Memristor

Der Memristor ist ein zweipoliges elektronisches Bauelement, dessen Widerstand von seinem Zustand in der Vergangenheit abhängt. Die Bezeichnung Memristor ist aus Memory (Gedächtnis, Speicher) und Resistor (Widerstand) abgeleitet. Er ist das vierte Bauelement in der passiven Schaltungstechnik (Widerstand, Kapazität und Induktivität) und ähnelt einem Transistor. Der Unterschied, er kann seinen Widerstand ändern, abhängig von der Menge und Richtung der angelegten Spannung. Ein einziger Memristor kann die gleiche logische Funktion ausüben, wie mehrere zusammengeschaltete Transistoren. Das bedeutet weniger Schaltelemente und dadurch weniger Platzbedarf und somit höhere Integrationsdichte.

Das 4. Bauelement der passiven Schaltungstechnik

Der Memristor als viertes passives Bauelement
Im Jahr 1971 hat der Berkeley-Professor Leon Chua festgestellt, dass es neben Widerstand, Spule und Kondensator ein viertes passives Bauelement geben muss. Im Formelraum zwischen Strom, Spannung, Ladung und magnetischen Fluss fehlte ein passives Element, das Ladung und magnetischen Fluss verbindet. Chua hat es als Memristor bezeichnet.
Dieser Memristor ist abhängig von Ladung und magnetischem Fluss, ohne, dass ein Magnetfeld vorhanden ist. Mit aktiven Bauelementen ließe sich der Memristor durchaus realisieren. Doch die Bauelemente verbrauchen zusätzliche Energie.

Der Hewlett-Packard-Forscher Stanley Williams und seine Kollegen haben 2008 ein passives Bauelement konstruiert, welches dem fehlenden Bauelement entspricht.

Aufbau

Aufbau des Memristors
Der Memristor der HP-Forscher besteht aus zwei Schichten Titandioxid (TiO2), die sich zwischen Platinkontakten befinden. Eine der beiden Schichten hat einige Sauerstoff-Atome Weniger (TiO2-x). Wegen dieser Fehlstellung leitet diese Schicht besser (Ron), während die andere Schicht besser isoliert (Roff).

Funktionsweise

Die folgende Betrachtung gilt für den linearen Bereich (der Widerstand fällt proportional zur durchgelaufenen Ladung). Legt man eine Spannung an, wandern die Sauerstoff-Fehlstellen im elektrischen Feld in die isolierende Schicht hinein. Daraufhin wird sie leitend. Der Gesamtwiderstand verändert sich drastisch. Sind alle Fehlstellen in der zweiten Schicht angekommen, ändert eine Erhöhung der Spannung den Widerstand kaum mehr. Der Memristor ist übersteuert. Das interessante dabei, der Zustand bleibt erhalten. Erst wenn die die Spannung umgepolt wird, wandern die Sauerstoff-Fehlstellen wieder zurück.

Strom- und Spannungsverlauf

Strom- und Spannungsverlauf
Schaut man sich bei einem linearen Memristor den Strom- und Spannungsverlauf für eine sinusförmige Spannung an, so zeigt sich, dass der Stromverlauf die gleiche Phase hat und die Sinusspannung leicht verbogen ist. Diese Veränderung tritt aber nur bei sehr niedrigen Frequenzen auf.

Schaltzeichen

Memristor Schaltzeichen

Anwendung

  • schneller Schalter
  • semi-volatiler Speicher

Anwendungen (Prototypen-Status)

  • Speicher: Eine Memristor-Speicherzellen (RRAM, Resistive RAM) ist deutlich schneller und gleichzeitig kleiner als bisherige (CMOS-)Speicherzellen mit Transistoren. Könnten DRAM und Flash ersetzen.
  • Schalter: Memrister als Schalter in Logik-Bausteinen.

Ausblick

Der Traum eines jeden Computertechnikers ist, einen PC zu bauen, der ohne Booten sofort betriebsbereit ist. So ein Szenario wäre mit Memristor-Bauelementen durchaus denkbar.
An Memristor-basierte Prozessoren wird bereits geforscht. Ob die Technik in Zukunft kommt, hängt davon ab, wie sich die Zahl der Experten entwickelt, die solche Schaltkreise gestalten können. Ebenso schwer ist einzuschätzen, welche Anwendung nun tatsächlich für den Memristor zum Durchbruch verhelfen wird. Es könnte auch sein, dass der Memristor sehr schnell wieder in der Versenkung verschwinden wird.

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