Теплофизическая модель мемристорно-диодного микрочипа

Об авторах:

Созонов Максим Викторович, аспирант кафедры прикладной и технической физики, Тюменский государственный университет; m.v.sozonov@yandex.ru; ORCID: 0000-0003-1232-0389

Бусыгин Александр Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной и технической физики, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; старший научный сотрудник, лаборатория мемристорных материалов, Центр природовдохновленного инжиниринга, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; a.n.busygin@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0002-3439-8067

Бобылев Андрей Николаевич, заведующий лабораторией электронной и зондовой микроскопии НОЦ «Нанотехнологии», Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ScopusID, andreaubobylev@gmail.com; ORCID: 0000-0001-5488-8736

Кислицын Анатолий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор кафед­ры прикладной и технической физики, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; a.a.kislicyn@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0003-3863-0510

Аннотация:

Наиболее популярные модели работы мемристора, основанные на принципе формирования и разрыва нитей проводимости в мемристивном слое, применяются к рассмотрению работы единичного мемристора. Однако интерес представляет рассмотрение работы полноценного микрочипа со множеством мемристоров. В этом случае очень важным становится определение теплового режима работы такого устройтсва. В частности, определение необходимости его охлаждения и влияния архитектуры микрочипа на характер теплообмена. При этом предлагаемая модель должна быть достаточно простой, т. к. моделирование в каждом мемристоре проводящих нитей сильно усложняет работу с моделью и требует больших вычислительных ресурсов.

В работе представлена теплофизическая модель работы микрочипа на основе мемристорно-диодного кроссбара, созданного в НОЦ «Нанотехнологии» ТюмГУ. В модели учитывается Джоулев нагрев и конвективный теплообмен. Особенностью модели является упрощенное определение состояния мемристора по величине удельного сопротивления мемристивного слоя по данным вольт-амперной характеристики реального образца мемристора. Моделирование проводится в программном комплексе ANSYS. В рамках модели решаются самосогласованные электрическая и теплофизическая задачи в нестационарной постановке. Получены температурные поля и графики зависимости температуры от времени для различных режимов работы. Получены результаты, хорошо согласующиеся с аналогичными данными других исследований, опубликованными в литературе. Модель хорошо показывает себя на различных режимах работы микрочипа: как на тех, где не происходит переключения состояний мемристоров, так и на режимах с переключением состояний. Представленная модель может быть использована на этапе проектирования для учета особенностей архитектуры микрочипа, которые могут значительно повлиять на тепловой режим его работы.

Список литературы:

1. Алексеева Л. Г. Мемристор — новый наноразмерный элемент многоуровневой нейроподобной логики / Л. Г. Алексеева, А. С. Иванов, В. В. Лучинин, А. А. Петров, Т. Тикёу, Т. Набатамэ // Биотехносфера. 2016. № 3-4. С. 45-46.

2. Белавин А. А. Анализ и оценка рынка устройств на основе мемристоров / А. А. Белавин // Молодой ученый. 2019. № 19 (257). С. 105-107.

3. Васильев В. А. Математическое моделирование мемристора в присутствии шума / В. А. Васильев, П. С. Чернов // Математическое моделирование. 2014. Том 26. № 1. С. 122-132.

4. Ибрагим А. Х. А. Математическое моделирование резистивных состояний и динамического переключения мемристора на основе оксида металла / А. Х. А. Ибрагим, С. Ю. Удовиченко // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2020. Том 6. № 2 (22). С. 127-144. DOI: 10.21684/2411-7978-2020-6-2-127-144

5. Кислицын А. А. Исследование температурных режимов микросхемы с мемристорными ячейками / А. А. Кислицын, А. Ю. Кузьменко, М. В. Созонов // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сб. ст. по матер. XXVII междунар. науч.-практ. конф. № 5 (21). Новосибирск: СибАК, 2020. С. 91-98.

6. Мацукатова А. Н. Наномасштабные тепловые эффекты второго порядка в мемристивных структурах на основе поли-n-ксилилена / А. Н. Мацукатова, А. В. Емельянов, А. А. Миннеханов, В. А. Демин, В. В. Рыльков, П. А. Форш, П. К. Кашкаров // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2020. Том 112. № 6. С. 379-386. DOI: 10.31857/S123456782018007X

7. Палагушкин А. Н. Технология мемристоров / А. Н. Палагушкин, Ф. А. Юдкин, С. А. Прокопенко, А. П. Сергеев // Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника. 2018. № 2 (170). С. 20-26.

8. Старостин А. А. Специальные температурные измерения / А. А. Старостин, Е. М. Шлеймович, В. Г. Лисиенко. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2016. 168 с.

9. Теплов Г. С. Модель на языке Verilog-A многоуровневого биполярного мемристора с учетом девиаций параметров переключения / Г. С. Теплов, Е. С. Горнев // Микроэлектроника. 2019. Том 48. № 3. С. 163-175. DOI: 10.1134/S0544126919030104

10. ANSYS Icepak // ANSYS в России и СНГ. CAE Expert. URL: https://cae-expert.ru/product/ansys-icepak (дата обращения: 01.09.2021).

11. Bhavani P. Mathematical modelling and analysis of memristors with and without its temperature effects / P. Bhavani, M. Kamaraju, L. Venkata // International Journal of Electronics and Telecommunications. 2017. Vol. 63. No. 2. Pp. 181-186. DOI: 10.1515/eletel-2017-0024

12. Borghetti J. Electrical transport and thermometry of electroformed titanium dioxide memristive switches / J. Borghetti, D. B. Strukov, M. D. Pickett, J. J. Yang, D. R. Stewart, S. R. Williams // Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 106. No. 12. DOI: 10.1063/1.3264621

13. Burzo M. Noncontact transient temperature mapping of active electronic devices using the thermoreflectance method / M. Burzo, P. Komarov, P. Raad // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2006. Vol. 28. No. 4. Pp. 637-643. DOI: 10.1109/TCAPT.2005.859738

14. Chua L. O. Memristor — the missing circuit / L. O. Chua // IEEE Trans. Circuit Theory. 1971. Vol. CT-18. No. 5. Pp. 507-519.

15. Gao X. Three-dimensional fully-coupled electrical and thermal transport model of dynamic switching in oxide memristors / X. Gao, D. Mamaluy, P. R. Mickel, M. Marinella // ECS Transactions. 2015. Vol. 69. No. 5. Pp. 183-193. DOI: 10.1149/06905.0183ecst

16. Jeetendra S. Temperature dependent analytical modeling and simulations of nanoscale memristor / S. Jeetendra, R. Balwinder // Engineering Science and Technology, an International Journal. 2018. Vol. 21. No. 5. Pp. 862-868. DOI: 10.1016/j.jestch.2018.07.016

17. Pahinkar D. G. Experimental and computational analysis of thermal environment in the operation of HfO₂ memristors / D. G. Pahinkar, P. Basnet, M. P. West, B. Zivasatienraj, A. Weidenbach, A. W. Doolittle, E. Vogel, S. Graham // AIP Advances. 2020. Vol. 10. No. 3. DOI: 10.1063/1.5141347

18. Pisarev A. Fabrication technology and electrophysical properties of a composite memristor-diode crossbar used as a basis for hardware implementation of a biomorphic neuroprocessor / A. Pisarev, A. Busygin, A. Bobylev, A. Gubin, S. Udovichenko // Microelectronic Engineering. 2021. Vol. 236. DOI: 10.1016/j.mee.2020.111471

19. Shen W. Experimentally calibrated electro-thermal modeling of temperature dynamics in memristors / W. Shen, S. Kumar, S. Kumar // Applied Physics Letters. 2021. Vol. 118. No. 10. DOI: 10.1063/5.0039797

20. Strachan J. P. The switching location of a bipolar memristor: chemical, thermal and structural mapping / J. P. Strachan, D. B. Strukov, J. Borghetti, J. J. Yang, G. Medeiros-Ribeiro, S. R. Williams // Nanotechnology. 2011. Vol. 22. No. 25. DOI: 10.1088/0957-4484/22/25/254015

21. Strukov D. B. The missing memristor found / D. B. Strukov, G. S. Snider, D. R. Stewart, R. S. Williams // Nature. 2008. Vol. 453. Pp. 80-83.