Влияние процессов генерации и рекомбинации кислородных вакансий и ионов на тепломассоперенос и электрофизические свойства металлооксидного мемристора

Abstract

Развита теплофизическая модель металлооксидного мемристора на основе стационарного уравнения непрерывности плотности тока электронов, учитывающая процессы генерации и рекомбинации кислородных вакансий. В модель введена скорость рекомбинации кислородных пар ион-вакансия, а для скорости их генерации использовано более точное выражение; введено нестационарное уравнение непрерывности концентрации ионов кислорода, необходимое для определения скорости рекомбинации пар; внесены изменения в формулы коэффициента диффузии и скорости дрейфа вакансий, связанные с температурой и электрическим полем мемристора. Процессы генерации и рекомбинации ионов влияют на перераспределение концентраций вакансий и ионов кислорода, что приводит кроме увеличения плотности электронного тока к изменению электрического поля и, соответственно, величины джоулева источника тепла. Показано, что вольт-амперная кривая при переключении мемристора в высокопроводящее состояние, полученная при учете всех вышеуказанных процессов, обладает наименьшим среднеквадратичным отклонением от экспериментальной кривой. Пренебрежение хотя бы одним из эффектов приводит к значительному росту среднеквадратичного отклонения. В результате численного расчета на основе развитой теплофизической модели мемристора показано, что при учете процессов генерации и рекомбинации кислородных вакансий и ионов существенно изменяется величина профиля температуры по толщине пленки и во времени при моделировании вольт-амперной характеристики мемристора. Точное моделирование резистивного переключения особенно важно при разработке нейроморфных устройств, поскольку электрические схемы искусственных синапсов используют промежуточные резистивные состояния.

A thermophysical model of metal oxide memristor based on the stationary continuity equation of electron current density is developed. The model considers the processes of generation and recombination of oxygen vacancies and ions. The oxygen ion-vacancy pairs recombination rate was introduced into the model, and a more precise expression was used for the rate of their generation. A non-stationary continuity equation of oxygen ion concentration was introduced, which is necessary for determining the recombination rate of pairs. Changes were made in the formulas for the diffusion coefficient and vacancy drift rate related to the temperature and electric field of the memristor. The processes of ion generation and recombination affect the redistribution of vacancy and oxygen ion concentrations, which leads, in addition to an increase in the electron current density, to a change in the electric field and, consequently, in the value of the Joule heat source. It is shown that the current-voltage curve at switching of the memristor into a highly conductive state, obtained by taking into account all the above processes, has the smallest mean-square deviation from the experimental curve. As a result of numerical simulation on the basis of the developed thermophysical model of the memristor, it is shown that when the processes of generation and recombination of oxygen vacancies and ions are taken into consideration, the temperature profile along the film thickness and in time changes significantly when modeling the current-voltage characteristic of the memristor. The presented model is in demand for numerical simulation of signal processing in large memristor arrays used in neuromorphic devices.