基于忆阻器-CMOS的混合逻辑电路设计及其应用

摘要

随着电子集成技术的不断发展，CMOS器件的物理尺寸以及电气性能都越来越接近极限，因此通过减小CMOS器件尺寸来提升电路性能已经变得很困难了。作为一种新型的电子器件，忆阻器具有纳米级的尺寸，很好的扩展性，状态切换快，阻变特性以及非易失性。利用这种具有优良特性的电子器件来优化传统CMOS电路具有重要的实践意义。 本文首先介绍了忆阻器的研究现状，然后给出了忆阻器的基本理论，主要包括忆阻器理论模型，忆阻器器件工作机理，不同类型数学模型以及忆阻器的仿真模型。接着提出了基于忆阻和CMOS器件组成的混合逻辑单元，分析了该单元的结构以及工作原理，并且给出了这种单元的基本操作，利用这些操作可以实现蕴含，蕴含非，与，与非，或以及或非等逻辑。利用这些单元构建的逻辑电路可以利用忆阻器的阻值状态来进行逻辑计算并且具有很好的扩展性。接着基于这些逻辑单元来构建不同功能的逻辑阵列，在此基础上给出了可配置的逻辑阵列设计方案。此外本文利用提出的逻辑单元实现了一种二值存储器，相比其他的基于忆阻的存储器，这种存储器可以实现更灵活的读写操作，并且在读操作过程中没有漏电流的问题。通过改进逻辑单元的结构实现了内容可寻址存储器。本文中提出的电路都是通过仿真软件HSPICE进行分析验证的。 本文的研究成果主要包括基于忆阻器-CMOS逻辑电路以及存储电路的设计工作：提出了基于忆阻器-CMOS的逻辑单元，利用这种单元实现了多种逻辑电路，在此逻辑单元的基础上实现了可配置的逻辑阵列，二值存储器以及内容可寻址存储器的实现。

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