PSPICE中新型器件憶阻器的建立

李 彤，陳佳楣，劉真真，Mariam，王鐵鋼，范其香

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

PSPICE中新型器件憶阻器的建立

李 彤1，陳佳楣1，劉真真1，Mariam1，王鐵鋼2，范其香2

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

針對神經網絡難以用硬件設備實現、且軟件實現比較耗時的問題，分析了憶阻器的特性及內部機理，采用PSPICE軟件對憶阻器進行了研究。憶阻器是除電阻、電感和電容之外的第4種基本無源電子器件，其阻值隨流經它的電荷量變化而變化，在斷開電流時保持其阻值不變，有記憶電阻的性質，可應用于工程方面。本文通過PSPICE語句描述了憶阻器的內部結構，使用子電路的方法構建了憶阻器模型，仿真驗證了器件具有憶阻的特性。

憶阻器；子電路；PSPICE；建模

美國加州福尼亞大學伯克利分校蔡紹棠[1]教授從電路完備性和邏輯性角度，提出了由電荷q和磁通量φ關系組成的電路元件憶阻器。憶阻器是并列于電阻（R）、電容（C）和電感（L）的第4種基本電路元件。在外加信號的變化下，憶阻器的阻值改變，斷電時阻值不變。2008年美國惠普公司Strukov等[2]研制出憶阻器物理實體，隨后研究人員基于上述物理模型，根據物理公式實現了集成模擬電路的仿真（simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）[3-7]，但采用PSPICE新建憶阻器SPICE模型的相關研究較少。SPICE軟件是美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的模擬電路仿真標準軟件，是由SPICE發展而來的用于微機系列的通用電路分析程序，主要應用于大規模集成電路。PSPICE軟件可構建子電路，將子電路作為新電子元器件添加到PSPICE模型庫中，形成元器件符號，可實現重復調用。本文基于Hisham Aballa[8]的憶阻器改進SPICE模型，介紹憶阻器子電路模塊的構建及形成原器件的步驟，并連接于電路中，仿真驗證憶阻器的特性。

1 憶阻器及其電路模型的建立

1.1 憶阻器

2008年美國惠普實驗室研制出憶阻器物理實物，共3層結構。其中，頂層和底層為金屬電極，中間為鈦氧化物薄膜。本文選用Hisham Abdalla提出的憶阻器SPICE改進模型[8]，憶阻器的內部結構如圖1所示。

圖1 憶阻器的內部結構

憶阻器是由2層鉑（platium，Pt）金屬電極和中間的薄膜組成的非線性時變器件。在外加電場的作用下，氧離子移動形成導電性強的氧空缺層TiO2-x和含氧的隧道層TiO2。隧道層的寬度w由所加電壓決定。Hisham Abdalla對文獻[8]的憶阻器內部公式進行改進，隧道勢壘高度單位用伏特取代電子伏特，隨時間變化的隧道勢壘寬度w單位用納米取代米。φ0、φI的單位為伏特，w1、w2和Δw的單位為納米，憶阻器的內部公式為：

式中：J0、A、e的乘積為0.061 7；A為憶阻器隧道的橫截面積，A=104±2 500 nm2；e為電子電荷；J0=2πh，h為普朗克常量；Vg為隧道勢壘電壓；m為電子質量；k為介電常數，k=5±1；φ0為電子的勢壘高度，φ0= 0.95±0.03 eV，φ0涉及隧道的變化時間。該模型的電壓和電流關于零點對稱。

為使計算簡便，上述模型中忽略了實驗中隧道正負面對導電性能的影響，隧道勢壘寬度w隨時間變化的公式如下。

當電流為正向時，電流源Goff工作，隧道的勢壘寬度w為：

當電流為反向時，電流源Gon工作，隧道的勢壘寬度w為：

當w為納米時，foff=40±10（us），ion=8.9±0.3（uA），b=500±90（uA），Wc=107×10-3，aoff=1.2，aon=1.8。

1.2 憶阻器電路模型的建立

憶阻器的電路模型如圖2所示。將憶阻器中的隧道勢壘層視為電流為i的電壓控制電流源，導電層TiO2-x視為一系列電阻值RS。RS的電阻值設為215 Ω，int為憶阻器電路模型的電路節點。i在正反情況下隧道勢壘寬度變化電路圖如圖3所示。

圖2 憶阻器的電路模型

圖3 i在正反情況下隧道勢壘寬度變化電路圖

通過電容的電壓w為隧道的勢壘寬度，對應式為：dw/dt=（Goff-Gon）/C，電流源Goff模型代表式（6）等式右邊，電流源Gon代表式（5）等式右邊。電容C為1 nf，隧道勢壘寬度的單位為μm。當電流大于0時，電流源Goff工作；電流小于0時，電流源Gon工作。

2 憶阻器電路模型的PSPICE描述

根據建立的憶阻器電路模型，用PSPICE語言描述憶阻器。在PSPICE軟件中，構建憶阻器的子電路模塊，定義語句為＜.SUBCKT子電路名節點N1，N2..＞[9-12]。本文中憶阻器子電路語句為：.SUBCKT modelmemristorplus minus。模型中定值參數描述為：

根據式（1），可用如下語句描述，其中語句過長，采用“+”號連接。電壓控制電流源的字母符號為G，描述形式為：G＜名字＞，正向節點，負向節點，數值。電壓控制電壓源的字母符號為E，描述形式為：E＜名字＞，正向節點，負向節點，數值。

將215 Ω的RS電阻連接于中間和減節點，式（3）和式（4）的語句描述為：

式（2）利用PSPICE描述為：

同時，進行i在正反情況下隧道勢壘寬度變化的語句描述，設定C1的電容、電阻等，式（5）和式（6）的描述為：

3 憶阻器電路模型在PSPICE中的建立步驟

憶阻器作為新型器件，在建立子電路模塊后需要轉化為電路符號圖的形式[13-17]，具體步驟如下。

（1）子電路憶阻器描述語句的開頭為.SUBCKT，結尾為.ENDS，將開頭、結尾以及中間描述部分用記事本存為.lib的格式。

（2）在PSPICE中的MODEL EDITOR模型編輯模塊中打開新生成的.lib文件，執行FILE/CREAT PARTSM命令，產生文件存取位置的對話框，如圖4所示。輸入第一步中生成的.lib文件位置后，選擇輸出器件的位置。如果子電路程序正確，將產生信息如圖5所示。

圖4 新器件憶阻器模型存取位置

圖5 生成新器件時產生信息

（3）為使新器件能在電路圖中仿真，需要配置庫文件。找到安裝路徑下軟件模型庫中的nom.lib文件，在end語句前添加.lib“yizu.lib”語句完成注冊。在Capture中的PSPICE/Edit Simulation Profile下，點擊標簽Libraries，產生對話框，進行文件庫的配置；點擊Browse按鈕，查找并選中模型庫“yizu.lib”文件，點擊Add as Global添加為全局庫，從而該子電路可多次調用。

在存取位置中打開.OLB文件，可以看到新產生的憶阻器器件，如圖6所示。為使新器件能在電路圖中仿真，需要配置庫文件。驗證新器件憶阻器的特性，將生成的憶阻器新模型連接于電路圖中，如圖7所示。線性電源設置如表1所示。

圖6 憶阻器器件模型

圖7 驗證憶阻器效果小電路

表1 線性電源設置

電源為+3/-3 V的三角線性電源設置。0～1 s時為峰值3 V的線性三角波，1～2 s時為峰值-3 V的線性三角波，同時將3 kΩ電阻串聯于電路中。憶阻器的I-V特性曲線如圖9所示。

圖8 憶阻器的I-V特性曲線

從圖8可以看出，憶阻器的電導（dl/dV）在不同的區域呈現不同的值。因此，憶阻器的電阻是可變的，電阻值隨電流不同而不同。正如引言所述，這一特點恰好符合了憶阻器的典型特征，即在外加信號的變化下，憶阻器的阻值發生改變。

4 結束語

本文在PSPICE中對新器件憶阻器應用子電路的方法進行了建模，形成新器件并添加于模型庫中，分析了建模語句，介紹了建模的具體步驟，將憶阻器連接于小電路中驗證了符合憶阻器特性的器件效果，從而證實了憶阻器可以更多地應用于電路設計方面。

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New model building of memristor based on PSPICE

LI Tong1，CHEN Jia-mei1，LIU Zhen-zhen1，Mariam1，WANG Tie-gang2，FAN Qi-xiang2
（1.School of Electronics Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In view of the problem that the neural network is difficult to be realized by hardware and software，the characteristics and the internal mechanism of the device are analyzed，and the PSPICE software is used to study the memristor.The memristor is the fourth basic passive resistance in addition to resistance，inductance and capacitance of the electronic device and its resistance changes with the changes of the amount of charge flowing through it，which has the nature of memory resistance and can be used in engineering.In this study，the internal structure of the memory is described by the PSPICE statement，and the memory model is constructed by using the method of subcircuit.The simulation results show that the device has the characteristics of memristor.

memristor；sub circuit；PSPICE；modeling

TM54

A

2095－0926（2016）04－0024－04

2016-07-11

國家自然科學基金資助項目（51501130）；天津市高等學校創新團隊培養計劃資助項目（TD12-5043）；天津職業技術師范大學人才計劃資助項目（RC14-53）.

李 彤（1977—），女，副教授，博士，研究方向為功能材料與器件.