Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

Памятный знак электросхемы

Создан четвёртый пассивный элемент схемотехники

Алексей Петров 04.05.2008, 16:01

Нанотехнологии позволили создать новый базовый элемент схемотехники, до сих пор бывший абстракцией. К резистору, конденсатору и индуктивности добавился мемристор. Открытие сулит революцию в микроэлектронной индустрии и хранении информации в компьютерах.

Нанотехнологии продолжают подавать надежду на скорейшее развитие микроэлектронной индустрии. Только недавно ученые предложили первые одноэлектронные транзисторы на основе графена, способные функционировать при комнатной температуре. Теперь собственные разработчики всемирно известной корпорации Hewlett Packard объявили об обнаружении четвертого пассивного элемента электронных цепей, способного перевернуть всю индустрию вычислительной техники с ног на голову.

Со школьной скамьи известны три пассивных строительных блока, составляющих основу всей современной схемотехники – резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Эти элементы называются пассивными, так как могут лишь рассеивать или накапливать электроэнергию, а не усиливать электрический ток или напряжение. Электрические параметры каждого из пассивных элементов электрических цепей определяются линейными соотношениями между двумя из четырех фундаментальных параметров электрических схем: силой электрического тока, напряжением, зарядом и магнитным потоком.

Четыре величины могут быть связаны шестью попарными соотношениями – так в квадрате можно провести четыре стороны и две диагонали.

Соотношения (линии) между 4 фундаментальными электрическими величинами - зарядом (Q), напряжением (U), магнитными потоком (Ф) и электрическим током (I). Связи между величинами обеспечиваются сопротивлением R, индуктивностью L, и мкотью C двухконтактных элементов. Диагонали квадрата представляют собой интегральные преобразования без коэффициентов (в системе СИ). До сих пор верхняя сторона у квадрата реализована не была.
Соотношения (линии) между 4 фундаментальными электрическими величинами - зарядом (Q), напряжением (U), магнитными потоком (Ф) и электрическим током (I). Связи между величинами обеспечиваются сопротивлением R, индуктивностью L, и мкотью C двухконтактных элементов. Диагонали квадрата представляют собой интегральные преобразования без коэффициентов (в системе СИ). До сих пор верхняя сторона у квадрата реализована не была.

Такие соотношения в электротехнике имеются. Известно, что резистор отвечает за падение напряжения в ответ на силу тока, емкость конденсатора связывает заряд на его обкладках и напряжение между ними, индуктивность определяет соотношение между изменениями силы электрического тока и магнитного потока. Существуют еще два уравнения, связывающие заряд с током, а магнитный поток – с напряжением. Здесь нужен интеграл по времени, однако удаётся обойтись без коэффициентов.

Для логической завершенности этой системе из пяти уравнений не хватало шестого, напрямую связывающего изменения заряда и магнитного потока.

Такое уравнение появилось почти сорок лет назад, когда Леон Чуа, сотрудник Университета Беркли, предположил существование некоторого четвертого пассивного элемента электронных цепей, который сам же и окрестил «мемристором». Это слово, сочетающее в себе слово память (memory) и сопротивление (resistor), до последнего времени оставалось только предметом модельных математических изысканий.

Грубо говоря, мемристор – это элемент, работающий в условиях переменного тока, электрическое сопротивление которого зависит от полярности прилагаемого напряжения. В зависимости от знака разности потенциалов мемристор может находиться в выключенном (менее проводящем) состоянии и во включенном (более проводящем). Однако в таком виде он мало отличается от диода.

Самым главным качеством мемристора – именно мемристивностью – является зависимость сопротивления от заряда, пропущенного через элемент.

Мемристивные 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 эффект мемристивности (или, если угодно, памятливости) так и не был реализован, так как имел очень маленькие значения для различных микроэлектронных систем. Все изменилось с приходом наноразмерных объектов.

Дмитрий Струков и его коллеги из лаборатории HP показали, как мемристивность возникает в наноразмерных масштабах при переносе заряда с помощью сочетания электронного и атомного механизмов переноса. Статья ученых опубликована в первомайском номере Nature.

Свою концепцию мемристивности ученые реализовали на наноразмерной электрохимической ячейке платина — оксид титана — платина. Соотношение объема полупроводникового оксидного материала к его площади, покрытой платиновыми электродами, позволяло вызывать смещение кислородных вакансий в кристаллической решетке оксида титана к одному из электродов при приложении к платиновым обкладкам разности потенциалов. Благодаря этому эффекту у элемента и возникал пресловутый гистерезис вольтамперной характеристики.

Стоит оговориться, что подобный гистерезис ВАХ наблюдался часто во многих электрохимических системах, где имеет место ионный перенос заряда. Однако систематическая экспериментальная работа Струкова и его коллег позволяет теперь довольно просто объяснить ряд других загадочных явлений, сопровождающих в наши дни развитие наноэлектроники. Это множественные состояния проводимости вместо двух – проводящего и непроводящего, отрицательное дифференциальное сопротивление, приводящее к уменьшению электрического тока через наноразмерный элемент при увеличении прилагаемого напряжения, и многое другое.

Как можно догадаться, сотрудниками транснациональной корпорации двигал не только фундаментально научный интерес.

Их открытие дает еще один шанс всем известному 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.

Применение мемристоров позволит перейти от использования трехконтактных транзисторов к двухконтактным элементам – мемристорам, обладающим функциями своих предшественников за счет совершенно иных физических явлений, да к тому же потребляющих меньше энергии и занимающих меньше места. Кроме того, два контакта мемристора вместо трех у транзистора позволяют существенно проще строить наноэлеткрические цепи на основе новых элементов. Эти параметры устройств могут быть использованы при создании сверхъёмких запоминающих устройств.

По признанию Джеймса Тура и Тао Хи – редакторов полосы электроники в еженедельном выпуске Nature, идея использования мемристоров 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 мемристоры нуждаются в доработке, так как в отличие от транзисторов, являются пассивными элементами, и усиления сигнала в их случае можно добиться, лишь увеличив разницу в электрическом сопротивлении между включенным и выключенным состояниями элемента.