阻变存储器：器件、材料、机理、可靠性及电路 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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林殷茵，宋雅丽，薛晓勇 著

图书标签:

• 阻变存储器
• ReRAM
• 非易失存储器
• 存储器件
• 材料科学
• 可靠性
• 电路设计
• 新兴存储技术
• 存储器技术
• 纳米电子学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030414991

版次：1

商品编码：11541007

包装：平装

开本：16开

出版时间：2014-08-01

用纸：胶版纸

页数：121

正文语种：中文

内容简介

林殷茵、宋雅丽、薛晓勇著的《阻变存储器--器件材料机理可靠性及电路》系统总结、归纳和对比了近来国际上在阻变存储器核心技术上研究的最新成果以及发展趋势，全书共分8章，包括阻变存储器核心技术近年来的发展趋势概述，2D存储单元结构，阻变材料和机理，阻变读写性能的优化，可靠性的优化，读写电路技术，提高良率以及可靠性的电路辅助技术．3D集成及相关电路技术。
本书可作为高等院校电子科学与技术、电子与信息工程、材料科学与工程等专业的高年级本科生和研究生的选修课教材，也可供从事这一领域研究的科研和工程技术人员参考。希望这本书会对有兴趣的读者深入了解阻变存储器这一国际热点研究领域的进展、聚焦问题以及发展趋势有所帮助。

目录

前言 第1章  RRAM概述    参考文献  第2章  2D RRAM的存储单元结构    2.1  1T1R单元     2.1.1  单元结构     2.1.2  单极和双极操作   2.2  采用二极管作为选通器件的单元     2.2.1  单极操作的1D1R单元     2.2.2  采用双向二极管作为选通器件的RRAM单元   2.3  自整流RRAM单元     2.3.1  混合型RRAM存储单元     2.3.2  互补型RRAM器件   参考文献 第3章  RRAM的阻变机理   3.1  导电细丝的类型及其相应的阻变过程      3.1.1  金属导电丝型RRAM        3.1.2  氧空位导电丝RRAM      3.2  RRAM的FORMING过程   3.3  导电细丝的微缩化及其对性能的影响     参考文献 第4章  影响RRAM读写性能的主要因素和优化方法   4.1  降低RESET电流的方法     4.1.1  构建多层结构     4.1.2  通过控制限流降低功耗   4.2  操作算法提高RRAM读写特性     4.2.1  自适应写操作算法提高写成功率和Roff／Ron窗口     4.2.2  操作算法提高参数一致性   4.3  工艺方法提高读写参数一致性      4.3.1  电极效应     4.3.2  插入缓冲层和构建双层结构     4.3.3  嵌入金属来控制导电通路     参考文献  第5章  RRAM的可靠性   5.1  保持特性当前的测试方法   5.2  保持特性的模型和改善方法      5.2.1  RRAM保持特性失效模型     5.2.2  通过形成高密度的氧空位CF改善保持特性     5.2.3  通过动态自适应写操作算法改善保持特性   5.3  耐久性模型和改善方法     5.3.1  耐久性失效模型      5.3.2  高耐久性的器件结构      5.3.3  通过编程算法提高耐久性      参考文献  第6章  提高RRAM读写速度及带宽的电路技术   6.1  提高读速度的电路技术     6.1.1  基于反馈调节的位线偏压方案      6.1.2  PTADB方案    6.2  提高读带宽的电路技术     6.2.1  片上所有sA同时工作      6.2.2  交替页访问并结合DDR接口输出    6.3  加快写速度及带宽的电路技术   参考文献  第7章  提高RRAM读写良率和可靠性的电路技术    7.1  提高读良率的电路技术     7.1.1  PSRC方案      7.1.2  SARM方案      7.1.3  BDD-CSA方案      7.1.4  TABB方案      7.1.5  SSC-CSA方案    7.2  提高写良率降低写功耗的电路技术      7.2.1  自适应写模式      7.2.2  带反馈的自定时写方案    7.3  提高耐久性和保持特性的电路技术      7.3.1  两步FORMING方案     7.3.2  阻值验证写方案      7.3.3  动态自适应写方法    参考文献  第8章  3D RRAM集成及电路技术   8.1  传统交叉点架构的漏电通路及功耗问题    8.2  基于lTXR的3D RRAM       8.2.1  lTXR单元及阵列架构     8.2.2  克服写干扰的编程算法     8.2.3  克服读干扰的措施   8.3  基于1D1R单元的3D RRAM      8.3.1  阵列架构      8.3.2  可以补偿漏电流来精确检测阻态变化的写电路技术     8.3.3  采用位线电容隔离来加快sA翻转的读电路   8.4  采用双向二极管作为选通器件的3D RRAM     8.4.1  阵列架构      8.4.2  lBDlR阵列的编程条件      8.4.3  采用冗余单元的多位写架构    8.5  具有较低光刻成本的竖直3D堆叠方式      8.5.1  单元和阵列的截面图     8.5.2  光刻方面的成本优势   参考文献

前言/序言

阻变存储器：器件、材料、机理、可靠性及电路 序言 信息时代的飞速发展，对存储技术提出了前所未有的挑战。传统的冯·诺依曼架构在处理器与存储器之间存在“功耗墙”和“带宽墙”的瓶颈，制约着计算效率的提升。非易失性存储器（NVM）的发展，尤其是阻变存储器（ReRAM），为突破这一瓶颈带来了曙光。ReRAM以其结构简单、功耗低、读写速度快、高集成度以及与CMOS工艺兼容的优势，被认为是下一代主流存储技术的重要候选者之一。 本书《阻变存储器：器件、材料、机理、可靠性及电路》旨在系统、深入地阐述阻变存储器的核心内容，为研究人员、工程师及相关领域的学生提供一份全面而详实的参考。本书内容涵盖了阻变存储器从基础的器件结构、核心的材料选择，到关键的工作机理、至关重要的可靠性分析，再到实际的电路设计与应用等各个方面。我们力求以严谨的学术态度，清晰的逻辑结构，生动的图表和实例，呈现阻变存储器这一前沿领域的全貌。 第一部分：阻变存储器基础 第一章 绪论 本章将带领读者进入阻变存储器的世界，首先回顾存储技术的演进历程，对比现有主流存储技术（如DRAM、SRAM、Flash）的优缺点，并深入分析其面临的挑战。在此基础上，重点介绍阻变存储器的概念、发展历史以及其区别于其他存储技术的独特优势，如低功耗、高速度、高密度、三维集成潜力等。同时，本章还将概述阻变存储器在计算、人工智能、物联网等领域的潜在应用前景，为读者构建一个宏观的认知框架。 第二章 阻变存储器基本结构与工作原理 本章将详细解析阻变存储器的基本器件结构。我们将重点关注经典的金属-绝缘体-金属（MIM）结构，并介绍其构成要素，包括上下电极材料和中间的阻变层材料。在此基础上，本章将深入阐述阻变存储器的核心工作原理——电位移（Set）和电位移（Reset）过程。我们将解释电场如何驱动材料中载流子的注入、迁移和聚集，形成导电细丝（CF），以及电流和电压如何影响导电细丝的生长和断裂，从而实现电阻状态的改变。此外，本章还将简要介绍不同类型的阻变存储器结构，例如单极性（unipolar）和双极性（bipolar）阻变器件，以及它们在工作模式上的差异。 第二部分：材料科学与器件物理 第三章 阻变材料的分类与特性 阻变材料是决定阻变存储器性能的关键。本章将对目前研究广泛的阻变材料进行系统分类和深入探讨。我们将重点介绍氧化物（如HfO$_{x}$、TiO$_{x}$、TaO$_{x}$、AlO$_{x}$、ZnO$_{x}$等）、钙钛矿氧化物（如SrTiO$_{3}$、Pr$_{0.7}$Ca$_{0.3}$MnO$_{3}$等）、硫化物、相变材料（虽然通常归为相变存储器，但其电阻变化机制与阻变有共性）、聚合物等主要材料体系。对于每种材料，我们将详细分析其化学组成、晶体结构、制备工艺及其对阻变特性的影响。我们将深入讨论材料的氧空位浓度、缺陷类型、相变行为以及电荷传输机制等，并评估它们在开关电压、开关比、稳定性、能耗等方面的优缺点。 第四章 导电细丝（CF）的形成与演化机理 导电细丝（Conductive Filament, CF）的形成、生长、断裂与重构是阻变存储器工作的基础。本章将聚焦于CF的微观形成机理。我们将深入探讨不同材料体系下CF的形成机制，包括： 氧空位（Oxygen Vacancy）机制： 详细阐述氧空位在金属氧化物中如何聚集形成导电通道，包括氧空位的扩散、迁移、结合与解离过程，以及电场和热效应对其的影响。 金属离子迁移机制： 对于一些金属氧化物（如NiO$_{x}$，TaO$_{x}$），金属离子的注入和迁移如何形成导电通道。 缺陷团簇（Defect Cluster）模型： 介绍缺陷团簇如何在电场作用下发生重排，形成导电通路。 其他机制： 简要提及其他可能的CF形成机制，如晶界通道、表面效应等。 此外，本章还将讨论CF的形态、尺寸、分布以及它们在不同工作状态下的演化规律，并分析这些因素如何影响器件的阻变行为和性能。 第五章 电极材料对阻变特性的影响 电极材料的选择与器件性能息息相关，尤其在CF的形成和断裂过程中扮演着至关重要的角色。本章将详细分析不同电极材料（如Pt, Au, W, Ti, Al, TiN, TaN等）与阻变层材料之间的界面特性。我们将探讨： 功函数匹配效应： 分析电极功函数与阻变材料的电子亲和势如何影响载流子注入效率，进而影响器件的开关电压和开关比。 界面反应与合金化： 讨论电极材料与阻变材料在高温处理过程中可能发生的化学反应、界面层形成以及合金化现象，以及这些现象如何改变界面能垒和CF的形成/断裂行为。 电化学反应与“活化”电极： 重点介绍对于某些材料体系，电极材料（如Ti, Al）可以通过电化学反应向阻变层注入金属离子，促进CF的形成，并讨论这种“活化”电极的特性。 电极材料对稳定性和可靠性的影响： 分析不同电极材料对器件的长期稳定性、循环寿命和抗干扰能力的影响。 第三部分：可靠性与性能优化 第六章 阻变存储器的可靠性挑战 可靠性是阻变存储器走向实际应用的关键瓶颈。本章将深入剖析阻变存储器面临的各种可靠性挑战，包括： 电压/电流诱导的老化（Aging）： 分析器件在长期循环操作过程中，电压或电流注入可能导致的性能衰减，如开关比下降、开关电压漂移等。 温度效应： 讨论温度对CF形成/断裂、材料特性以及器件稳定性的影响，以及高温/低温工作环境下的可靠性问题。 数据保持性（Retention）： 探讨在高阻和低阻状态下的数据保持能力，以及影响数据保持性的内在因素，如CF的稳定性、界面退化等。 抗干扰能力（Endurance）： 分析器件在大量读写循环后性能下降的机制，以及如何提高器件的循环寿命。 读干扰（Read Disturb）和写干扰（Write Disturb）： 讨论读操作或相邻单元写操作对目标单元数据可靠性的影响。 其他可靠性问题： 提及如湿气、离子污染等环境因素对器件可靠性的影响。 第七章 阻变存储器的性能优化策略 针对上述可靠性挑战，本章将系统介绍各种性能优化策略，旨在提升阻变存储器的稳定性、耐久性和数据保持性。这些策略包括： 材料层面的优化： 掺杂与缺陷工程： 通过引入特定元素或调控本征缺陷浓度来改善材料的电学和阻变特性。 多层结构设计： 设计多层阻变材料或结合不同材料的优势，以实现更优的阻变行为。 界面工程： 通过钝化、改性等手段优化电极/阻变层界面，提高界面稳定性。 器件结构层面的优化： 三维（3D）结构： 介绍如何通过垂直堆叠来提高存储密度，并讨论3D结构对可靠性带来的新挑战与解决方案。 栅控结构： 引入栅极以实现更精确的电流控制，减少干扰，提高性能。 工艺层面的优化： 退火工艺： 优化退火温度、时间和气氛，以改善材料结晶度、降低缺陷密度。 电化学退火： 利用电化学方法调控材料的氧空位分布。 操作模式优化： 脉冲宽度/幅度优化： 精确控制写入/擦除脉冲的参数，以平衡性能与可靠性。 自适应擦写策略： 根据器件状态动态调整写入/擦除参数。 第四部分：电路设计与应用 第八章 阻变存储器读写电路设计 为了实现阻变存储器的有效读写，需要设计专门的读写电路。本章将深入探讨阻变存储器相关的读写电路设计，包括： 单晶体管（1T1R）和双晶体管（2T1R）结构： 分析不同单元结构的优缺点，以及与其匹配的读写电路设计。 读电路设计： 恒流源/恒压源读操作： 讨论不同读操作模式的原理、功耗和精度。 感应放大器（Sense Amplifier）设计： 介绍如何设计高灵敏度、低功耗的感应放大器来区分高低阻态。 读干扰抑制技术： 探讨在读操作过程中如何最小化对其他单元的影响。 写电路设计： 电压/电流驱动电路： 设计能够提供精确电压或电流脉冲的写驱动电路。 脉冲生成与控制： 讨论如何生成稳定、可控的写入/擦除脉冲。 自适应写策略实现： 介绍如何在电路层面实现自适应的写操作。 多值（Multi-level）存储读写电路： 针对能够存储多个比特的阻变器件，介绍相应的多值读写电路设计思路。 第九章 阻变存储器在存内计算（In-memory Computing）中的应用 阻变存储器具有模拟计算的潜力，这为实现存内计算（In-memory Computing）提供了可能，从而突破冯·诺依曼架构的限制。本章将深入探讨阻变存储器在存内计算领域的应用，包括： 神经形态计算（Neuromorphic Computing）： 模拟神经元和突触： 解释阻变器件如何模拟神经元的激活函数和突触的权重，实现模拟信号的加权求和。 权值更新与学习： 讨论基于阻变器件的在线学习和离线训练机制，如STDP（Spike-Timing-Dependent Plasticity）等。 构建全连接网络和卷积神经网络（CNN）： 展示如何利用阻变阵列构建高效的神经网络硬件。 逻辑计算（Logic-in-Memory）： 基于电阻状态的逻辑门： 介绍如何利用阻变器件的不同电阻状态实现基本的逻辑运算（AND, OR, NOT等）。 构建更复杂的逻辑功能： 探讨如何将多个阻变器件组合实现更高级的逻辑功能。 矩阵向量乘法（Matrix-Vector Multiplication）： 基于欧姆定律的矩阵向量乘法： 详细解析如何利用阻变阵列和交叉开关实现高效的矩阵向量乘法，这是深度学习推理的关键。 精度和功耗优化： 讨论在模拟计算中如何处理精度损失和优化功耗。 第十章 阻变存储器面临的挑战与未来展望 在本书的最后，我们将对阻变存储器当前面临的主要挑战进行总结，并对其未来的发展趋势进行展望。 当前主要挑战： 标准化和工艺成熟度： 阻变存储器的材料和结构多样，缺乏统一的标准，工艺集成难度较大。 长期可靠性（尤其是高温下）： 尽管已有显著进展，但在极端环境下（如高温）的长期数据保持性和抗干扰能力仍需进一步提升。 性能均衡： 如何在速度、功耗、密度和可靠性之间找到最佳的平衡点。 成本效益： 相较于成熟的NAND Flash，阻变存储器的生产成本需要进一步降低。 先进封装与集成： 如何与CMOS工艺高效集成，实现大规模、高性能的存储系统。 未来发展趋势： 新材料的探索与发现： 持续研发具有更优阻变特性、更高稳定性的新型阻变材料。 三维（3D）高密度化： 进一步发展3D堆叠技术，实现更高存储密度。 存内计算的深化： 阻变存储器在AI、大数据分析等领域的应用将更加广泛，成为高性能计算的关键组成部分。 与新兴技术的融合： 与量子计算、柔性电子等技术的结合。 理论模型与仿真工具的完善： 发展更精确的理论模型和仿真工具，指导材料和器件的设计。 本书的出版，希望能够为阻变存储器领域的研究和发展贡献一份力量，推动这一极具潜力的存储技术早日实现广泛的商业化应用，为未来的信息技术发展提供坚实的基础。 结语 《阻变存储器：器件、材料、机理、可靠性及电路》是一本旨在提供全面、深入、前沿的阻变存储器知识体系的书籍。我们力求通过严谨的内容组织和详实的论述，帮助读者建立对阻变存储器从基础概念到尖端应用的完整认知。本书不仅关注理论的阐释，更注重实际的工程应用和未来的发展趋势。我们相信，本书将成为阻变存储器领域研究人员、工程师和学生的宝贵参考资源。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简洁而大气，封面上“阻变存储器：器件、材料、机理、可靠性及电路”这几个字，无不透露着一种严谨和专业的气息。我拿到这本书，便迫不及待地翻阅起来。尽管我对阻变存储器这一领域的研究尚属初步，但这本书的开篇就以一种引人入胜的方式，将我带入了其神秘而充满活力的世界。作者并没有一开始就陷入晦涩难懂的理论细节，而是先从阻变存储器的基本概念、发展历程以及其在未来信息技术中的重要地位入手，让我这个门外汉也能窥见其冰山一角。书中对不同类型阻变存储器（如氧化物阻变存储器、钙钛矿阻变存储器等）的介绍，就像是一场精彩的器件博览会，让我对这些小小的芯片有了全新的认识。尤其让我印象深刻的是，作者用生动的比喻和清晰的图示，解释了阻变存储器的工作原理，仿佛在我脑海中勾勒出电子在材料中穿梭的奇妙景象。书中的一些案例分析，也让我看到了阻变存储器在实际应用中的巨大潜力，比如在人工智能、物联网等前沿科技领域，它都能扮演至关重要的角色。阅读的初期，我感觉自己像个初学者，被引领着探索一个全新的领域，每翻一页，都能感受到知识的层层递进，对这个领域的认识也在不断加深，充满新奇和惊喜。

评分☆☆☆☆☆

我尤其被书中关于阻变存储器可靠性的章节所吸引。在数字化浪潮席卷一切的今天，数据的稳定存储和长久保存，是衡量一项技术是否成熟的关键。这本书在这个方面的探讨，可以说是面面俱到，细致入微。作者并没有回避阻变存储器在实际应用中可能遇到的各种“磨难”，比如周期性读写带来的疲劳，高温高湿等恶劣环境的考验，以及潜在的漏电流和串扰问题。书中详细地分析了这些影响可靠性的因素，并提出了相应的解决策略。我看到，作者不仅列举了各种失效模式，还深入分析了导致这些失效的根本原因，并提出了从材料选择、器件结构设计到测试方法等全方位的改进建议。这些内容，对于我这样的初学者来说，简直是一笔宝贵的财富。它让我意识到，一项技术从实验室走向实际应用，还有很长的路要走，而解决可靠性问题，是这条路上不可或缺的一环。书中提供的这些经验和教训，让我能够更清醒地认识到阻变存储器未来的发展方向，以及需要重点关注的难点。

评分☆☆☆☆☆

读罢这本书的部分章节，我仿佛被卷入了一场关于“物质内在魔力”的探索之旅。书中对于阻变材料的细致剖析，让我惊叹于微观世界的精妙与多样。作者不仅仅是列举了各种材料的化学式和晶体结构，更是深入挖掘了它们在电场作用下，所展现出的独特“性格”——电阻的变化。从简单的金属氧化物，到复杂的相变材料，再到新兴的二维材料，每一种材料的介绍都伴随着详细的实验数据和理论解释，让我能够理解为何某种材料能在通电后“记住”其状态，又能在另一电信号下“遗忘”过去。书中对材料结构与电学性能之间关系的阐述，尤其令人称道。它不仅仅是描述现象，更是试图揭示背后的物理和化学机理。例如，对于缺陷的形成与迁移如何影响导电通路，对于相变过程中电导率的剧烈变化，都有详尽的论述。我仿佛能看到材料内部，那些微小的原子和电子，在能量的驱动下，上演着一场场精密的“舞蹈”，最终决定了存储器的性能。这种对材料本质的深入探究，让我对阻变存储器有了更深层次的理解，也为我未来在材料设计和选择方面提供了重要的理论指导。

评分☆☆☆☆☆

这本书的最后一部分，关于阻变存储器在电路层面的应用，为我打开了一扇通往实践应用的大门。前面章节中对于器件、材料、机理和可靠性的深入理解，在这里得到了完美的升华。作者将这些基础知识巧妙地融入到具体的电路设计中，让我看到了阻变存储器是如何在实际电路中发挥其独特优势的。我看到了如何利用阻变存储器的非线性特性，构建出高效的神经网络加速器，又如何将其嵌入到传统的数字逻辑电路中，实现更低的功耗和更高的集成度。书中对各种典型应用的电路图解和性能分析，非常具有启发性。它不仅仅是理论的堆砌，更是将理论与实践紧密结合的典范。我感觉自己仿佛置身于一个创新设计的沙盘，与作者一起，用阻变存储器这一强大的工具，构建出各种令人惊叹的电路。这种将基础研究成果转化为实际应用的能力，是科技进步的核心驱动力，而这本书，无疑为我提供了这方面的绝佳范例。

评分☆☆☆☆☆

本书在关于阻变存储器工作机理的阐述上，简直就是一部精密的“操作手册”。作者以一种严谨而又极其清晰的逻辑，层层剥离出阻变存储器核心的“变阻”过程。我尤其欣赏书中对于各种“机制”的深入探讨，比如最常见的缺电子导电机制（CF4），以及与此相关的离子迁移、空位扩散等微观过程。书中通过大量的仿真结果和实验数据，直观地展现了电场、温度、电流等因素是如何影响这些微观过程的。让我印象深刻的是，作者并没有止步于“是什么”，而是深入分析了“为什么”。比如，对于不同的阻变材料，为何其导电机制会有差异？对于同一材料，为何在不同的工作条件下，其变阻特性也会不同？书中都给出了令人信服的解答。我感觉自己就像是在一个精密的实验室里，与作者一起，通过理论推演和数据分析，一步步揭示着阻变存储器“从无到有”地储存信息的过程。这种对机理的深入剖析，不仅满足了我对科学原理的好奇心，更让我对如何优化器件性能，提高可靠性，有了更清晰的思路。