Der denkende Widerstand (Memristor)

Der denkende Widerstand (Memristor)
Sie werden sich fragen, was hier wohl gemeint ist. Kann ein elektrischer Widerstand wirklich
denken? Wie ist das gemeint? Viele solcher Fragen stellen sich, wenn man diese Überschrift liest.
Der theoretische Begriff Memristor war schon in den 70er Jahren bekannt. Der Mathematiker und
Physiker Leon Chua, Professor an der Berkeley Universität formulierter diesen Begriff im Jahre
1971, ohne noch zu wissen, ob es diesen elektrischen Bauteil gibt, der seine fordernden
Eigenschaften erfüllt und neben den bereits bekannten Bauteilen: Widerstand, Kondensator und
Spule das so genannte „Missing Link“ darstellt. Professor Chua bewies mathematisch, dass dieser
Bauteil keineswegs durch eine Kombination von Widerstand, Kondensator und Spule (passive
Bauteile) ersetzt werden kann.
Es muss eine fehlende vierte Kraft geben. Zu dieser Erkenntnis kam Professor Chua durch ein so
genanntes Diagramm, welches Spannung, Strom, Ladung und magnetischer Fluss in einem
Koordinatensystem darstellt.
Die Größen Widerstand (R) mit dem Bauteil Widerstand, welcher den Zusammenhang zwischen
Strom (I) und Spannung (U) herstellt, die Kapazität (C) mit dem Bauteil Kondensator, welcher den
Zusammenhang zwischen Spannung (U) und Ladung (Q) dokumentiert und die Induktivität (L) mit
dem Bauteil Spule,welche den Zusammenhang zwischen Strom (I) und magnetischen Fluss ( € )
postuliert, fasste Professor Chua im Koordinatensystem zusammen.
U
I
II
I
Widerstand
U= R.I
Kondensator
Q= C .U
III
IV
Spule
d €=L.dI
€
?
Q
Memristor
d €=M . dQ
Die Lücke (leere IV.
Quadrant) wurde nun
theoretisch gefüllt.
„M“ wird von Professor Chua als „Memristanz“ bezeichnet, während das Bauteil „Memristor“
heißt.
In dieser theoretischen Phase war es noch nicht möglich, einen solchen Bauteil zu bauen, der seinen
Widerstand aufgrund der Ladungs-und magnetischer Flussänderung ändert.
Mathematisch bezeichnete Professor Chua die Memristanz (M) als Differenzenquotient(d) von
magnetischem Fluss ( € ) und Ladung (Q):
d€
M(Q) =
.
dQ
[M] = 1 • (Ohm).
2007, also fasst 38 Jahre dauerte es, bis man in der Lage war, einen Memristor zu bauen. Möglich
machte es die Entwicklung der Nanotechnologie.
Stanley Williams und sein Team von den HP Labs in Palo Alto (Kalifornien) gelang dieser
entscheidende Durchbruch, das mathematische Theorem von Professor Leon Chua in die Realität
umzusetzen.
Aufbau:
3 nm
Pt
TiO 2
TiO2-x
Pt
2 nm
P-dotierter
Halobleiter
Ohne Spannung
Halbleitermaterial
3 nm
TiO 2
2 nm
TiO2-x
Pt
Pt
Mit Spannung
Zwischen zwei Platinelektroden (Pt) werden 2 verschieden dotierte (verunreinigte) TitandioxidSchichten, die wenige Nanometer dick sind, aufgebracht, wobei die rechts in der Abbildung
befindliche Titandioxid-Schicht mit Sauerstoff-Fehlstellen (O2-x) verunreinigt (entspricht einer pDotierung) sind. Diese weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Der linke Teil des Halbleiters,
also das reine Titandioxid (TiO2) stellt einen Isolator dar.
Wenn nun Spannung (elektrisches Feld) angelegt wird, bewegen sich sich Sauerstoff-Fehlstellen
(Löcher). Dabei verschiebt sich die Raumladungszone und die Isoaltionsschicht verändert ihre
Dicke. Sie wird dünner. Wenn die Stärke der Isolationsschicht abnimmt, verbessert sich die
Leitfähigkeit des Memristors und der Widerstand nimmt ab. Die Feldemission (Tunneleffekt) spielt
hier eine wesentliche Rolle.
Bei Umpolung der Stromleitung bewegen sich die Löcher in die p-dotierte Schicht zurück, wobei
sich die Raumladungszone vergrößert und die Leitfähigkeit nimmt dadurch ab, der Widerständ
nimmt zu.
Man kann daher sagen, dass der Widerstand von Stromfluss und Stromrichtung abhängt.
Man könnte sich das System wie einen Wasserkreislauf vorstellen:
Wenn wenig oder kein Wasser fließt, ist die enge Stelle der Rohrleitung tatsächlich auch eng.
Erhöht sich der Wasserdurchfluss in der einen Richtung, würde die variable Rohrleitung dicker
werden. Die Engstelle wird entschärft, wobei der Widerstand abnimmt. Wenn das Wasser in die
andere Richtung fließt, zieht sich die variable Rohrleitung (Schlauch) wieder zusammen. Die
Leitung setzt dem Wasser einen Widerstand entgegen, der Widerstand wird größer.
Die Dicke der variablen Leitung (Schlauch) ändert sich je nach Durchflussmenge und Richtung,
wobei nach Abschalten der Pumpe die Dicke bleibt.
Wasserbehälter
Pumpe
Strömungsrichtung
(Wasser)
Verengung, die variabel ist, der
Rohrleitung
(Memristor)
Bei den Versuchen stellte William und sein Team fest, dass der angenommene Widerstandswert
beibehalten wird, wenn kein Strom fließt. Der letzte elektrische Zustand (Widerstandswert) wird
beibehalten, also gemerkt. Daher der Begriff „Mem(Memory)Resistor“.
Memory – Gedächtnis
Resistor – Widerstand -----> Der denkende Widerstand.
Professor Chua erkannte bald, dass dieser gesuchte elektrische Bauteil weitgehend die Funktion der
Synapsen des Gehirns hat. Man könnte mit Memristoren so genannte neuronale Netze aufbauen. In
dieser Richtung gibt es schon sehr viele Forschungsprojekte.
Damit ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten in der Computertechnik sowie Schaffung von
neuronalen Netzwerken auf Memristor-Basis, wenn es der Industrie und den Forschern gelänge, ein
räumliches Gitter aus Memristoren in der Größe einiger Nanometer zu produzieren. Große
Speicherdichten, die jenseits unseres Gehirns lägen, wären denkbar. Auch die Schaltzeiten wären
schneller als unsere Nervenzellen. Derzeit ist die Forschung aber noch sehr weit davon entfernt.
Technisch denkbar wäre auf Memristor-Basis die technische Umsetzung bei Zeichen-und
Spracherkennungssystemen.
Der Ausblick – die Zukunft
Wenn es möglich wäre, ein Gitter von elektrischen Leitungen, an deren Kreuzungspunkten sich je
ein Memristor befindet, herstellen zu können, könnte man einen Speicherchip mit ungeahnten
Speicherpotential erhalten. Spalten-und reihenweise könnte man so über den Stromfluss
Widerstandswerte setzen (schreiben) oder auslesen.
In der Steuer-und Regelungstechnik, da der Memristor, nicht so wie der Transistor, keine
Steuerleitung (Basis) benötigt, würde der Betrieb erheblich erleichtert. Auch die thermische
Belastung, wie sie ja bei Halbleitern allgemein besteht, wäre auf ein Minimum reduziert, was auch
vorteilhaft wäre. Denkbar wäre es auch, mehr als nur ein Bit pro Schnittpunkt (Kreuzungspunkt von
Leitungen) abzulegen. Unterschiedliche Widerstandswerte einer Zelle könnten gleich mehrere Bits
abbilden. Wenn es gelänge Speicher auf Memristor-Basis herzustellen, wären die positiven
technischen Konsequenzen weitreichend. Die Herstellungskosten würden enorm sinken, die
Speicherung wäre sehr schnell. Man könnte einen Computer herstellen, der sofort nach Einschalten
betriebsbereit wäre.
Literatur
Leon O. Chua: Memristor—The Missing Circuit Element. In: IEEE Transactions on Circuit Theory.
1971.
Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart, R. Stanley Williams: The missing
memristor found. In: Nature. 453, Nr. 7191, 1. April 2008
R. Stanley Williams: How we found the missing memristor. In: IEEE spectrum. 45, Nr. 12, 2008,
Weblinks
Helmut Martin-Jung: ""Der Nano-Superspeicher. sueddeutsche.de, 8. Juli 2010
Michael Hopkin: Found: the missing circuit element. Nature-News-Beitrag, 30. April 2008,
abgerufen am 24. Mai 2010.