Studi Kolektif tentang Pemodelan dan Simulasi Memori Akses Acak Resistif
Abstrak
Dalam karya ini, kami memberikan diskusi komprehensif tentang berbagai model yang diusulkan untuk desain dan deskripsi memori akses acak resistif (RRAM), karena teknologi yang baru lahir sangat bergantung pada model yang akurat untuk mengembangkan desain kerja yang efisien dan menstandarisasi implementasinya di seluruh perangkat. Tinjauan ini memberikan informasi terperinci mengenai berbagai metodologi fisik yang dipertimbangkan untuk mengembangkan model perangkat RRAM. Ini mencakup semua model penting yang dilaporkan sampai sekarang dan menjelaskan fitur dan keterbatasannya. Berbagai efek tambahan dan anomali yang timbul dari sistem memristif telah diatasi, dan solusi yang diberikan oleh model untuk masalah ini juga telah ditunjukkan. Semua konsep dasar pengembangan model RRAM seperti operasi perangkat, dinamika switching, dan hubungan arus-tegangan dibahas secara rinci dalam karya ini. Model populer yang diusulkan oleh Chua, HP Labs, Yakopcic, TEAM, Stanford/ASU, Ielmini, Berco-Tseng, dan banyak lainnya telah dibandingkan dan dianalisis secara ekstensif pada berbagai parameter. Cara kerja dan implementasi fungsi jendela seperti Joglekar, Biolek, Prodromakis, dll telah disajikan dan dibandingkan juga. Konsep pemodelan baru yang terdefinisi dengan baik telah dibahas yang meningkatkan penerapan dan akurasi model. Penggunaan konsep-konsep ini menghasilkan beberapa perbaikan dalam model yang ada, yang telah disebutkan dalam karya ini. Mengikuti template yang disajikan, model yang sangat akurat akan dikembangkan yang akan sangat membantu pengembang model masa depan dan komunitas pemodelan.
Latar Belakang
Era baru komputasi ini membutuhkan teknologi yang mampu mengimbangi pertumbuhannya. Teknologi baru harus dapat memenuhi tuntutan peningkatan kinerja dan skalabel untuk memenuhi perangkat masa depan. Memristor, dipostulasikan pada tahun 1971 [1] oleh Leon O. Chua tampaknya memenuhi persyaratan ini dan meletakkan dasar untuk kelas perangkat baru. Memristor, kependekan dari "memori-resistor," adalah perangkat dua terminal dasar yang mengingat keadaan resistansi internalnya tergantung pada riwayat stimulus input yang diberikan. Chua menemukan bahwa memristor dicirikan oleh hubungan antara fluks dan muatan, yang masing-masing merupakan integral waktu dari arus dan tegangan.
Kemudian pada tahun 1976, Chua dan Kang [2] menggeneralisasi memristor untuk dimasukkan ke dalam kelas baru sistem dinamik yang disebut sistem memristif. Pada akhir abad kedua puluh, minat pada perangkat ini telah berkurang meskipun banyak manfaatnya. Ini sebagian karena kemajuan teknologi sirkuit terpadu silikon. Tetapi dengan penuaan pada teknologi silikon dan ketidakmampuan mereka untuk mendukung penskalaan, pencarian perangkat switching alternatif mendapatkan daya tarik di awal abad kedua puluh satu. Itu sama-sama dibantu oleh kemajuan dalam pertumbuhan dan karakterisasi bahan skala nano. Ini selalu mengarah pada kemajuan yang signifikan dalam memahami peralihan memristif mikroskopis.
Teknologi Memristor mendapat terobosan besar di tahun 2008 ketika Strukov et al. [3] membangun hubungan antara teori dan eksperimen untuk TiOx perangkat berbasis. Juga, mereka memperoleh histeresis terjepit dalam hubungan arus-tegangan, yang merupakan salah satu fitur yang dapat diidentifikasi dari sistem memristif [4, 5]. Ini membuka teknologi memristor ke beragam perangkat yang mengikuti jejak struktur film logam/oksida/logam. Beberapa jenis perangkat populer yang serupa adalah Oxygen RRAM (OxRRAM) [6,7,8,9,10] dan Conductive Bridge RAM (CBRAM) [11,12,13] di antara banyak lainnya. Perangkat ini umumnya diklasifikasikan berdasarkan mekanisme peralihannya.
Memori Akses Acak Resistif (RRAM)
Minat penelitian terhadap perangkat yang muncul ini meningkat karena perilaku memristif non-volatil yang ditunjukkan dapat dimanfaatkan ke dalam memori non-volatil. Mereka sedang dilihat sebagai alternatif potensial dari teknologi memori flash. Dengan komputasi zaman sekarang menjadi semakin banyak data didorong, telah ada tuntutan untuk teknologi memori yang lebih selaras dengan kebutuhan sekarang dan masa depan. Dibandingkan dengan beberapa perangkat yang muncul, perangkat RRAM lebih scalable [14,15,16,17,18], memiliki kepadatan tinggi [19,20,21,22,23,24], mengkonsumsi daya rendah [25,26,27 ,28,29], lebih cepat [30,31,32,33], memiliki daya tahan dan retensi yang lebih tinggi [34,35,36,37] dan sangat kompatibel dengan CMOS [38,39,40,41,42]. Perangkat RRAM adalah salah satu teknologi memori non-volatil yang paling populer dengan studi ekstensif yang dilakukan untuk memahami mekanismenya dan mengembangkan model untuk mewujudkan pengoperasian perangkat dan merancang struktur perangkat yang akurat dan sederhana. Perangkat adalah struktur dua terminal logam-isolator-logam (MIM) sederhana dan beralih di antara dua status resistansi, status resistansi rendah (LRS) dan status resistansi tinggi (HRS). LRS menunjukkan perangkat dalam keadaan SET atau ON. HRS yang kontras berarti perangkat dalam keadaan RESET atau OFF. Melalui peralihan status resistansi di perangkat ini, bit data disimpan [43,44,45]. Perangkat RRAM dapat diklasifikasikan menjadi perangkat bipolar dan unipolar, tergantung pada polaritas switching. Dalam switching unipolar, perangkat beralih dalam bias polaritas yang sama, sedangkan dalam switching bipolar, diperlukan bias kedua polaritas.
Beberapa pendekatan telah diusulkan untuk menjelaskan mekanisme switching perangkat RRAM, tetapi yang paling populer dan diterima secara luas, untuk perangkat RRAM berbasis oksida biner, adalah pembentukan dan pecahnya filamen konduktif lokal (CF) oleh pergeseran ion oksigen / kekosongan. [9, 16, 46,47,48,49]. SET/RESET terjadi sebagai akibat dari kombinasi/generasi ulang ion/kekosongan oksigen [50,51,52]. Telah ditunjukkan bahwa kinerja perangkat RRAM sangat dipengaruhi oleh pilihan lapisan oksida aktif [53,54,55]. Berbagai sistem oksida seperti HfOx , TiOx , NiOx , TaOx , ZnOx , dll [56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66] telah digunakan untuk menunjukkan perilaku switching resistif. Ada beberapa kontroversi apakah perangkat RRAM benar-benar perangkat memristive. Untuk memperjelas posisi perangkat RRAM, Chua memberikan klarifikasi bahwa perangkat tersebut memang perangkat memristif [67].
Pentingnya Pemodelan RRAM
Aspek yang sangat penting dalam mengembangkan perangkat elektronik berdasarkan teknologi semikonduktor baru adalah peran pemodelan. Model yang akurat dan komprehensif sangat penting dalam memahami pengoperasian perangkat, merancangnya untuk kinerja optimal, dan memverifikasi bahwa model tersebut sesuai dengan spesifikasi yang diperlukan. Sejumlah model telah diusulkan dengan berbagai tingkat akurasi, fitur yang berbeda, dan hasil yang beragam. Jadi, setiap pengembang yang ingin merancang model yang kuat dan fleksibel untuk perangkat RRAM harus memiliki informasi tentang metode yang dicoba sebelumnya dan kendala yang dihadapi.
Dalam karya ini, kami telah membahas secara rinci semua fitur dan karakteristik dari berbagai model RRAM. Model memristor umum juga dianggap menjelaskan perangkat RRAM [67]. Dimulai dari model Chua [1] yang memberikan dasar-dasar memristor, kami membahas definisi dasar memristor. Terobosan untuk memristor dan perangkat RRAM yang disediakan oleh model HP [3] dibahas secara rinci. Efek hanyut ion linier, yang membentuk dasar mekanisme perangkat ini, bersama dengan efek non-linier [46, 68, 69], dipertimbangkan. Model Pickett-Abdalla [70,71,72] yang meletakkan dasar untuk model berbasis fisika yang kompatibel dengan SPICE dibahas secara mendalam. Berbagai fiturnya yang telah diadopsi dan disempurnakan oleh model Yakopcic [73, 74] juga dibahas.
Model yang memperkenalkan fitur baru seperti efek ambang [75,76,77], mengambil celah filamen sebagai variabel keadaan [78,79,80,81], telah ditinjau. Beberapa model yang menjelaskan perangkat unipolar dan efek suhu [82,83,84] ditinjau secara rinci. Juga dipertimbangkan adalah model fisik [85, 86] berdasarkan dinamika pertumbuhan perangkat. Seiring dengan ini, model hanya mempertimbangkan perangkat bipolar [87,88,89], perubahan ukuran CF [90, 91], dan banyak faktor lainnya [92, 93] yang diperhitungkan. Analisis singkat dari semua model yang dibahas telah disajikan pada Tabel 1.
Berbagai model berdasarkan implementasi fungsi jendela seperti Joglekar [94], Biolek [95], Benderli-Wey [96], Shin [97], Prodromakis [98, 99], dll juga telah memperhitungkan keterbatasan dan kendala dalam berbagai model, dan metode yang digunakan oleh model-model berikutnya untuk mengatasinya telah disajikan secara komprehensif. Pekerjaan signifikan yang dilakukan oleh Wang dan Roychowdhury [100] untuk meningkatkan pemodelan RRAM juga telah ditinjau secara mendalam karena merupakan dorongan yang cukup besar ke arah yang benar untuk seluruh komunitas pemodelan RRAM. Bersamaan dengan contoh-contoh tersebut, dibahas juga studi simulasi dan verifikasi perangkat di berbagai platform. Ini adalah ulasan paling komprehensif yang berkaitan dengan model RRAM dan memristor pada tahap saat ini. Deskripsi model telah dibagi menjadi yang menggambarkan perangkat bipolar dan perangkat unipolar. Model implementasi fungsi jendela dijelaskan di bagian terpisah.
Sebelumnya, telah ada beberapa ulasan tentang mekanisme perangkat RRAM [46, 101.102.103.104.105], teknologi fabrikasi [106.107.108.109], tumpukan material [110.111.112.113], dan diskusi singkat tentang beberapa model yang ada saat itu [114]. Baru-baru ini Villena et al. [115] menggabungkan teori semua pemodelan RRAM dan mengusulkan model optimal. Dalam penelitian ini, kami lebih fokus pada berbagai teknik pemodelan bersama dengan solusi yang diberikan untuk berbagai kelemahan. Sebuah diskusi komprehensif tentang model kondisi batas yang dapat diklasifikasikan sebagai model pseudo-kompak juga telah dibahas. Beberapa teknik pemodelan kritis telah diselidiki dalam pekerjaan ini yang secara signifikan dapat membantu pengembang model. Juga, diskusi tentang berbagai teknik simulasi dan platform untuk model RRAM seperti SPICE [116, 117] telah disertakan yang sangat penting. Pekerjaan kami bertujuan untuk mengisi kesenjangan yang signifikan dalam komunitas model RRAM.
Model RRAM untuk Perangkat Bipolar
Model Chua
Leon O. Chua pada tahun 1971 mengajukan gagasan memristor [1] bahwa itu memang elemen dasar keempat di samping resistor, kapasitor, dan induktor. Karakteristik dasar dari memristor diyakini dikontrol fluks (φ ) atau muatan dikendalikan (q ) dan didefinisikan oleh relasi bertipe g (φ,q ) = 0.
Chua mendefinisikan tegangan memristor sebagai [1]:
$$ v(t)=M\kiri(q(t)i(t)\kanan) $$ (1)
dimana
$$ M(q)=d\varphi (q)/ dq $$ (2)
Arus yang mengalir melalui memristor yang dikontrol fluks dirumuskan sebagai
1
:
Di sini, parameter M (q ) dan A (φ ) didefinisikan sebagai inkremental memristance dan inkremental memductance, masing-masing, karena mereka memiliki unit yang mirip dengan resistansi dan konduktansi. φ-q kurva untuk tiga perangkat memristor ditunjukkan pada Gambar. 1. Kurva ini dihasilkan oleh rangkaian resistor-memristor dasar (M-R) yang menghasilkan tiga jenis memristor. φ-q varians untuk perangkat tersebut ditunjukkan pada Gambar. 1a-e, masing-masing. Gambar 1b–f menggambarkan I-V . yang sesuai hubungan dari tiga memristor yang sama.
a –f Muatan fluks (ϕ -q ) kurva yang diperoleh dari tiga memristor berbeda [1]
Persamaan yang disajikan di atas dapat disederhanakan menjadi berikut [1]:
$$ v=R(w)\times i $$ (5) $$ \frac{dw}{dt}=i $$ (6)
di mana dengan adalah variabel status perangkat dan R resistensi umum yang bergantung pada keadaan internal perangkat.
Nilai memori tambahan (memductance) pada waktu instan t0 tergantung pada integrasi waktu arus memristor lengkap (tegangan) dari t = − t untuk t = t0 . Jadi, ini diterjemahkan menjadi fakta bahwa sementara memristor bertindak sebagai resistor normal setiap saat t0 , tetapi nilai resistansi (konduktansi) bergantung pada riwayat lengkap arus perangkat (tegangan), maka pembenaran nama resistor memori.
Menariknya, pada saat tegangan memristor yang ditentukan v (t ) atau i . saat ini (t ), memristor berperilaku sebagai resistor yang berubah-ubah waktu linier. Tapi dalam kasus ketika φ-q kurva adalah garis lurus, yaitu, M (q ) = R atau A (φ ) = G , memristor bertindak seperti resistor linear waktu-invarian. Jadi, perangkat memristor tidak dapat digunakan dalam teori jaringan linier tetapi dapat digunakan untuk mendefinisikan sirkuit di mana status parameter saat ini bergantung pada status sebelumnya.
Kemudian, pada tahun 1976, Chua dan Kang [2] menggeneralisasi konsep memristor untuk memasukkan sistem memristif yang mencakup banyak sistem dinamis non-linier. Hal itu dijelaskan oleh persamaan [2]:
$$ v=R\left(w,i\right)\times i $$ (7) $$ \frac{dw}{dt}=f\left(w,i\right) $$ (8)
di mana dengan didefinisikan sebagai satu set variabel keadaan, R dan f adalah fungsi eksplisit waktu. Perbedaan mendasar antara memristor dan sistem memristif adalah bahwa di kemudian hari fluks tidak lagi ditentukan secara unik oleh muatan. Sistem memristive dapat dibedakan dari sistem dinamis umum di mana tidak ada arus yang mengalir di perangkat ketika tegangan jatuh pada perangkat itu adalah nol.
Persamaan memristor digunakan secara wajar untuk menentukan status variabel dari sakelar ambang oleh Chua [1], yang merupakan contoh pertama penggunaan memristor dalam pemodelan perangkat. Perumusan memristor oleh Chua dengan tepat meletakkan dasar untuk perangkat kelas baru dan berbagai aplikasi yang menggunakan elemen rangkaian dasar untuk menyimpan data. Konsep dasar memristor ini mengarah pada desain arsitektur baru untuk aplikasi memori non-volatil di masa depan di mana RRAM merupakan kandidat yang menjanjikan. Ada sejumlah besar teori yang menjelaskan cara kerja perangkat RRAM dan model yang mendefinisikannya, yang pada dasarnya didasarkan pada model memristor.
Aplikasi yang sangat menarik dari model muatan fluks adalah penggunaannya [118] untuk mendefinisikan RRAM unipolar dan mengimplementasikannya dalam SPICE. Karena kesederhanaan persamaan fluks-muatan, mereka dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam simulator sirkuit dengan sedikit modifikasi. Model SPICE diuji terhadap data eksperimen HfO2 -perangkat RRAM unipolar berbasis. Hubungan non-linier diusulkan agar sesuai dengan q . ternormalisasi yang diperoleh secara eksperimental -φ nilai diberikan sebagai [118]:
Di sini, φr adalah fluks pada titik RESET. Ketika nilai ini q (φ ) = qr diperoleh, CF menghilang dan arus yang terkait dengan CF diatur kembali ke 0. Ini berarti perangkat berada di HRS. Untuk menyelidiki kemampuan model untuk mereproduksi karakteristik switching unipolar dari perangkat, operasi penyapuan bias standar dilakukan. Tegangan yang diterapkan pada perangkat pada keadaan reset meningkat secara progresif dari bias nol hingga mencapai LRS dan kemudian bias disapu kembali ke nol volt. Arus LRS dimodelkan menggunakan bentuk modifikasi dari relasi arus model Chua [1], diberikan sebagai [118]:
Efek ambang batas juga dipertimbangkan dalam model. Diasumsikan bahwa efek tegangan ambang muncul karena efek kontak. Ini dapat diperhitungkan dengan memasukkan ambang tegangan untuk perhitungan fluks dalam proses SET dan RESET. Arus yang dimodifikasi diberikan oleh [118]:
Di sini, ϕr dan ϕs adalah fluks RESET dan SET, masing-masing. Persamaan ini dapat diimplementasikan ke dalam sirkuit yang kompatibel dengan SPICE yang terdiri dari jaringan kapasitor. Hasil implementasi SPICE ditemukan mengikuti hasil eksperimen dengan model yang mampu mereproduksi karakteristik memristor yang hampir identik. Ini memvalidasi penggunaan model pengisian fluks Chua [1] untuk digunakan juga untuk pemodelan perangkat unipolar.
Model Pergeseran Ion Linier
Dengan kesenjangan yang cukup besar dalam dekade berikutnya setelah perumusan memristor oleh Chua, peneliti di HP Labs [3] pada tahun 2008 membuat penemuan menarik mengenai perangkat memristor. Meskipun Chua telah merumuskan keberadaan elemen seperti memristor, belum ada rangkaian atau model yang dapat direalisasikan yang dikembangkan setelah itu meskipun beberapa upaya dilaporkan untuk membuat perangkat RRAM di awal abad kedua puluh satu. Tim di HP Labs yang dipimpin oleh Strukov dkk. [3] mewujudkan sistem memristive skala nano fungsional di mana memristance terjadi secara alami, di mana transportasi elektronik dan ionik solid-state digabungkan bersama di bawah bias tegangan eksternal. Sistem tersebut menunjukkan hubungan histeris antara karakteristik arus dan tegangan yang serupa dengan perangkat elektronik skala nano lainnya, sehingga mengarah pada pemahaman mendasar tentang sistem memristif dan desain sistem serupa.
Perangkat dua terminal sederhana dilaporkan, di mana oksida (TiO2 ) ketebalan D diapit di antara dua elektroda Pt. Histeresis Aku -V kurva switching telah dibandingkan dengan kurva simulasi. Meskipun mekanisme yang tepat dari perangkat ini tidak sepenuhnya dipahami pada waktu itu, itu adalah salah satu contoh pertama di mana memori switching resistif diklasifikasikan ke dalam sistem memristive.
Struktur perangkat skematik TiO2 -memristor berbasis ditunjukkan pada Gambar. 2a [3], di mana ada dua variabel resistensi secara seri, disebut sebagai RAKTIF yang merupakan resistansi rendah di wilayah semikonduktor dengan konsentrasi dopan yang lebih tinggi. Konsentrasi dopan yang lebih rendah membuat bagian lain lebih tahan, disebut sebagai RMATI . Hubungan antara tegangan yang diberikan v (t ) dan arus melalui sistem i (t ) karena konduktansi elektronik ohmik dan pergeseran ion linier dalam medan seragam dengan mobilitas ion rata-rata diberikan oleh [3]:
Model resistor-variabel yang digabungkan untuk sebuah memristor disajikan. a Rangkaian ekivalen yang disederhanakan terdiri dari voltmeter (V) dan (A) ammeter. b , c Tegangan yang diterapkan (biru) dan arus yang dihasilkan (hijau) sebagai fungsi waktu t untuk memristor khas juga disajikan. Dalam b tegangan yang diberikan adalah v0 dosa(v0t ) dan rasio resistansinya adalah RMATI /RAKTIF = 160, dan dalam c tegangan yang diberikan adalah ±v0 dosa
2
(ω0t ) dan RMATI /RAKTIF = 380, di mana 0 adalah frekuensi dan v0 adalah besarnya tegangan yang diberikan. Angka 1–6 diberi label untuk gelombang berurutan dalam tegangan yang diberikan dan loop yang sesuai di i–v kurva. Di setiap plot, sumbu tidak berdimensi, dengan tegangan, arus, waktu, fluks, dan muatan dinyatakan dalam satuan v0 = 1 V, i0 v0 /RAKTIF = 10 mA, t0 2π /ω0A
2
/μvv0 = 10 m/s, v0t0 dan i0t0 , masing-masing. Istilah i0 menunjukkan arus maksimum yang mungkin melalui perangkat, dan t0 adalah waktu terpendek yang diperlukan untuk penyimpangan linier dopan melintasi panjang perangkat penuh dalam bidang seragam v0 /D , misalnya dengan D = 10 nm dan V = 10
−10
cm
2
s
−1
V
−1
. Perlu dicatat bahwa untuk parameter yang dipilih, bias yang diterapkan tidak pernah memaksa salah satu dari dua daerah resistif runtuh; misalnya, w /D tidak mendekati nol atau satu (ditunjukkan dengan garis putus-putus di plot tengah di b dan c ). Juga, tanda putus i–v plot di b menunjukkan keruntuhan histeresis yang diamati dengan peningkatan sepuluh kali lipat dalam frekuensi sapuan. Sisipan i–v plot di b dan c tunjukkan bahwa untuk contoh-contoh ini, muatan adalah fungsi fluks bernilai tunggal, seperti yang harus ada dalam memristor [3]
Meskipun persamaan di atas itu sendiri non-linier, resistansi perangkat berubah secara linier dengan tegangan yang diberikan v (t ), dengan demikian atribusi linearitas ke model. Perangkat didefinisikan oleh Strukov et al. [3] bertindak sebagai memristor sempurna hanya untuk rentang terbatas tertentu dari variabel status w . Variabel status didefinisikan sebagai [3]:
Dalam Persamaan di atas. (15), q -istilah tergantung adalah kontribusi utama untuk memristance. Analisis menarik yang diberikan mengapa fenomena khusus ini disembunyikan begitu lama adalah karena medan magnet tidak memainkan peran eksplisit dalam mekanisme tersebut. Agar memristor dapat direalisasikan secara sederhana, harus ada hubungan non-linier antara integral tegangan dan arus.
Persamaan. (13)–(15) juga menggabungkan dasar-dasar switching bipolar, yaitu perangkat beralih dari satu keadaan ke keadaan lain dengan penerapan tegangan dua polaritas. Akibatnya, perangkat menunjukkan histeris bipolar I -V hubungan mampu dimodelkan oleh persamaan ini, dan karenanya mengarah ke klasifikasi perangkat seperti sistem memristive. Perilaku tersebut diamati di banyak sistem material seperti film organik [119.120.121.122.123], chalcogenides [124.125.126], oksida logam [127.128.129], oksida dielektrik [130.131.132], perovskites [133.134.135.136], dll. Tim HP sendiri menggunakan TiO 2 [3] dan mengamati karakteristik switching bipolar yang serupa, dengan gerakan dopan atau pengotor melalui wilayah aktif sebagai alasan untuk perubahan dramatis dalam resistansi. Hal ini ditunjukkan pada Gambar. 2b, c dengan arus yang menunjukkan penurunan drastis dan kenaikan cepat dengan perubahan tegangan.
Secara fisik, wilayah aktif di kedua perangkat terminal ini beroperasi dalam batas, 0 hingga D , ketebalan lapisan oksida, sehingga variabel keadaan w juga dibatasi antara ketebalan. Gambar 3 menunjukkan variasi w/D dengan waktu untuk parameter tidak pernah meninggalkan batas 0 dan D [3]. Perubahan tiba-tiba dalam resistensi atau switching disebabkan oleh perangkat yang mencapai batas ini. Untuk memodelkan kondisi ini, kondisi batas yang sesuai digunakan. Anomali tertentu diamati pada perangkat di batas-batas khusus. Ada perubahan non-konstan dalam tingkat variabel keadaan dinamis atas perubahan yang tersedia. Juga, mobilitas ion secara signifikan lebih sedikit di batas daripada di tengah. Hal ini dikaitkan dengan efek drift dopan non-linier pada batas. Oleh karena itu, untuk memperhitungkan efek ini dengan benar, variasi fungsi jendela tertentu digunakan untuk menentukan batas perangkat. Tim HP mengusulkan fungsi jendela yang dikalikan dengan variabel status Persamaan. (9) diberikan sebagai [3]:
Perangkat memristive yang digerakkan oleh tegangan simulasi. a Simulasi dengan resistansi diferensial negatif dinamis. b Simulasi tanpa hambatan diferensial negatif dinamis. c Simulasi diatur oleh drift ionik nonlinier. Di plot atas a , b , dan c , stimulus tegangan (biru) dan perubahan yang sesuai pada variabel keadaan ternormalisasi w /D (merah) diplot terhadap waktu. Dalam semua kasus, hard switching terjadi ketika w /D mendekati batas di nol dan satu (putus-putus), dan secara kualitatif berbeda i -v bentuk histeresis disebabkan oleh ketergantungan spesifik w /D pada medan listrik di dekat batas. d Sebagai perbandingan, sebuah percobaan i–v plot dari Pt–TiO2 x –Pt perangkat disajikan [3]
Model ini dapat dikaitkan dengan meletakkan dasar untuk model RRAM masa depan. Ini juga dapat digunakan untuk dua perangkat semikonduktor terminal yang memiliki histeresis bipolar I -V hubungan. Mengambil mekanisme memristor sebagai referensi, banyak model masa depan untuk perangkat RRAM telah dikembangkan.
Model Gerak Ion Non-linier
Model penyimpangan ion linier yang dikembangkan oleh HP [3] terutama menunjukkan efek penyimpangan linier di wilayah sebagian besar perangkat memristor. Mereka mengamati beberapa efek non-linier pada batas tetapi tidak mendefinisikannya secara komprehensif. Ketergantungan non-linier dari penyimpangan dopan pada tegangan yang diterapkan diamati dan dirumuskan oleh Yang et al. [46] pada tahun 2008. Mereka mengusulkan hubungan arus-tegangan menyumbang efek non-linear akurat. Itu kemudian diperbaiki dan ditambahkan oleh Eero Lehtonen dan Mika Laiho [68].
Konduksi dalam perangkat memristif dikendalikan oleh penghalang elektronik logam/oksida yang heterogen secara spasial dilaporkan oleh Yang et al. [46]. Peralihan ini disebabkan oleh aliran kekosongan oksigen bermuatan positif yang bertindak sebagai dopan asli untuk membentuk atau melarutkan saluran konduktif melalui penghalang elektronik ini. Konsentrasi kekosongan lebih tinggi pada batas atau antarmuka logam/oksida. Peralihan ON dan OFF hanya terjadi di antarmuka atas, yang menunjukkan bahwa elektroda atas bertindak sebagai elektroda aktif.
Pengaruh kekosongan oksigen pada karakteristik switching dari memristor berbasis titanium oksida ditunjukkan pada Gambar. 4 [46]. Sampel memiliki kekosongan oksigen yang berbeda dengan urutan lapisan TiO2 yang berbeda. menunjukkan peralihan berlawanan yang ditentukan oleh polaritasnya. Juga, penambahan kekosongan ekstra ke antarmuka atas, ditunjukkan pada Gambar. 4c, mengubah kurva switching sehingga menegaskan peran dominan antarmuka non-ohmik di perangkat memristif. Ini membentuk dasar dari efek non-linier yang berasal dari antarmuka dan mengatur perpindahan perangkat.
TiO film tipis2 x perangkat dengan profil kekosongan oksigen terkontrol digunakan untuk memverifikasi mekanisme switching. a Sampel I dan II mengandung urutan lapisan terbalik dari TiO 15-nm2 dan TiO 15-nm2 x (lebih banyak lowongan) lapisan. Ini menunjukkan polaritas yang berlawanan dari I-V kurva di negara bagian perawan mereka. b . Polaritas switching dari kedua sampel ini juga berlawanan satu sama lain. c . Ketika lebih banyak lowongan diperkenalkan dengan menambahkan lapisan Ti 5-nm ke antarmuka teratas dari dua sampel ini, I-V kurva berubah dengan cara yang sama sekali berbeda, menegaskan peran dominan antarmuka non-ohmik pada perangkat film tipis [46]
Yang dkk. [46] menjelaskan fakta di atas bahwa perangkat memristif bertindak sebagai resistor dinamis yang mengubah keadaannya sesuai dengan integral waktu dari arus atau tegangan yang diterapkan; mereka gagal memberikan hubungan yang menggambarkan variabel keadaan dinamis. Hubungan arus-tegangan yang diusulkan dapat digambarkan sebagai [46]:
Ini, , , n , dan adalah konstanta yang sesuai. Dalam persamaan di atas, suku pertama β sinh(αv ) mendekati [1] keadaan ON dari memristor di mana elektron mengalir melalui penghalang elektronik sisa tipis. dengan didefinisikan sebagai variabel status perangkat dalam kisaran 0 (OFF) dan 1 (ON). Bagian kedua dari persamaan mendekati keadaan OFF perangkat dengan parameter lain yang bertindak sebagai konstanta pemasangan. Parameter n di sini bertindak sebagai parameter bebas yang digunakan untuk mengubah peralihan antar status. Selama penyesuaian n, efek non-linear muncul. Aku -V kurva dari perangkat fabrikasi dimodelkan menggunakan Persamaan. (16). Pemasangan terbaik diperoleh pada 14 ≤ n 22. Ini dapat ditafsirkan sebagai bukti bahwa kecepatan penyimpangan kekosongan efektif sangat tergantung pada cara yang sangat non-linier dengan tegangan yang diterapkan ke perangkat. Jadi, sebagian besar efek penyimpangan dopan pada batas/antarmuka kemudian dapat dipahami sebagai non-linier di alam.
Hubungan yang menggambarkan dinamika variabel status w dalam model ini menggunakan SPICE [116, 117] diusulkan oleh Lehtonen dan Laiho [68]. Turunan waktu dari w dimodelkan sebagai [68]:
$$ \frac{dw}{dt}=a\times f(w)\times g(v) $$ (18)
Di sini, a adalah konstanta, f :[0, 1] → R adalah fungsi jendela yang diusulkan dan g:R → R dianggap sebagai fungsi linier yang diusulkan sebelumnya dalam model penyimpangan linier (di mana R singkatan dari bilangan real). Penulis mendemonstrasikan dari solusi bahwa untuk meniru kerja memristor yang diusulkan oleh Yang et al. [46], g (v ) must be a non-linear, odd, and monotonically increasing function. A non-linear function which was proposed was [68]:
$$ g(v)={v}^q $$ (19)
Here, the exponent q is used to mimic the rapid switching process. Transition between ON and OFF state in a memristor generally takes place very fast. An input voltage with a very high sweep rate is used to obtain such behavior. This is the first implementation of memristor models in the SPICE platform [116, 117].The major advantage of SPICE implementation is the ability of the model to be used in analog circuits and simulations and can be verified as fit to be circuit implementable or not. Although many improvements were made in subsequent models, this model lays the foundation for the rest of the RRAM models by accurately taking into consideration and explaining the non-linear dopant drift effects [3, 46].
Exponential Ion Drift Model
In practice, resistance switching characteristics are non-linear in nature. To analyze such exponential characteristics, Strukov et al. [69] proposed exponential ion drift model in 2009. This non-linearity caused a significant variation in retention time and write speed. Due to the exponential dependence of the switching rate for high electric field, the exponential ion drift model is generalized to explain the phenomenon by the non-linear microscopic drift of charged species in the dielectric at high field and temperature.
The major factors considered for this model are switching speed and volatility. Switching speed is the time required for the device to switch from one resistance state to the other, i.e., it can be deemed as the time required to writing the data into the memory and is denoted as τwrite . Volatility is the time required for the device to lose its resistance state, i.e., the time taken to store the data into the device before erased denoted as τstore . The ratio between τstore and τwrite derived using the Einstein-Nernst formula is given by [69]:
Here, L is the length of the device with an active doped region D dan kB the Boltzmann constant. Ratio between the two parameters is approximately three orders of magnitude when considered at room temperature and reasonable bias voltages. Such a high volatility to switching speed ratio suggests a strong non-linear ionic transport due to drift-diffusion inside the device. For high-field ionic drift, the overall effect on the average drift velocity of the ions is given by the model as [69]:
Here, ν is the drift velocity, fe the frequency of escape attempts, T the device temperature, ap the periodicity, Ea the activation energy, and E the applied electric field.
Variation of the drift velocity with the applied electric field is shown in Fig. 5 [69]. The exponential variation can be clearly seen at high applied fields which lend non-linearity to the model. There are a few shortcomings for this model which affect its accuracy and also the calculation of the average drift velocity mentioned in Eq. (20). This model is primarily suited for application to ionic crystals where the major interaction forces are the Coulomb repulsion and van-der-Waals forces. Its application for covalent crystals will affect the accuracy of calculation due to the complex interactions of electrons and ions in high electric field. Also, electrochemical diffusion reactions and redox reactions are not explained by the model [91,92,93]. This can cause significant issues in the systems where the physical switching mechanism is governed by electrochemical processes.
Nonlinear (solid) and linear (dashed) drift velocity of doubly charged oxygen vacancies along the [110] plane direction in rutile structure at room temperature [69]
Simmons Tunneling Barrier Model
Though Lehtonen and Laiho [68] first proposed SPICE-based simulations model for non-linear ion drift model as mentioned in the “Non-linear Ion Drift Model” section, but this modeling is not suitable for use in an electrical-based time domain simulation, due to the lack of proper definition of simulation parameters and equations. This situation changed with the Pickett-Adballa et al. [70,71,72] model where a new class of model based on the device physics was demonstrated, which is capable of being explained and compatible with SPICE. The equations were modified to fit the requirements for SPICE implementation.
The analysis was based on the results from a TiO2 -based memristor device [70] where the tunneling barrier width w was considered to be the dynamic state variable. This later set the precedent for one of the most popular parameters being treated as the dynamic variable in memristor systems, the other being the length of conductive filament inside the dielectric media. The deduction based on their analysis was that the dynamic behavior for on and off switching of the devices was highly non-linear and asymmetric as can be seen in Fig. 6 [70]. The explanation provided for the deduction was the exponential dependence of the drift velocity of ionized dopants on the applied current or voltage.
Dynamical behavior of the tunnel barrier width w . The evolution of the state variable w occurs as a function of time for different applied voltages for a series of a off-switching and c on-switching state tests on the same device. Legends indicate the applied external voltage. The lines are the numerical solution to the respective switching differential equations described in the text. b , d The numerical derivative w ˙ of the data in a dan c plotted as a function of w for the different applied voltages. The lines are calculated from the differential equations using the measured values of w and i at each point in time. The irregularity of the calculated w˙ vs w lines in the on-switching plots is caused by the changes in the current that accompany the change in state (w˙ is a function of two variables, w and i , and both are changing). The derivative of the state variable w˙ can be interpreted as the speed of the oxygen vacancy front. This is because the applied voltage pushes it away from or attracts it toward the top electrode [70]
The current in the device was explained based on the Simmons tunneling barrier I-V expressions [137], and based on this analysis, the dynamic state variable was determined to be the Simmons tunnel barrier width (w ). The current was given as [72]:
The parameters have been adjusted here such that the barrier height φb is in volts (not in electron volts), and the time-varying tunnel barrier width w is in nanometers. In the equations above, A is the channel area of the memristor, e is the electron charge, h is the Planck’s constant, ε is the dielectric constant, m is the mass of electron, φ0 is a standard barrier height taken from reference [70], and v is the voltage across the tunnel barrier. B is a fitting constant. In lieu of the analytical form of the equations, they can be conveniently described and implemented in SPICE, or it can be implemented with the any SPICE compatible electrical simulator.
The dynamic state variable w varies with time as [72]:
Here, f1,i1 , a1 , b , wc , f2 , i2 , and a2 are fitting parameters. The abovementioned equations are used to model the memristor on the circuit level considering the electron tunnel barrier as a voltage-dependent current source, and the conducting channel (TiO2 ) is modeled as a series resistance. The voltage drops across the tunnel barrier and the series resistance make up the complete voltage drop across the circuit.
The dynamic behavior of the device is visibly complex as it is physics-based modeling approach and has been articulated as such by the Eqs. (27) and (28). The rate of switching possibly has contributions from the nonlinear drift at high electric fields and local Joule heating of the junction speeding up the thermally activated drift of oxygen vacancies [16, 46, 82, 83]. This can be clearly seen in the case of Fig. 6a, c [70] where the nature of the curves at high electric fields is quite different to those in low fields. The switching in the device is directly affected by the width of the gap. Application of a positive bias on the top electrode increases the state variable w resulting in an exponential increase in the resistance of the device as illustrated in Fig. 6b, d [70]. An opposite phenomenon occurs when negative bias is applied on the top electrode. This signifies the bipolar nature of the switching characteristics and their dependence on the dynamic state variable w .
The SPICE simulation of the model equations is illustrated in Fig. 7 [72]. The experimental data from the fabricated device is plotted against the simulated I-V curves showing a good fit between the two. This implementation paves the way for future SPICE simulations of RRAM devices [74, 77, 81]. A possible shortcoming in this model is the lack of a boundary for the dynamic variable and a threshold voltage within which the model should work. The growth of tunneling barrier width w can possibly go to unlimited quantities owing to the lack of a bound for the same, thus creating non-realizable scenarios for the device mechanism. Many models have employed what is called a window function to define the limits for the defined dynamic state variable in the model.
Experimental data (black dots) and corresponding simulated I -V curve for the memristor (solid line) where imem is the current through the memristor and vmem is the voltage across the entire memristor. The inset shows the externally applied voltage sweep is shown and the initial condition for w is set at 1.2 nm [72]
Yakopcic Model
Although not validated specifically for RRAM devices at the time of development, the Yakopcic model [73, 74] closely resembled a variety of RRAM devices. The model was initially tested for TiO2 systems [73], and these systems are indeed one of the most popular ones along with HfO2-based RRAM devices.
This model was based on the Pickett-Adballa model [70,71,72] using a similar state variable, but it was modified to include neuromorphic systems as well. It was one of the first models to consider the functioning of synapses into their equations. This model was verified for the device used by the HP lab team to explain the working of memristive systems.
The state variable w (t ), a value between zero and one considered here, directly affected the current through the device and also the dynamics of the device, i.e., the resistance. The current in the device is given as [73]:
Two functions, namely g (v (t )) and f (x (t )), are responsible for the change in the state variable. a1 , a2 , and b are fitting constants. Change of the state of the variable is generally governed by a threshold voltage, i.e., there is a physical change in the device structure above a certain threshold voltage. The function g (v (t )) here models the ON and OFF voltages of the device which also takes into account the polarity of the input voltage. This results in a better fit to the experimental data in case of bipolar switching where the values of set (vp ) and reset (vn ) voltage, i.e., the thresholds are different. It is defined as [73]:
Ap and An indicate the rate of the change of state once the voltage threshold is crossed. It can be understood as the dissolution or the rupture of the filament in terms of RRAM devices. There is in-built support for threshold values in the model, which enhances its applicability.
The state change variable modeled by the function f (dengan (t )) is used to define the boundaries for the variable. It explains the motion of the charge carrying particles based on the threshold values, also adding the possibility to define the motion of the particles based on the polarity of the input voltage. This basically acts as a window function which restricts the state change variable within certain boundary given as [73]:
Here, fp (dengan ,wp ) is a window function which limits the value of f (dengan ) to 0 when x (t ) = 1 and v (t ) > 0. fn (dengan ,wn ) is a similar window function which does not allow the value of w (t ) to become less than zero when the current flow is reversed.
The movement of dynamic state variable, in simple words, the rate of switching, is governed by a differential equation. The growth and decay of the tunneling barrier width are the defining mechanism for this particular model, and it is given by [73]:
Owing to the analytical nature of the coupled equations, they can be solved using a mathematical solver such as MATLAB [138, 139]. The differential equation can also be solved in MATLAB using the in-built solvers idt () and ddt () functions, which employ the time step integration method. This particular model was simulated using the characterization data of the TiO2 memristor from HP Labs [3], and the fitting obtained was pretty good when the fitting parameters are properly calibrated.
A separate SPICE implementation of the same model was reported by Yakopcic et al. [74] which were fitted and characterized for a multitude of devices for both sinusoidal and repeated sweep inputs. The SPICE implementation revealed a good accuracy and applicability of the model at the circuit level. The model was correlated with a variety of experimental data, and low error rates of about 6% were obtained. It was one of the first SPICE implementation where the model was tested under sinusoidal as well as repetitive sweeping inputs. This helps in determining the AC behavior of the device. Along with that, very important device variability analysis is performed which defines the error tolerance in the device. Variability is an important issue, when the RRAM device is used in large systems, such as arrays. The variability analysis performed is essential in knowing until which point the system can tolerate the variability. After reaching the critical point, there is possibility of errors in device read/write.
The model was also tested for read/write operations using 256 devices, which helps determine its usability in crossbar arrays. Similarly, it can be used for neuromorphic read/write operations to test the model applicability in that system. Device variability in the model is defined with change in the device parameters. So, changing the device parameters leads to a change in the simulated device I -V which is very useful in fitting the model with the experimental data. The values of the device parameters used can help define the accepted values of the particular parameters in the real case scenario. No convergence errors were found in the 256 array system, but with new RRAM array systems reaching higher density, applicability of the model there remains a question. Higher density array systems generally pose a convergence problem in SPICE simulations, but with proper parameter definition, it can be avoided. This model can be considered a new paradigm when it comes to circuit level SPICE simulations, variability analysis, and read/write operation simulations for RRAM devices.
TEAM/VTEAM Model
Threshold Adaptive Memristor (TEAM) model [75, 76] builds based on the Simmons Tunneling Barrier model [70,71,72] (discussed in the “Simmons Tunneling Barrier Model” section) and delivers a much simpler physics-based modeling approach for memristive systems. Aku -V relationship in this case is not fixed and can be chosen to fit any device which provides some amount of flexibility in the model. TEAM model arose from the need of simpler analytical equations which describe the mechanism of memristive systems accurately and which take less computation time.
This model is based on the approximation of the high non-linear dependence of the memristive device current; the device can be modeled as a device with threshold currents. The results are evident in Fig. 8. As with the tunneling barrier model, the internal state derivate is dependent on the current and the state variable itself, which is the effective tunnel width. It can be modeled effectively by [76]: