專利名稱：一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元、裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元、裝置及方法。
背景技術(shù)：
基于馮諾依曼架構(gòu)的傳統(tǒng)計算機中，處理器與存儲器是分立的，以總線連接。這樣的架構(gòu)存在所謂的“馮諾依曼瓶頸”，難以適應信息呈爆炸式增長的信息技術(shù)飛速發(fā)展的當今時代。相比于馮諾依曼計算機，人腦神經(jīng)信息活動具有大規(guī)模并行、分布式存儲與處理、自組織、自適應和自學習的特征。傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡、神經(jīng)形態(tài)工程學等領(lǐng)域的研究人員也一直致力于利用非線性電路、FPGA、VLSI等手段來模擬神經(jīng)元電觸發(fā)、突觸可塑性等神經(jīng)元突觸的基本生物電特性以及更高級的模式識別、智能控制等認知功能。在這些方法中，僅模擬一個神經(jīng)元、一個突觸、一個學習模塊就需要數(shù)十個晶體管、電容、加法器。然而，人的大腦中包括了多達IO11個神經(jīng)元以及 1015個突觸，神經(jīng)元、突觸之間的連接更是混沌的、無比復雜的。這種傳統(tǒng)的神經(jīng)形態(tài)工程辦法對于模擬人類大腦，即使是小鼠大腦都是無能為力的，IBM利用“藍色基因”超級計算機使用了 147456個處理器架構(gòu)神經(jīng)元網(wǎng)絡來模擬貓的大腦皮層認知功能。如果能在納米器件中實現(xiàn)神經(jīng)元的信號處理，那么模擬整個大腦所需器件集成起來的芯片尺寸、功耗才能在可實現(xiàn)范圍之內(nèi)。構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡涉及神經(jīng)元和神經(jīng)突觸設計和制備。中國發(fā)明名稱為:模擬生物神經(jīng)元信息處理機制的信息處理方法及裝置，公開號為CN101770560A的專利申請文件中所示的裝置是基于CMOS集成電路，用多個晶體管構(gòu)成一個神經(jīng)元，集成密度不高，而且不涉及具有學習能力的神經(jīng)突觸功能。中國發(fā)明名稱為:仿神經(jīng)元突觸結(jié)構(gòu)的柔性三極管，公開號為CN1670963A的專利申請文件中所示的裝置模擬神經(jīng)元突觸的結(jié)構(gòu)，并沒有實現(xiàn)神經(jīng)元、神經(jīng)突觸的功能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供能同時模擬生物神經(jīng)元的功能和生物神經(jīng)突觸的功能的一種模擬神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元，包括第一電極層、與所述第一電極層連接的功能材料層，與所述功能材料層連接的第二電極層；所述第一電極層用于模擬突觸后，所述第二電極層用于模擬突觸前，所述功能材料層的材料為硫系化合物，所述功能材料層的電導用于模擬突觸權(quán)重；通過給所述第一電極層施加第二脈沖信號來模擬突觸后刺激，通過給所述第二電極層施加第一脈沖信號來模擬突觸前刺激；所述功能材料層的電阻用于模擬生物神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)或靜息態(tài)。更進一步地，所述第一電極層用于接收外部的第二脈沖信號，所述第二電極層用于接收外部的第一脈沖信號；當所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發(fā)生改變實現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能的模擬；當所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正或負時，所述功能材料層的電導發(fā)生改變實現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)實現(xiàn)了生物神經(jīng)元閾值激發(fā)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)實現(xiàn)了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的轉(zhuǎn)變率增加實現(xiàn)了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能的模擬。更進一步地，所述第一電極層和所述第二電極層的材料均為惰性導電金屬。更進一步地，所述第一電極層、所述功能材料層和所述第二電極層構(gòu)成三明治疊層結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、I型結(jié)構(gòu)或金字塔型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的裝置，包括多個陣列排布的神經(jīng)突觸單元以及與所述神經(jīng)突觸單元連接的控制器，所述神經(jīng)突觸單元為上述的單元。更進一步地，所述控制器用于給所述第一電極層施加第二脈沖信號，給所述第二電極層施加第一脈沖信號，并控制所述第一脈沖信號幅值與所述第二脈沖信號幅值之間的差值為正或負，并通過控制所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的幅值大小來控制脈沖數(shù)目。本發(fā)明還提供了一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的方法，包括下述步驟:在第一電極層上施加第二脈沖信號，在第二電極層上施加第一脈沖信號；通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號使得所述功能材料層的電阻為高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)并模擬了生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能；通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號使得所述功能材料層的電阻從低阻態(tài)恢復為高阻態(tài)并模擬了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能；通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的幅值大小來改變所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)所需的脈沖數(shù)目并模擬了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能；通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值的正或負來調(diào)節(jié)所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能；通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正或負來調(diào)節(jié)所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能具體為:當所述功能材料層的電阻的阻值大于第一電阻閾值模擬了生物神經(jīng)元的靜息態(tài)功能；當所述功能材料層的電阻的阻值小于第二電阻閾值時，模擬了生物神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能步驟具體為:通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值大于第一電壓閾值且小于第二電壓閾值，使得所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，模擬了生物神經(jīng)元從靜息態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)功能；通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值大于第二電壓閾值，使得所述功能材料層的電阻從低阻態(tài)恢復為高阻態(tài)，模擬了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)功能。
更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能步驟具體為:通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值小于第一電壓閾值，使得所述功能材料層的電阻保持高阻態(tài)；并通過減小所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的脈沖數(shù)目增加，使得所述功能材料層的電阻從所述高阻態(tài)下降至所述第二電阻閾值，模擬了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能步驟具體為:通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正，使得所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重下降功能；通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的差值為負，使得所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重上升功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能步驟還包括:通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的正差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導減小得越慢，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重下降得越慢的功能；通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的負差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導的增大得越快，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重上升得越快的功倉泛。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括:控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差大于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重增大的功倉泛;控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差小于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重較小的功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括:控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差大于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重減小的功倉泛;控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差小于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重增大的功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括:控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值小于所述第二脈沖信號寬度的四分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重增大的功能；
控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值大于等于所述第二脈沖信號寬度的四分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重減小的功能。更進一步地，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括:控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值小于所述第二脈沖信號寬度的二分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值大于所述第一脈沖信號的峰值，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重減小的功能；控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值大于等于所述第二脈沖信號寬度的二分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為小于等于所述第一脈沖信號的峰值，所述功能材料層的電導不變，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重不變的功能。本發(fā)明提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元能很好的模擬生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能、從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能和能量累積激發(fā)功能，以及生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能和脈沖時間依賴突觸可塑性功能；且在單一器件內(nèi)同時實現(xiàn)神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的功能，為構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡提供功耗低、尺寸小的基本元件。


圖1是本發(fā)明實施例提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 (a)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 (b)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)元受激發(fā)和恢復靜息測試；圖2 (C)、圖2 (d)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)元受多個閾值下刺激受激發(fā)測試；圖2 Ce)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)突觸權(quán)重調(diào)節(jié)測試；圖2 (f )、圖2 (g)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)突觸奇對稱I型STDP功能測試；圖2 (h)、圖2 (i )是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)突觸奇對稱II型STDP功能測試；圖2 (j)、圖2 (k)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)突觸偶對稱I STDP功能測試；圖2 (I)、圖2 Cm)是本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)突觸偶對稱II型STDP功能測試；圖3Ca)本發(fā)明實施例2提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)本發(fā)明實施例2提供的模擬生物神經(jīng)元受激發(fā)和恢復靜息測試；圖3 (c)本發(fā)明實施例2提供的模擬生物神經(jīng)突觸權(quán)重調(diào)節(jié)測試；圖4 Ca)本發(fā)明實施例3提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸單元的結(jié)構(gòu)示意圖4 (b)本發(fā)明實施例3提供的模擬神經(jīng)元受激發(fā)和恢復靜息測試；圖4 (c)本發(fā)明實施例3提供的模擬神經(jīng)突觸權(quán)重調(diào)節(jié)測試。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種基于硫系化合物的納米器件，能夠作為人工神經(jīng)元以及人工神經(jīng)突觸應用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡電路或認知存儲技術(shù)。該器件作為人工神經(jīng)元作用時，能模擬實現(xiàn)生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能；作為人工神經(jīng)突觸作用時，能模擬實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的突觸可塑性調(diào)節(jié)功能。硫系化合物作為一種存儲介質(zhì)，能夠在外界施加的光脈沖、電脈沖作用下，在非晶態(tài)與晶態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)變，兩態(tài)間的反射率差異和電阻率差異用于存儲“O”和“ I ”，已被廣泛成熟地研究于應用于相變光盤和相變隨機存儲器，具有非揮發(fā)性、操作速度快、功耗小、可靠性高和易于與COMS電路集成等優(yōu)點。非晶態(tài)的硫系化合物所具有的能量累積閾值相變特性可以用來模擬神經(jīng)元的閾值激發(fā)特性類似；硫系化合物隨電脈沖刺激的阻值漸變特性又可以用來模擬神經(jīng)突觸的權(quán)重調(diào)節(jié)。本發(fā)明的神經(jīng)元器件能模擬生物神經(jīng)元的功能，包括(I)該神經(jīng)元能對多種不同的輸入作出相應的響應；(2)對 于超過閾值(0.5^3V)的輸入，該神經(jīng)元能受激發(fā)；(3)對于不超過閾值的輸入，當多個不超過閾值的輸入累積超過閾值時，該神經(jīng)元能受激發(fā)；(4)該神經(jīng)元能從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)。同時還能模擬生物神經(jīng)突觸的功能，包括(I)能調(diào)節(jié)突觸的權(quán)重；(2)突觸權(quán)重可根據(jù)突觸前后脈沖的時間差改變，即實現(xiàn)脈沖時間依賴的可塑性(STDP)功能。本發(fā)明實施例提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元包括第一電極層、與所述第一電極層連接的功能材料層，與所述功能材料層連接的第二電極層；所述第一電極層用于模擬突觸前，所述第二電極層用于模擬突觸后，所述功能材料層的電導用于模擬突觸權(quán)重；通過給所述第一電極層施加第二脈沖信號來模擬突觸前刺激，通過給所述第二電極層施加第一脈沖信號來模擬突觸后刺激；所述第一電極層用于接收外部的第二脈沖信號，所述第二電極層用于接收外部的第一脈沖信號；當所述第二脈沖信號的幅值與所述第一脈沖信號的幅值之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發(fā)生改變實現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能的模擬；當所述第二脈沖信號與所述第一脈沖信號之間的信號差峰值為正或負時，所述功能材料層的電導發(fā)生改變實現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性(STDP)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻為高阻態(tài)或低阻態(tài)實現(xiàn)了生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)或從低阻態(tài)恢復為高阻態(tài)實現(xiàn)了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的轉(zhuǎn)變率增加實現(xiàn)了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能的模擬。作為本發(fā)明的一個實施例，第一電極層和第二電極層的材料均為惰性導電金屬，如鉬(Pt)、鈦鎢(TiW)和鉭(Ta)等；功能材料層的材料為硫系化合物，如Ge2Sb2IV Sb2Te3、GeTe、BiTe和AgInSbTe等。由第一電極層、功能材料層和第二電極層構(gòu)成的單元可以為三明治疊層結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、I型結(jié)構(gòu)或金字塔型結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明實施例中，該神經(jīng)元器件為一兩端電阻器件，應該至少具有一個(高電阻態(tài))靜息態(tài)和一個(低電阻態(tài))激發(fā)態(tài)。當該神經(jīng)元從靜息態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)時，通過該神經(jīng)元器件的電流迅速增大，該神經(jīng)元器件被激發(fā)。該神經(jīng)元器件能一直保持高電阻，處于靜息態(tài)，直到被施加一個能量足夠大、超過閾值的電信號輸入，該神經(jīng)元轉(zhuǎn)變到激發(fā)態(tài)。該神經(jīng)元處于靜息態(tài)，當被施加一個能量不超過閾值的電信號時，該神經(jīng)元仍然保持在靜息態(tài)；當若干個如此的電信號作用于該神經(jīng)元后，能量積累達到閾值，該神經(jīng)元從靜息態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，電阻明顯下降。該神經(jīng)元處于在靜息態(tài)，當被施加一系列能量相同，但均不超過閾值的電信號時，單個電信號能量越小，該神經(jīng)元從靜息態(tài)轉(zhuǎn)變到激發(fā)態(tài)所需的電信號個數(shù)越多。該神經(jīng)元器件能實現(xiàn)生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能，和能量累積激發(fā)功能。該神經(jīng)突觸器件具有多個阻態(tài)，其電阻值根據(jù)通過它的電流的方向而改變，正向電流使其電阻上升，反向電流使其電阻下降。但當電流小于一定閾值時，其電阻不發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^設計突觸前后脈沖信號，實現(xiàn)四種STDP(spike-timing dependent plasticity刺激時間依賴突觸可塑性)功能。該神經(jīng)突觸器件能實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的權(quán)重調(diào)節(jié)功能和STDP功能。在本發(fā)明實施例中，神經(jīng)突觸器件的第二電極是突觸前，第一電極是突觸后。施加在突觸前的刺激信號為突觸前刺激，施加在突觸后的刺激信號為突觸后刺激。Δ t為前后突觸刺激的時間差，當前突觸刺激先于后突觸刺激，At>0 ;當前突觸刺激后于后突出，ΛΚΟ。突觸權(quán)重W=l/R，R為神經(jīng)突觸器件的電阻，Λ W為刺激作用前后，突觸權(quán)重的改變量。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的裝置的結(jié)構(gòu)，該裝置包括多個陣列排布的神經(jīng)突觸單元以及與所述神經(jīng)突觸單元連接的控制器，神經(jīng)突觸單兀為上述的單兀，控制器用于給第一電極層施加第二脈沖信號，給第二電極層施加第一脈沖信號，并控制第二脈沖信號幅值與所述第一脈沖信號幅值之間的差值為正或負，控制第二脈沖信號與所述第一脈沖信號之間的信號差峰值為正或負；并控制第二脈沖信號和第一脈沖信號的脈沖數(shù)目。為了更進一步地說明本發(fā)明實施例提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元，現(xiàn)以具體實例并結(jié)合附圖詳述如下:圖2(a)示出了本發(fā)明實施例1提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元的結(jié)構(gòu)；參考圖2 (a)，本發(fā)明提供的神經(jīng)元器件包括第一電極101、第二電極103和第一電極101和第二電極103之間硫系化合物材料102。第一電極101和硫系化合物材料102、硫系化合物材料102和第二電極103形成電接觸。其中第一電極101和第二電極103為鈦鎢(TiW)，硫系化合物材料102為鍺銻碲(Ge2Sb2Te5X圖2 (b)是示出根據(jù)本實施例的測試，實現(xiàn)神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能，以及從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能。其中輸入信號施加在第二電極103上，第一電極101接地，電阻202為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考圖2 (b)，神經(jīng)元器件的電阻至少包括兩個態(tài)，第一個是非晶態(tài)高阻態(tài)，其電阻值大于第一電阻閾值(IOOk Ω )，模擬神經(jīng)元的靜息態(tài)；第一個是晶態(tài)低阻態(tài)，其電阻值小于第二電阻閾值(IOkQ )，模擬神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)。當輸入的脈沖信號超過第一電壓閾值(IV)而低于第二電壓閾值(2V),如脈沖信號201,電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)；當輸入的脈沖信號超過第二閾值，如脈沖信號202，電阻從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變成高阻態(tài)。神經(jīng)元器件受到超過閾值的刺激，從靜息態(tài)(高阻態(tài))轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)(低阻態(tài))，并且能從激發(fā)態(tài)(低阻態(tài))恢復到靜息態(tài)(高阻態(tài))，實現(xiàn)生物神經(jīng)元閾值激發(fā)功能，和恢復靜息態(tài)的功能。圖2 (c)和圖2 Cd)是示出根據(jù)本實施例的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)元的能量積累激發(fā)功能。其中輸入信號施加在第二電極103上,第一電極101接地，電阻為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考圖2 (C)，神經(jīng)元器件原本處于靜息態(tài)(高阻態(tài))，其電阻值大于第一電阻閾值。當輸入的脈沖信號小于第一電壓閾值時，神經(jīng)元器件的電阻不會明顯變化，能維持在高阻態(tài)。當小于第一電壓閾值的脈沖信號達到一定數(shù)目后，神經(jīng)元器件的電阻迅速下降至小于第二電阻閾值的低阻態(tài)，即能模擬神經(jīng)元被激發(fā)。參考圖2 (d)，當輸入的脈沖信號進一步減小時，使神經(jīng)元器件從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)所需的脈沖數(shù)目增加。實現(xiàn)生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能。圖2 Ce)是示出根據(jù)本實施例的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能。其中輸入信號施加在第二電極103上,第一電極101接地，電阻為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考圖2 (e)，表示神經(jīng)突觸權(quán)重的電阻有多個電阻值，能隨輸入信號而改變。當輸入脈沖信號為正，電阻增大；當輸入脈沖信號為負，電阻減小。正脈沖信號幅值越大，電阻越大；負脈沖信號越小，電阻越小。電阻增大即突觸權(quán)重減小，電阻減小即突觸權(quán)重增大。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能。圖2 (f)和圖2 (g)是示出根據(jù)本實施例的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸奇對稱I型STDP功能。其中突觸前刺激信號施加在第二電極103上，突觸后刺激信號施加在第一電極101上，突觸前后信號差為第二電極103與第一電極101之間的信號差。參考圖2 (f)，當At>0，突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值301為負，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻下降，突觸權(quán)重上升。當Λ t〈0，突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值302為正，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻上升，突觸權(quán)重下降。參考2(g)，在突觸前后刺激的共同作用下，當At>0時，`器件電阻下降，突觸權(quán)重上升，AW>0，并且AW隨At指數(shù)衰減；當Λ t〈0時，器件電阻上升，突觸權(quán)重下降，AW〈0，并且AW隨At指數(shù)衰減。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸奇對稱I型STDP功能。圖2 (h)和圖2 (i)是示出根據(jù)本實施例的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸的奇對稱II型STDP功能。其中突觸前刺激信號施加在第二電極103上，突觸后刺激信號施加在第一電極101上,突觸前后信號差為第二電極103與第一電極101之間的信號差。參考圖2 (h),當Λ t>0，突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值303為正，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻上升，突觸權(quán)重下降。當△〖〈()，突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值304為負，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻下降，突觸權(quán)重上升。參考2 (i)，在突觸前后刺激的共同作用下，當At>0時，器件電阻上升，突觸權(quán)重下降，AW〈0，并且AW隨At指數(shù)衰減；當At<0時，器件電阻下降，突觸權(quán)重上升，AW>0，并且AW隨At指數(shù)衰減。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的奇對稱II型STDP功能。圖2 (j)和圖2 (k)是示出根據(jù)本實施例的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸的偶對稱I型STDP功能。其中突觸前刺激信號施加在第二電極103上，突觸后刺激信號施加在第一電極101上，突觸前后信號差為第二電極103與第一電極101之間的信號差。參考圖2 (j)，當Δ t較大(△ t的絕對值大于突觸后刺激脈沖寬度的一半),突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值305為正，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻上升，突觸權(quán)重下降。當Λ t較小(△ t的絕對值小于等于突觸后刺激脈沖寬度的一半)，突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值306為正，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻下降，突觸權(quán)重上升。參考2 (k)，在突觸前后刺激的共同作用下，當At較大時時，器件電阻上升，突觸權(quán)重下降，AW〈0;當At較小時，器件電阻下降，突觸權(quán)重上升，AW>0。并且AW隨At呈垂直平移正態(tài)分布。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸偶對稱I型STDP功能。圖2 (I)和圖2 Cm)是示出根據(jù)本實施例的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸的偶對稱II型STDP功能。其中突觸前刺激信號施加在第二電極103上，突觸后刺激信號施加在第一電極101上,突觸前后信號差為第二電極103與第一電極101之間的信號差。參考圖2 (I),當Λ t較大(△ t的絕對值大于突觸后刺激脈沖寬度的四分之一),突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值307小于突觸前刺激脈沖峰值的1.5倍，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻不變，突觸權(quán)重不變。當較小(At的絕對值小于等于突觸后刺激脈沖寬度的四分之一)，突觸前刺激與突觸后刺激之差的峰值308大于突觸前刺激脈沖峰值的1.5倍，在此組突觸前后刺激作用下，神經(jīng)突觸器件的電阻上升，突觸權(quán)重下降。參考2(m)，在突觸前后刺激的共同作用下，當At較大時時，器件電阻不變，突觸權(quán)重不變；當At較小時，器件電阻上升，突觸權(quán)重下降，ΔΚ0ο并且AW隨At呈負向正態(tài)分布。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸偶對稱II型STDP功能。圖3 Ca)示出了本發(fā)明實施例2提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元的結(jié)構(gòu)；參考圖3 (a)，本發(fā)明的神經(jīng)元器件包括第一電極101、第二電極103、絕緣層104和第一電極101和第二電極103之間硫系化合物材料102第一電極101和硫系化合物材料102、硫系化合物材料102和第二電極103形成電接觸。其中第一電極101和第二電極103為鉬(Pt)，硫系化合物材料102為碲化鍺(GeTe)，絕緣層104材料為二氧化硅(Si02)。器件結(jié)構(gòu)呈T型。圖3 (b)是示出根據(jù)實施例2的測試，實現(xiàn)神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能，以及從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能。其中輸入信號施加在第二電極103上，第一電極101接地，電阻202為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考圖3 (b)，神經(jīng)元器件的電阻至少包括兩個態(tài)，第一個是非晶態(tài)高阻態(tài)，其電阻值大于第一電阻閾值(I IOk Ω )，模擬神經(jīng)元的靜息態(tài)；第一個是晶態(tài)低阻態(tài)，其電阻值小于第二電阻閾值(IlkQ )，模擬神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)。當輸入的脈沖信號超過第一電壓閾值(1.2V)而低于第二電壓閾值(2.5V),如脈沖信號501,電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)；當輸入的脈沖信號超過第二電壓閾值，如脈沖信號502，電阻從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變成高阻態(tài)。神經(jīng)元器件受到超過閾值的刺激，從靜息態(tài)(高阻態(tài))轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)(低阻態(tài))，并且能從激發(fā)態(tài)(低阻態(tài))恢復到靜息態(tài)(高阻態(tài))，實現(xiàn)生物神經(jīng)元閾值激發(fā)功能，和恢復靜息態(tài)的功能。同理，本實施例2也能實現(xiàn)神經(jīng)元的能量積累激發(fā)功能，在此不再贅述。圖3 (C)是示出根據(jù)實施例2的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能。其中輸入信號施加在第二電極103上,第一電極101接地，電阻為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考 圖3 (C)，表示神經(jīng)突觸權(quán)重的電阻有多個電阻值，能隨輸入信號而改變。當輸入脈沖信號為正，電阻增大；當輸入脈沖信號為負，電阻減小。正脈沖信號幅值越大，電阻越大；負脈沖信號越小，電阻越小。電阻增大即突觸權(quán)重減小，電阻減小即突觸權(quán)重增大。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能。同理，本實施例也能實現(xiàn)神經(jīng)突觸的STDP功能，在此不再贅述。圖4 (a)示出了本發(fā)明實施例3提供的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的的單元的結(jié)構(gòu)；參考圖4 (a)，本發(fā)明的神經(jīng)元器件包括第一電極101、第二電極103、絕緣層104和第一電極101和第二電極103之間硫系化合物材料102第一電極101和硫系化合物材料102、硫系化合物材料102和第二電極103形成電接觸。其中第一電極101和第二電極103為鉭(Ta)，硫系化合物材料102為碲化銻(Sb2Te3),絕緣層104材料為二氧化硅(Si02)。器件結(jié)構(gòu)呈I型。圖4 (b)是示出根據(jù)實施例3的測試，實現(xiàn)神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能，以及從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能。其中輸入信號施加在第二電極103上，第一電極101接地，電阻202為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考圖4(b)，神經(jīng)元器件的電阻至少包括兩個態(tài)，第一個是非晶態(tài)高阻態(tài)，其電阻值大于第一電阻閾值(90kΩ ),模擬神經(jīng)兀的靜息態(tài)；第一個是晶態(tài)低阻態(tài)，其電阻值小于第二電阻閾值(9kQ )，模擬神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)。當輸入的脈沖信號超過第一電壓閾值(0.8V)而低于第二電壓閾值(1.5V),如脈沖信號801,電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)；當輸入的脈沖信號超過第二電壓閾值，如脈沖信號802，電阻從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變成高阻態(tài)。神經(jīng)元器件受到超過閾值的刺激，從靜息態(tài)(高阻態(tài))轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)(低阻態(tài))，并且能從激發(fā)態(tài)(低阻態(tài))恢復到靜息態(tài)(高阻態(tài))，實現(xiàn)生物神經(jīng)元閾值激發(fā)功能，和恢復靜息態(tài)的功能。同理，本實施例也能實現(xiàn)神經(jīng)元的能量積累激發(fā)功能，在此不再贅述。圖4 (C)是示出根據(jù)實施例3的另一測試，實現(xiàn)神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能。其中輸入信號施加在第二電極103上,第一電極101接地，電阻為第一電極101與第二電極103之間的電阻。參考圖4 (C)，表示神經(jīng)突觸權(quán)重的電阻有多個電阻值，能隨輸入信號而改變。當輸入脈沖信號為正，電阻增大；當輸入脈沖信號為負，電阻減小。正脈沖信號幅值越大，電阻越大；負脈沖信號越小，電阻越小。電阻增大即突觸權(quán)重減小，電阻減小即突觸權(quán)重增大。實現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能。同理，本實施例也能實現(xiàn)神經(jīng)突觸的STDP功能，在此不再贅述。本發(fā)明實施例提供的模擬生物神經(jīng)突觸的單元還可以模擬神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能的其它多種STDP功能，在此不再一一詳述。本發(fā)明提供的單元、裝置和方法均能很好的模擬生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能、從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能和能量累積激發(fā)功能，以及生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能和脈沖時間依賴突觸可塑性功能。為了節(jié)省篇幅，在此不再一一窮舉。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元，其特征在于，包括第一電極層、與所述第一電極層連接的功能材料層，與所述功能材料層連接的第二電極層； 所述第一電極層用于模擬突觸后，所述第二電極層用于模擬突觸前，所述功能材料層的材料為硫系化合物，所述功能材料層的電導用于模擬突觸權(quán)重；通過給所述第一電極層施加第二脈沖信號來模擬突觸后刺激，通過給所述第二電極層施加第一脈沖信號來模擬突觸前刺激；所述功能材料層的電阻用于模擬生物神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)或靜息態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述第一電極層用于接收外部的第二脈沖信號，所述第二電極層用于接收外部的第一脈沖信號；當所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正或負時，所述功能材料層的電導發(fā)生改變實現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能的模擬；當所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正或負時，所述功能材料層的電導發(fā)生改變實現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)實現(xiàn)了生物神經(jīng)元閾值激發(fā)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)實現(xiàn)了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)功能的模擬；當所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的轉(zhuǎn)變率增加實現(xiàn)了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能的模擬。
3.如權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述第一電極層和所述第二電極層的材料均為惰性導電金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述第一電極層、所述功能材料層和所述第二電極層構(gòu)成三明治疊層結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、I型結(jié)構(gòu)或金字塔型結(jié)構(gòu)。
5.一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的裝置，包括多個陣列排布的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元以及與其連接的控制器，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元為權(quán)利要求1-4任一項所述的單元。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述控制器用于給所述第一電極層施加第二脈沖信號，給所述第二電極層施加第一脈沖信號，并控制所述第一脈沖信號幅值與所述第二脈沖信號幅值之間的差值為正或負，并通過控制所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的幅值大小來控制脈沖數(shù)目。
7.一種模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的方法，其特征在于，包括下述步驟: 在第一電極層上施加第二脈沖信號，在第二電極層上施加第一脈沖信號； 通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號使得所述功能材料層的電阻為高阻態(tài)轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)并模擬了生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能； 通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號使得所述功能材料層的電阻從低阻態(tài)恢復為高阻態(tài)并模擬了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)的功能； 通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的幅值大小來改變所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)所需的脈沖數(shù)目并模擬了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功倉泛; 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值的正或負來調(diào)節(jié)所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能； 通過控制所述第一脈沖信號 與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正或負來調(diào)節(jié)所述功能材料層的電導的變化并模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能具體為:當所述功能材料層的電阻的阻值大于第一電阻閾值模擬了生物神經(jīng)元的靜息態(tài)功能；當所述功能材料層的電阻的阻值小于第二電阻閾值時，模擬了生物神經(jīng)元的激發(fā)態(tài)功能。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)元的閾值激發(fā)功能步驟具體為: 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值大于第一電壓閾值且小于第二電壓閾值，使得所述功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，模擬了生物神經(jīng)元從靜息態(tài)轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)功能； 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值大于第二電壓閾值，使得所述功能材料層的電阻從低阻態(tài)恢復為高阻態(tài)，模擬了生物神經(jīng)元從激發(fā)態(tài)恢復到靜息態(tài)功能。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能步驟具體為: 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值小于第一電壓閾值，使得所述功能材料 層的電阻保持高阻態(tài)；并通過減小所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的脈沖數(shù)目增加，使得所述功能材料層的電阻從所述高阻態(tài)下降至所述第二電阻閾值，模擬了生物神經(jīng)元的能量累積激發(fā)功能。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能步驟具體為: 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的差值為正，使得所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重下降功能； 通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的差值為負，使得所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重上升功能。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能步驟還包括: 通過控制所述第一脈沖信號的幅值與所述第二脈沖信號的幅值之間的正差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導減小得越慢，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重下降得越慢的功能； 通過控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的負差值的幅值增強，使得所述功能材料層的電導的增大得越快，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重上升得越快的功能。
13.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括: 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差大于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重增大的功能； 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差小于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重較小的功能。
14.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括: 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差大于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重減小的功能； 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差小于零并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重增大的功能。
15.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括: 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值小于所述第二脈沖信號寬度的四分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為負，所述功能材料層的電導增大，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重增大的功能； 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值大于等于所述第二脈沖信號寬度的四分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為正，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重減小的功能。
16.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述模擬生物神經(jīng)突觸的脈沖時間依賴突觸可塑性功能步驟包括: 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值小于所述第二脈沖信號寬度的二分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的`信號差峰值大于所述第一脈沖信號的峰值，所述功能材料層的電導減小，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重減小的功能； 控制所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號的時間差的絕對值大于等于所述第二脈沖信號寬度的二分之一并調(diào)整所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的形狀，使得所述第一脈沖信號與所述第二脈沖信號之間的信號差峰值為小于等于所述第一脈沖信號的峰值，所述功能材料層的電導不變，模擬了生物神經(jīng)突觸的突觸權(quán)重不變的功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硫系化合物的模擬生物神經(jīng)元和神經(jīng)突觸的單元、裝置及方法，該單元包括第一電極層、功能材料層和第二電極層。模擬神經(jīng)元時，器件接受一個或多個電脈沖刺激，功能材料層的電阻從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，模擬神經(jīng)元從一個靜息態(tài)轉(zhuǎn)變到激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)閾值激發(fā)和能量累積激發(fā)功能。模擬神經(jīng)突觸時，器件功能材料層的電導能根據(jù)輸入信號漸變，實現(xiàn)突觸權(quán)重調(diào)節(jié)功能；以及根據(jù)兩端輸入信號的時間差改變其突觸權(quán)重，實現(xiàn)脈沖時間依賴突觸可塑性STDP功能。本發(fā)明能提供構(gòu)成人工神經(jīng)網(wǎng)絡的基本元器件。
文檔編號H01L45/00GK103078054SQ20131000146
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者繆向水, 李祎, 鐘應鵬, 許磊, 孫華軍 申請人:華中科技大學