного эффекта на структурах с тонкими диэлектрическими пленками. В качестве испытуемых диэлектрических пленок использовались пленки, изготовленные из двуокиси кремния и двуокиси циркония.

    2. Краткий обзор литературы
    2.1. Основные свойства диэлектриков
    Диэлектрики – это вещества, плохо проводящие электрический ток. Их удельное сопротивление ρ > 108 Ом ·см (у хороших диэлектриков это значение может достигать значение, равное 1016 Ом см).

    У диэлектриков электроны с атомами достаточно крепко связаны и не имеют возможности свободно перемещаться под воздействием электрического поля. В диэлектриках содержится не более 105 свободных носителей заряда на объем, равный 1 см3, что намного меньше, чем концентрация свободных электрических зарядов в проводниках. Напряженность электрического поля, следовательно, не обращается в ноль, а только уменьшается. Диполи внутри диэлектрика ориентируются по полю (поляризуются).

    Энергия слабого электрического поля для диэлектриков оказывается недостаточной для преодоления энергетического промежутка, и электроны не переходят из валентной зоны в зону проводимости.

    Полупроводники в охлажденном состоянии ведут себя подобно диэлектрикам, при нагревании же полупроводники приобретают свойства проводников. У полупроводников энергетический промежуток несколько меньше, чем у диэлектриков.

    Диэлектрическая проницаемость () – это величина, характеризующая степень ослабления напряженности внешнего электрического поля внутренним полем диэлектрика. Ослабление происходит в результате экранизации зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды.

    Диэлектрические потери – это часть энергии переменного электрического поля (Е), которая преобразуется в теплоту при переполяризации диэлектрика.

    Поляризация диэлектриков – это процесс смещения и упорядочения связанных электрических зарядов в диэлектрике под воздействием внешнего электрического поля.

    Различают различные механизмы поляризации:

    • электронная упругая поляризация (смещение электронных оболочек относительно ядер атома диэлектрика. Она определяется радиусом атома и слабо связана с диэлектрическими потерями. Время протекания  10-16 – 10-17 с);

    • ионная упругая поляризация (в веществах-диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных ионов относительно отрицательных. Время протекания  10-14 – 10-15 с. Поэтому данный тип поляризации успевает устанавливаться в переменных полях, включая сверхвысокочастотные (порядка 1010 – 1011 Гц), определяется радиусами ионов и по порядку величины он близок к электронной поляризуемости атомов и ионов);

    • дипольная упругая поляризация (связана с тем, что во многих диэлектриках, имеются молекулы, обладающие собственным электрическим моментом (представляют из себя диполи даже в отсутствие внешнего электрического поля), то есть этот механизм имеет место в твердых диэлектриках – полярных кристаллах (газах и жидкостях диполи несколько разориентированны за счет теплового движения, так что результирующая поляризация в них становится равной нулю, а под действием внешнего электрического поля устанавливается преимущественная ориентация диполей по электрическому полю), кроме того, этот механизм реализуется с некоторыми потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения внутри диэлектрика);

    • тепловая релаксационная поляризация (важное отличие от упругой поляризации – это сильная зависимость от температуры, то есть индуцированный внешним полем дипольный момент кроме всего прочего зависит и от интенсивности теплового движения частиц, участвующих в поляризации диэлектрика (температура – мера кинетической энергии движения частиц), название «релаксационная» также неслучайно, потому что тепловая поляризация устанавливается достаточно медленно, через некоторое время, названное временем релаксации);

    • ионная тепловая поляризация (во многих диэлектриках вблизи структурных дефектов имеются слабосвязанные ионы. Под действием внешнего электрического поля изменяется потенциальный рельеф и появляется преимущественное перемещение ионов в дефектных областях. Время протекания  10-8 – 10-4 с);

    • дипольная тепловая поляризация (если же в диэлектрике имеются слабо связанные диполи, то они могут относительно легко поворачиваться, но тепловое движение препятствует этой самой ориентации. Разница между ионной и дипольной тепловыми поляризациями заключается в том, что ион из одного равновесного положения проходит за счет поступательного движения, а диполь же в свою очередь – за счет вращательного).

    Перенос электрических зарядов в диэлектрике главным образом осуществляется под действием электрического поля. Для сквозной электропроводимости обязателен обмен зарядами между диэлектриком и металлическими электродами. В диэлектриках электропроводность имеет активационный характер, то есть носители зарядов (электроны, ионы и даже группы молекул) возникают из-за различных процессов возбуждений. Также важную роль играют контактные явления на границе металл-диэлектрик.

    В диэлектриках электрический ток может протекать посредством инжекции в него электронов и дырок. Процессы инжекции происходят в довольно сильных электрических полях. Избыточные инжектированные электроны или дырки позволяют получить важную информацию о дефектах в диэлектрике, так как эти дефекты захватывают на себя инжектированные носители заряда. При инжекции носители заряда оказываются неравновесными и нарушают электронейтральность материала диэлектрика, поэтому зависимость плотности тока от напряженности поля становится нелинейной.

    Повышение напряжения электрического поля, приложенного к диэлектрику, вызывает увеличение его проводимости. При достижении порогового напряжения ток в диэлектрике резко возрастает и возникает накал высокой проводимости и наступает так называемый пробой диэлектрика, а напряжение, при котором наступает пробой называют пробивным напряжением. Стойкость к пробою характеризует такая физическая величина, как электрическая прочность диэлектрика. Различают также различные механизмы пробоя диэлектрика:

    • чисто электрический пробой (образование накала высокой проводимости за счет резкого увеличения заряженных частиц, которые возникают в процессе соударения свободных электронов, ускоренных электрическим полем (с нейтральными частицами диэлектрика в процессе этого соударения возникают новые свободно заряженные частицы, ускоряемые электрическим полем))

    • электротепловой пробой (при приложении напряженности к диэлектрику происходит нагрев из-за диэлектрических потерь, а из-за этого в свою очередь снижается электрическое сопротивление диэлектрика, увеличивается ток. Этот процесс приводит к разрушению диэлектрика)

    • электрохимический пробой (под действием поля в диэлектрике начинают происходить химические реакции (электролиз, ионизация, окисление и тому подобные), в результате эти процессов возможно разложение материала диэлектрика. Этот вид пробой «облегчается» с повышением температуры и влажности)

    Материал данной главы был создан на основе литературы [???].

    2.2. Протекание тока в диэлектрических пленках
    2.2.1. Механизм Пула-Френкеля




    Рис. 1. Энергетические зоны полупроводников.


    Эффект Пула-Френкеля – это понижение барьера кулоновского потенциала при воздействии электрического поля. Электрон при данном эффекте, привязанный к локальному уровню, находится по отношению к зоне проводимости в потенциальной яме. Между зоной проводимости и зоной валентности находится запрещенная зона, ширина которой определяется минимальной энергией, необходимой для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. В запрещенной зоне могут находиться доноры и ловушки. Свойства доноров принципиально отличаются от свойств ловушек. Во-первых, ловушки не имеют своих электронов, они только захватывают «чужие» электроны. Доноры же имеют свои электроны, и эти электроны частично забрасываются в зону проводимости. Но самое замечательное свойство доноров – их энергия ионизации уменьшается в присутствии электрического поля. При удалении электрона из донора сам донор приобретает положительный заряд, поэтому для удаления электрона из донора этот электрон должен преодолеть кулоновскую силу притяжения между собой и положительным донором. С энергетической точки зрения это означает, что донор создает вокруг себя кулоновскую потенциальную яму.

    При наложении внешнего электрического поля под действием механизма Пула-Френкеля потенциальный барьер деформируется и становится уже, минимальная работа выхода электрона по направлению поля уменьшается. При наличии эффекта Пула-Френкеля концентрация электронов в зоне проводимости, а, следовательно, и электропроводность диэлектрика увеличиваются. Характерным признаком такого механизма токопереноса является линейность вольтамперной зависимости в координатах lg I=f(√U), где I – сила тока (А), U – напряжение (В). Обычно этот механизм реализуется при напряженности поля Е > 107 В/см.
    2.2.2. Механизмы инжекции электронов в диэлектрик из металлических контактов

    Различают три механизма, по которым в диэлектрик инжектируются носители отрицательного заряда – электроны.

    А) Механизм Шотки (надбарьерная эмиссия электронов)

    Данный механизм доминирует при высоких температурах и малых значениях потенциального барьера на контакте металл-диэлектрик. Механизм работает, когда энергии, за счет которой происходит пролет электрона над энергетическим барьером между валентной и проводящей зоной, при котором носителю заряда не приходится затрачивать энергию на преодоление энергетического барьера (туннелирование), достаточно за счет достаточно высокой температуры. Но для полного перелета барьера необходима энергия, которую необходимо передать электрону, чтобы он покинул металл, иными словами, он должен на этом запасе энергии электрон должен совершить работу выхода из металла. Эта энергия называется энергией Ферми, при этом сам электрон должен находиться на уровне Ферми. Обычно для металлов величина этой энергии колеблется в районе 2 — 6 эВ и чувствительна к загрязнению поверхности.



    Рис. 2. Механизмы инжекции электронов.


    Б) Механизмы туннелирования электронов через границу «металл-диэлектрик»

    • Термически облегченное туннелирование

    Термически облегченное тунелирование доминирует в области средних полей, средних температур и на металлах с низким уровнем Ферми (когда термической энергии недостаточно для преодоления барьера на контакте по механизму Шотки). Этот механизм связан с тем, что носитель заряда не перелетает барьер, а долетает до определенной высоты и туннелирует через барьер. Его можно условно разбить на два этапа: на первом этапе носители заряда возбуждаются до некоторой энергии за счет поглощения фононов (квантов колебательного движения атомов кристалла), на втором – электроны туннелируют через треугольный энергетический барьер. Прямое туннелирование (модель Фаулера-Нордгейма)

    Прямое туннелирование – это механизм, когда электрон вообще не совершает работу выхода для преодоления барьера по верху. Данный механизм присущ для структур, находящихся в сильных электрических полях, так что барьер, через который происходит туннелирование оказывается достаточно узким, но в то же время и высоким.

    2.3. Мемристорный эффект в структурах «металл-диэлектрик-металл»
    Мемристор (англ. memristor, от memory — «память», и resistor — «электрическое сопротивление») — пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда (интеграла тока за время работы). Его вольтамперная характеристика нелинейна. В схемах мемристор обозначается так, как показано на рисунке 3.




    Рис. 3. Мемристор в электрических схемах.


    Первым, кто отметил возможность существования такого прибора, как мемристор, был Леон Чуа – американский инженер и электроник, произошло это в конце 60-х – начале 70-х гг. К 1971 году, конечно же, Чуа еще не успел стать научным авторитетом, но зато сумел весьма оригинально перенести в сугубо прикладную теорию электросхем идею о красоте математических симметрий, в ту пору уже доминировавшую в фундаментальной теории физики частиц. Подобно тому, как другим на основе выявленных симметрий микромира удавалось предсказывать, а затем и отыскивать в экспериментах новые частицы материи, Леон Чуа выявил четкую математическую симметрию в основе всех электросхем. И на этой основе предсказал существование нового, в ту пору неизвестного базового элемента. Который он назвал «мемристор», то есть резистор с памятью, и в целом описал его предполагаемые свойства.

    Согласно логике Чуа, четыре базовых величины, характеризующие состояния электросхемы (заряд, ток, напряжение, магнитный поток), могут быть соотнесены друг с другом шестью возможными способами. Для двух из этих шести соотношений имеются базовые физические законы, а еще для трех существуют общеизвестные элементы электросхем: резистор, конденсатор, индуктивность. При этом одна позиция — соотносящая заряд и магнитный поток — оставалась в красивой симметричной картине ничем не занятой. Поэтому Чуа, исходя из соображений математической эстетики, предложил на вакантное место свой «мемристор».

    Согласно предсказанию, радикальное отличие нового элемента от других фундаментальных кирпичиков электросхемы заключалось в том, что только гипотетический мемристор несет в себе память о своем прошлом. На практике это означало бы, что элемент действует как резистор, у которого значение сопротивления изменяется в соответствии с током, через него проходящим, причем это значение запоминается даже после того, как ток в цепи исчезает.




    Рис. 4. Основные элементы электросхем и зависимости между величинами.


    Поскольку оригинальная идея Чуа в 1970-е годы не нашла никакого практического применения, ее восприняли и тут же сбросили со счетов как красивую математическую фантазию, не более того. Но через тридцать лет экспериментаторы в Hewlett Packard Labs таки поняли, что столкнулись в своих опытах с мемристивным поведением наноэлементов.

    Конструктивно мемристоры (по данным лаборатории Hewlett Packard Labs, актуальным для их экспериментального образца мемристорной структуры) состоят из тонкой 50-нм плёнки, состоящей из двух слоёв: изолирующего диоксида титана и слоя, обеднённого кислородом. Плёнка расположена между двумя платиновыми 5-нм электродами. При подаче на электроды напряжения изменяется кристаллическая структура диоксида титана: благодаря диффузии кислорода его электрическое сопротивление увеличивается на несколько порядков (в тысячи раз). При этом после отключения тока изменения в ячейке сохраняются. Смена полярности пропускаемого тока переключает состояние ячейки, причём, как утверждают в HP, число таких переключений не ограничено. На практике мемристор может принимать не только обычные для обычных чипов памяти два положения - 0 или 1, но и любые значения в промежутке от нуля до единицы, так что такой переключатель способен работать как в цифровом (дискретном), так и в аналоговом режимах.

    Принципиальное отличие мемристора от большинства типов современной полупроводниковой памяти и его главное преимущество перед ними заключаются в том, что он не хранит свои свойства в виде заряда. Это означает, что ему не страшны утечки заряда, с которыми приходится бороться при переходе на микросхемы нанометровых масштабов, и что он полностью энергонезависим. Проще говоря, данные могут храниться в мемристоре до тех пор, пока существуют материалы, из которых он изготовлен. Для сравнения: флэш-память начинает терять записанную информацию уже после года хранения без доступа к электрическому току.

    А поняв, далее уже осмысленно начали на основе феномена создавать новаторское запоминающее устройство — как специфическую разновидность резистивной памяти RAM (RRAM). Точнее, такой замечательной памяти, которая работает быстрее, чем обычная оперативная, но при этом при выключении питания запоминает свое состояние, то есть память, основанная на мемристорном эффекте, не является энергозависимой, подобно постоянным запоминающим устройствам (ПЗУ).

    3. Экспериментальное исследование мемристорного эффекта
    3.1. Методика проведения эксперимента
    В качестве образцов, в которых наблюдался сам мемристорный эффект, были структуры:
    Табл. 1. Характеристика исследуемых образцов

    Образцы 245м2 и 255м2

    Подложка и первый контакт

    Si / SiO2 (500 нм) / Ti (25 нм) / TiN (25 нм)

    Диэлектрик

    ZrO2 (15 нм)

    Второй контакт

    Ta (15 нм) / Au (40 нм)

    Общий вид структуры






    Данные структуры выполняли роль образца в этом эксперименте (см. рис. 5). К образцу последовательно подключалось сопротивление, равное 10 Омам, и при помощи генератора на образец подавался либо пилообразный, либо синусоидальный сигнал переменного тока с определенной амплитудой и смещением в положительную или отрицательную сторону. Осциллограф использовался в двухканальном режиме: первый канал использовался для измерения разности потенциалов на генераторе, а второй – для измерения разности потенциалов на последовательно подключенном к образцу резисторе.





    Рис. 5. Схема экспериментальной установки.


    3.2. Результаты и обсуждение
    При выполнении каждого цикла измерений мы получали два разных графика: зависимость напряжения на резисторе от времени и зависимость напряжения на генераторе от времени. Они чаще всего имели вид, показанный на рисунках 6 и 7 соответственно.


    U, В


    Рис. 6. Зависимость напряжения на резисторе от времени. Напряжение (U) в вольтах, время (t) в миллисекундах. (255м2 контакт 3-2 в начале переключений)







    Рис. 7. Зависимость напряжения на генераторе от времени. Напряжение (U) в вольтах, время (t) в миллисекундах. (255м2 контакт 3-2 в начале переключений)


    По этим графикам с использованием закона Ома просчитывалась сила тока, которая шла через резистор, а, так как образец был подключен последовательно к резистору, сила тока, проходящего через резистор, совпадала с силой тока, проходящего через образец. Посредством эксперимента и последующего анализа показателей осциллографа строились ВАХ образцов, общий вид которых показан на рисунке 8.



    Рис. 8. ВАХ мемристорных структур. Напряжение (U) в вольтах, сила тока (I) в миллиамперах. (образец 255м2 контакт 3-2 (начало переключений))


    На рисунке 8 можно увидеть, что образец переключается из высокоомного состояния в низкоомное на напряжениях порядка 1,7 – 2,1 В при положительном напряжении и при напряжениях -1,3 – -1,9 В при отрицательном напряжении. То есть при изменении полярности пропускаемого тока образец испытывает переключение и смену своего сопротивления на порядок, как это и было описано для лабораторного образца Hewlett Packard Labs.

    При рассмотрении каждого этапа переключений были рассмотрены тренды поведения графика ВАХ. Для каждого этапа была построена отдельная диаграмма, демонстрировавшая результат работы ловушек, захватывающих электроны на себя при переходе из валентной зоны в зону проводимости. В литературе сказано, что при высшей степени полинома тренда, описывающего каждый конкретный этап ВАХ, равной 2, работает один тип ловушек, а при равной 3 – более одного типа.


    Этап 1


    Рис. 9. ВАХ образца 255м2 (контакт 3-2) через 12 минут после начала переключений с описанием исследуемых этапов.




    Рис. 10. Этап 1 ВАХ образца 255м2 (контакт 3-2) через 12 минут.



    Рис. 11. Этап 3 ВАХ образца 255м2 (контакт 3-2) через 12 минут.



    По рисункам 10 и 11 видно, что в первом этапе работает один тип ловушек, а в третьем этапе – более одного типа.

    На ВАХ, изображенной на рисунке 8, можно увидеть, что осуществляемые переключения являются довольно резкими, что на самом деле является не самым лучшим вариантом их выполнения, потому что при резких переключениях филамент, посредством которого осуществляется перенос электрического тока в диэлектрике «прорастает» не один, что в значительной степени увеличивает риск пробоя мемристорной структуры. По мере того, как образец осуществляет довольно большое количество переключений петля на ВАХ начинает понемногу уменьшаться по оси тока, что делает переключения более плавными (см. рис. 12). На рисунке 13 (после совершения около 56 тысяч переключений) они стали практически незаметными и образец склонился в высокоомное состояние, в котором он и находился после того, как закончил переключаться.



    Рис. 12. ВАХ образца 255м2 (контакт 3-2) через 9 минут переключений при частоте сигнала в 100 Гц (совершено 22000 переключений).




    Рис. 13. ВАХ образца 255м2 (контакт 3-2) через 23 минуты переключений при частоте сигнала в 100 Гц (совершено 56000 переключений).


    При этом получается, что в этот момент на практике сама мемристорная структура «износилась» и более неспособна на переключения, что противоречит тому, что заявляла Hewlett Packard Labs на основе своего лабораторного образца.

    Немаловажную роль в осуществлении переключений играет «хвостик» ВАХ при положительном и отрицательном напряжении (см. рис. 14). Если, например, амплитуду генерируемого напряжения в положительной части уменьшить до напряжения чуть выше напряжения, при котором осуществилось переключение (на рисунке 14 – это примерно 2,3 В), то переключения могут прекратиться вовсе и образец «застынет» в высокоомном состоянии. А если, например, произвести ту же манипуляцию, но в отрицательной части, то образец «застынет» в низкоомном состоянии и также перестанет переключаться. Вероятно, это связано с тем, что за эти переключения отвечают довольно массивные частицы (ионы) и при отсутствии «хвостика» они просто не успевают реагировать на смену направления электрического поля внутри диэлектрика из-за большой инерции. То есть эти «хвостики» дают время частицам, которые осуществляют переключение, отреагировать на смену направления электрического поля.


    I, мА


    Рис. 14. Местоположение «хвостиков» на ВАХ мемристорных структур.



    U, B
    Для практического прибора, основанного на мемристорных структурах, необходима концепция, по которой будет определяться, какое значение хранится в ячейке. Для этого нужно пропускание тестирующего напряжения через структуру для определения, в каком состоянии она находится в данный момент времени. Так как значения токов низкоомного и высокоомного состояния у разных диэлектриков разные, ввиду дефектов, ловушек и других факторов, которые при малых размерах прибора будут играть весомую роль, нужно, чтобы токи низкоомного состояния и высокоомного состояния отличались в разы.

    В ходе эксперимента были протестированы разные образцы, чтобы узнать, какое количество переключений может совершить структура при том условии, чтобы можно было аппаратно детектировать разницу между логическим нулем и логической единицей. Детектируемой величиной является сила тока. В качестве минимального значения отношения токов низкоомного и высокоомного состояния, при котором будет происходить аппаратное детектирование разницы, была принята величина, равная двум и отмеченная на рисунках 15 и 16 горизонтальной линией. В качестве напряжения, при котором проводились все расчеты было выбрано напряжение, равное одному вольту. Результаты для образца 255м2 (контакт 3-2) показаны на рисунках 15 и 16.



    Рис. 15. Отношение тока в низкоомном состоянии к току в высокоомном при напряжении +1,5 В на образце 255м2 (контакт 3-2). По вертикали – отношение токов, по горизонтали – количество переключений, которое совершила структура.




    Рис. 16. Отношение тока в низкоомном состоянии к току в высокоомном при напряжении -1,5 В на образце 255м2 (контакт 3-2). По вертикали – отношение токов, по горизонтали – количество переключений, которое совершила структура.


    По графикам видно, что после совершения 56 тысяч переключений отношение токов при положительном напряжении лишь только приблизилось к двум, а в отрицательной части отношение токов все время было в районе двойки в рамках погрешности.

    3.3. Частотные характеристики структур при переключении НС-ВС и ВС-НС
    Немаловажным фактором для практического использования мемристорных структур частота смены логического значения (ноль или единица), хранимого внутри структуры, то есть количество переключений из низкоомного состояние в высокоомное и наоборот. Для этого исследовались ВАХ образцов и графики, выдаваемые осциллографом. Для измерения частоты предполагалось использовать сигнал в виде прямоугольника (меандра), но из-за того, что скорость нарастания фронта электрического поля в этом случае был слишком большим, структура очень быстро переставала переключаться, связано это опять же с тем, что частицы, осуществляющие переключения, слишком массивные и не успевают реагировать на столь резкое изменение величины и направления электрического поля внутри структуры. Впоследствии было решено использовать синусоидальный или пилообразный сигнал, что и в прошлых тестах. На тестируемый образец подавались синусоидальные сигналы разной частоты (100 – 3000 Гц), чтобы измерить зависимость времени переключения от частоты сигнала.



    НС – ВС (1 - 2 > 0)

    ВС – НС (1 - 2 < 0)


    Рис. 17. Зависимость величины, обратной времени переключения, (1/) от частоты подаваемого сигнала (ω0). Измерено на образце 245м2 (контакт 4-4). По вертикали – логарифм величины, обратной времени переключения, (lg(1/)): верхний график – переключения из низкоомного состояния в высокоомное при положительной разности потенциалов, нижний график – переключения из высокоомного состояния в низкоомное при отрицательной разности потенциалов; по горизонтали – логарифм частоты сигнала (lg ω0).


    По рисунку 17 видно, что с ростом частоты подаваемого на образец сигнала частота переключений НС-ВС и ВС-НС частота самого образца в диапазоне частот сигнала, подаваемого на образец во время эксперимента, растет линейно, то есть время переключения уменьшается обратно пропорционально частоте подаваемого сигнала.

    4. Заключение и выводы
    По результатам исследований в данной работе можно сделать следующие выводы:

    1) в структурах металл-диэлектрик-металл возможно наблюдение мемристорного эффекта при небольших напряжениях и токах (единицы вольт, единицы миллиампер), при этом использовавшиеся в экспериментах диэлектрические слои были оксидными (SiO2, HfO2) с толщинами в несколько десятков нанометров.

    2) изучаемые структуры показывали способность к переключению до 60000 раз, при этом переключения в случае сигнала типа «меандр» были нестабильны, структура «залипала» в одном из состояний либо в низкоомном, либо в высокоомном. Переключения становились стабильными, если задающий сигнал был в виде пилы или синусоиды.

    3) времена переключения НС-ВС или ВС-НС зависят от скорости нарастания задающего напряжения: выше скорость – меньше время. Минимальное время, которое удалось измерить в наших экспериментах, составило около 10 наносекунд.

    Литература


    1. П.В. Павлов, А.Ф. Жуков – Физика твердого тела: Учебник – 3-е издание, для высшей школы – М.; 2000. – 494 с., с иллюстрациями.

    2. Материалы для производства изделий электронной техники: Учебное пособие для СПТУ/Г.Н. Кадыкова, Г.С. Фонарев, В.Д. Хвостикова и др., для высшей школы, 1987. – 247 с. – М., с иллюстрациями.

    3. Большой энциклопедический словарь / Ред. А. М. Прохоров. – 2-е изд., переработанное и дополненное – М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. – 1456 с.

    4. https://3dnews.ru/906763

    5. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0023/001a/1052-nik.pdf

    6. Удивительные наноструктуры / К. Деффейс, С. Деффейс под ред. Л.Н. Патрикеева. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 206 с., с иллюстрациями.

    7. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/527619


    написать администратору сайта