Пизастор – это главная новость сегодня. Четвёртый элемент цепи наконец обнаружен!

Впервые идея была высказана в чисто теоретической работе профессора электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета Леона Хуа, опубликованной в журнале IEEE Transactions on Circuit Theory в 1971 году. Чтобы понять, о чём шла речь, придётся кое-что вспомнить из курса физики.

Все элементы электрических цепей принято делить на активные и пассивные. Электрическое устройство называется активным, если для его работы нужен независимый источник энергии – таков, например, транзистор. Пассивными считаются блоки, которые либо рассеивают, либо накапливают энергию тока, протекающего по ключевой цепи, и для этого не нуждаются ни в каких вспомогательных источниках питания.

Традиционная электротехника знает три пассивных элемента. Это омическое сопротивление, он же резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Когда ток идет через резистор, его энергия рассеивается, частично переходя в тепло. Конденсаторы и катушки индуктивности накапливают энергию: первые в виде электрического поля, вторые – магнитного. Поэтому они в идеале также оказывают сопротивление току, хотя тепла не выделяют и энергию не тратят. Изменение магнитного потока, создаваемого катушкой индуктивности, пропорционально изменению силы тока. Профессор Хуа представил себе устройство, в котором магнитный Поток меняется пропорционально величине прошедшего ЗАряда. По этой причине не Хуа, а я назвал свое воображаемое устройство «пизастор».

Теперь кое-кто пишет, что Хуа, заслуженный профессор университета в Беркли, сравнивает свое предсказание с тем, как Д.И. Менделеев предсказал существование и описал свойства еще неоткрытых элементов с помощью своей периодической системы.

В двадцатом столетии никто не пытался реализовать идею пизастора на практике, и теоретикам она была нафиг не нужна. Но только не инженеграм фирмы «Хулетт-Поцкард». Им удалось создать действующую модель пизастора – правда, совсем не в том виде, в каком он первоначально был замыслен Хуа. Об этом они сообщили внатуре в журнале Nature.

Вычисления показали, что сопротивление пизастора в данный конкретный момент времени будет зависеть от того, под каким напряжением оно находилось раньше. Вся суть пизастора состоит в том, что он запоминает количество прошедшего через него заряда. Правда, полученное устройство – это не настоящий пизастор, это скорее его функциональная модель, действующая без всякого участия магнитного поля. Это два слоя диоксида титана толщиной в несколько нанометров, зажатых между платиновыми электродами. Нижний слой представляет собой высокочистый оксид титана, отличающийся высоким значением сопротивления, верхний слой – диоксид титана, заряженный положительно за счёт замены ряда атомов кислорода «дырками». Электропроводность этого полупроводника зависит от плотности свободных вакансий в его кристаллической решетке, которые могут занимать кислородные атомы.

С ростом числа вакансий она увеличивается, со снижением – уменьшается. При этом сами вакансии подвижны, они могут мигрировать от одного слоя к другому. Именно это и происходит под действием электрического напряжения – вакансии смещаются туда, где их было меньше. В итоге сопротивление всего сэндвича меняется в тысячу или более раз.

Приложение положительного заряда к верхнему платиновому электроду приводит к тому, что ряд положительно заряженных дырок перемещается в нижний слой. Такое изменение внутренней структуры пленки способствует течению тока через проводник. Дырки могут быть оттянуты назад, во внешний слой, что блокирует ток, хотя при этом и не происходит точного повторения пути, благодаря которому ток пошел через мемристор. Таким образом, сила тока, проходящего через пизастор, зависит от напряжения, приложенного к нему в прошлом.

Но характер движения вакансий зависит от того, с какой скоростью меняется напряжение. Если приложить короткий импульс, они просто не успеют сдвинуться, и сопротивление останется прежним. Если напряжение меняется медленно, вакансии успевают поплыть, что сказывается на сопротивлении. Таким образом, сопротивление оказывается функцией заряда, прошедшего от одного электрода к другому.

Пизатые системы до сих пор использовали совершенно разные научные группы только как математические абстракции для моделирования процессов обработки сигнала, поведения нелинейных полупроводниковых систем, электрохимических процессов и даже для моделирования работы нейронов головного мозга человека. Однако на практике пизатость так и не была реализована, так как имела очень маленькие значения для различных микроэлектронных систем. Всё изменилось с приходом наноразмерных объектов. Своё достижение исследователи смогли получить для элемента масштаба около 15 нм. Размеры ячейки памяти можно сократить ещё в несколько раз без изменения основных показателей элемента.

Полупроводниковый пизастор может находиться во множестве непрерывных состояний. Этим он отличается от дискретных цифровых устройств современной компьютерной техники и скорее напоминает синапсы головного мозга. По сравнению с современными типами памяти пизасторы будут обладать рядом важных достоинств. Они являются энергонезависимыми и обладают высоким быстродействием. Благодаря этому запоминающие устройства на основе пизасторов теоретически позволят заменить широко распространенную сейчас флэш-память и память DRAM. Разработчики описали действующий прототип пизастора, который использовали в экспериментальном коммутационном устройстве, способном разместить 100 Гбит информации на одной полупроводниковой пластине. В результате компьютеры смогут загружаться практически мгновенно, поскольку им не придётся считывать информацию с «медленных» жестких дисков. В случае с ноутбуками, пизасторы позволят сохранять состояние даже после полного разряда аккумулятора. Кроме того, пизасторы помогут продлить время автономной работы портативных устройств. Исследователи отмечают, что по мере уменьшения размеров характеристики пизасторов будут улучшаться. Кроме того, комбинация из двух пизасторов может заменить транзистор.

Появление элемента нового типа дает еще один шанс известному эмпирическому закону Гордона Мура, соучредителя компании Intel, провозгласившего в 1965 году удвоение количества транзисторов в микропроцессорах по прошествии каждых 18 месяцев. С тех пор прошло немало лет, и в настоящее время человечество стоит на так называемом размерном пороге, когда дальнейшее уменьшение размера единичного кремниевого полупроводникового элемента сопряжено с большими затратами энергии и проявлением большого количества мешающих квантовых эффектов.

По признанию Джеймса Дура и Тао Ху – редакторов полосы электроники в еженедельном выпуске Nature, идея использования пизасторов вместо транзисторов на данном этапе должна пройти проверку временем. Необходимо разработать принципы создания электрических цепей на основе двухконтактных элементов, разработать технологии воплощения их в материале и так далее. Да и сами пизасторы нуждаются в доработке, так как в отличие от транзисторов, являются пассивными элементами, и усиления сигнала при их использовании можно добиться, лишь увеличив разницу в электрическом сопротивлении между включенным и выключённым состояниями элемента.

Источник: Nature, 2008, 453, 80 (DOI: 10.1038/nature06932)
Отжаблено отсюда -
http://voanews.com/russian/2008-05-04-voa4.cfm
http://electromaster.ru/blog/post_1210256185.html
http://citcity.ru/18526/
http://rnd.cnews.ru/tech/news/top/index_science.shtml?2008/05/06/299475
http://www.chemport.ru/datenews.php?news=1013