78、基于 Pt - Hf - Ti 忆阻器的 2T1M 神经形态突触研究

基于 Pt - Hf - Ti 忆阻器的 2T1M 神经形态突触研究

1 引言

在许多研究中，忆阻器被用作突触，但需考虑所使用的人工神经网络（ANN）及其应用场景。不同的研究采用了不同的忆阻器架构，如单交叉阵列、双交叉阵列、2M1R 等。本文聚焦于 2T1M 神经形态突触，使用 VTEAM Verilog - A 模型对 Pt - Hf - Ti 忆阻器进行建模研究。

2 Pt - Hf - Ti 忆阻器

2.1 结构

Pt - Hf - Ti 忆阻器是基于金属氧化物材料的忆阻器，属于阴离子器件。其结构类似于金属 - 绝缘体 - 金属（MIM）电容器，由三层组成：铂（Pt）和钛（Ti）作为电极，中间是二氧化铪（HfO₂）绝缘层。中间层是忆阻器的有源区，可通过外部电场切换忆阻器的高低电阻状态。

2.2 工作原理

其工作原理基于有源区（HfO₂）中氧空位的离子传输来切换电阻。当外部电场向电极（Pt）施加正电压时，氧空位转移到电极（Ti），忆阻器呈现低电阻；反之则呈现高电阻。电阻的变化仅取决于施加电压的大小，而与极性无关。

2.3 优势

HfO₂ 忆阻器具有结构简单、电阻切换稳定性高、切换速度快、可靠性高、功耗低以及与 CMOS 技术兼容等优点。它可设计为交叉阵列，实现内存和计算集成，适用于多层神经网络、逻辑计算、神经计算、非易失性存储器、模拟和数字电路等应用。

3 2T1M 神经形态突触

3.1 结构与功能

2T1M 突触由一个 Pt - Hf - Ti 忆阻器存储权重（Wt），两个晶体管控制读写过程。