基于忆阻逻辑电路及其交叉阵列的设计

摘要

随着晶体管尺寸的不断减小，集成电路的体积和计算性能越来越逼近极限，CMOS的发展面临着巨大的挑战。忆阻器，作为一种新型纳米电子器件，具备读写速度快、功耗低、非易失性、尺寸小等优点，是替代CMOS的理想材料之一。逻辑运算是计算机最基本的功能，因此，设计基于忆阻器的逻辑电路具有重要的理论意义和实践价值。
　　本文首先简述了忆阻器的发展和研究现状，对忆阻的工作机理进行了简单的介绍，分析并仿真了HP实验室TiO2模型以及电压阈值模型—VTEAM模型，采用VTEAM模型对互补阻变开关CRS进行建模与仿真，分析了CRS的相关特性；然后根据忆阻的开关效应和阻变特性，提出了基于单个忆阻的逻辑门电路，其中主要包括实质蕴含操作、与非门、或非门、非门和同或门；为了解决单个忆阻交叉阵列中存在的漏电流问题，本文接着提出了基于CRS的逻辑电路，主要详细地分析了实质蕴含操作和与非门电路。最后，本文提出了基于单个忆阻和CRS的交叉阵列，并在交叉阵列中实现了基于单个忆阻和CRS的逻辑运算，针对目前没有很好的CRS读写电路这一问题，本文提出了一种新型的CRS读写电路，该电路能在不破坏CRS的初始状态下有效地读取CRS的状态。
　　本论文的研究成果包括了基于忆阻逻辑电路设计的各方面工作：忆阻的模型介绍，CRS的建模，忆阻开关效应的介绍，基于单个忆阻的逻辑门电路，单个忆阻交叉阵列中漏电流问题的分析，基于CRS的逻辑门电路，单个忆阻逻辑操作的交叉阵列设计，CRS逻辑操作的交叉阵列设计，CRS单元读写电路的设计。这些研究成果为忆阻逻辑电路的发展提供了理论支持。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 忆阻器的研究现状

1.3 本文的研究内容

1.4 论文结构

2 忆阻器的特性及模型

2.1 忆阻器的基本理论

2.2 忆阻器模型

2.3 互补型阻变开关—CRS建模

2.4 本章小结

3 基于单个忆阻器的逻辑门电路设计

3.1 忆阻器的开关特性

3.2 忆阻器的初始化电路

3.3 基于单个忆阻逻辑门电路的设计

3.4 仿真与分析

3.5 本章小结

4 基于互补型阻变开关的逻辑门电路设计

4.1 漏电流问题分析

4.2 互补型阻变开关结构

4.3 基于CRS的逻辑门电路设计

4.4 仿真与分析

4.5 本章小结

5 基于忆阻逻辑操作的交叉阵列设计

5.1 基于单个忆阻逻辑操作的交叉阵列设计

5.2 基于CRS逻辑操作的交叉阵列设计

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表的论文