忆阻器寄生效应模型及其对忆阻混沌电路和逻辑电路的影响研究

Nanoscale memristors have shown great application potential in the fields of memory, digital logic circuits, artificial neural networks, and chaotic circuits. Recent research results show that there are parasitic effects in many metal-insulator-metal (MIM) memristors, including parasitic capacitance and parasitic inductance. The existence of these parasitic elements will have a significant impact on memristor characteristics and application circuits. At present, the related research is still in its infancy. In order to explore the mechanism and rule of memristor parasitic effects, a memristor parasitic effect model design approach for the parasitic capacitance (or memcapacitance), parasitic inductance (or meminductance) and coexisting of the both is proposed, which includes mathematical models and circuit emulators. In order to understand the impact of parasitic effects on memristor characteristics, the relationship between the property parameters of memristor device and the parasitic effect intensity, and that between the excitation signal frequency and the parasitic effect intensity is established, respectively. In addition, the impact of parasitic effects on the hysteresis characteristic curve, threshold characteristics and composite connection characteristics of the memristor is explored. Based on the proposed parasitic effect model of the memristor, we reveal the impact of parasitic effects on memristor-based chaotic circuits and digital logic circuits, and further explore the design method of memristor-based chaotic circuits and digital logic circuits including parasitic effects, which can provide a theoretical basis for the development of memristor-based circuits.

纳米尺度的忆阻器在存储器、数字逻辑电路、人工神经网络、混沌电路等研究领域展现出巨大的应用潜力。近期研究成果显示多种金属-介质层-金属（MIM）结构忆阻器存在寄生效应，包括寄生电容和寄生电感。寄生元件的存在必将对忆阻器特性及应用电路产生重要影响，目前其相关研究仍处于起步阶段。为了探索忆阻器寄生效应的机理及规律，拟提出一种忆阻器寄生效应模型的设计方法，分别设计存在寄生电容（或忆容）、寄生电感（或忆感）和两者共存时的忆阻器数学模型和电路仿真器；为了解寄生效应对忆阻器自身特性的影响，拟建立忆阻器件属性参数、激励信号频率与寄生效应强度之间的关系，探索寄生效应对忆阻器磁滞特性曲线、阈值特性以及复合连接特性的影响；基于建立的忆阻器寄生效应模型，揭示寄生效应对忆阻混沌电路和数字逻辑电路特性的影响，进一步探索存在寄生效应时忆阻混沌电路和数字逻辑电路的设计方法，为忆阻电路发展提供理论基础。

纳米尺度的忆阻器在存储器、数字逻辑电路、混沌电路、神经形态计算等研究领域展现出巨大的应用潜力。根据是否存在局部有源特性，忆阻器分为无源忆阻器和局部有源忆阻器。多种类型的忆阻器件，如无源TiOx忆阻器、NbOx局部有源忆阻器均存在寄生效应，包括寄生电容和寄生电感。寄生元件的存在对忆阻器特性及应用电路具有重要影响。基于此背景，本项目研究了不同类型忆阻器的寄生效应及其对振荡电路的影响规律：(1) 压控型（N型）局部有源忆阻器寄生效应及周期振荡机理研究：采用小信号分析方法得出当N型局部有源忆阻器工作在局部有源区间内，其小信号等效电路是一个非线性电阻和一个非线性电容的并联电路。由于内部寄生电容的存在，N型局部有源忆阻器与电感串联即可产生持续的周期振荡行为。(2) 流控型（S型）局部有源忆阻器寄生效应及周期振荡和混沌振荡机理研究：利用小信号分析方法求出S型局部有源忆阻器阻抗函数Z，Z包含一个非线性电阻和一个非线性电感。由于内部寄生电感的存在，S型局部有源忆阻器与合适的外加电容并联即可构成二阶振荡电路。在二阶振荡电路中额外又加入一个电感，设计了S型局部有源忆阻器混沌振荡电路。采用数值分析方法对振荡电路的动力学特性进行了分析。(3) HP TiOx忆阻器的寄生效应及其对忆阻振荡电路的影响：基于忆阻器的物理结构和原理，建立了HP TiOx忆阻器的寄生效应模型，该模型反映了寄生忆容随忆阻器状态变量变化的规律。考虑寄生电容后，利用电路理论导出了HP忆阻器的寄生效应数学模型和电路模型，发现寄生效应模型对正弦激励的电压-电流捏滞曲线偏离原点，并利用寄生效应产生周期或混沌振荡。该项目的研究为忆阻电路的设计和应用提供了理论基础。标志性成果有：SCI论文13篇（第一作者4篇，通信作者2篇），申请发明专利5项，协助培养博士生2名，硕士生5名（已毕业1名）。