同濟大學Adv. Funct. Mater.:基于晶體管的人工突觸器件最新研究進展

tt 4年前 (2019-08-19) 7674瀏覽

【引言】

使用電子器件模擬生物突觸功能是近幾年來再次興起的一個研究領域。它被廣泛認為是硬件構建類腦計算機和人工智能系統的第一步。到目前為止，科學家已經構建了不同類型的電子器件來模擬生物突觸功能。其中，基于晶體管的人工突觸器件具有穩定性好，測試參數相對可控，操作機制清晰，可由多種材料構成的優點。另外，它們可以執行并發學習，其可以在不中斷信號傳輸過程的情況下執行突觸權重更新。不僅如此，在單個基于晶體管的人工神經突觸器件中還可以實現電光信號的協同調控，這為開發具有更少神經元的健壯神經元網絡提供可能性。基于晶體管的人工突觸的這些優異特征使其比其他類型的器件更適合用于模擬生物突觸功能。然而，基于晶體管的人工神經突觸的發展仍處于早期階段。

【成果簡介】

論文回顧和討論了基于晶體管的人工神經突觸的最新進展。作者首先簡要介紹生物突觸和突觸的可塑性。然后，回顧和討論了突觸晶體管的工作原理和主要進展，包括浮柵突觸晶體管、鐵電門突觸晶體管、電解質門突觸晶體管和光電突觸晶體管。最后，作者對整個文章進行了總結，然后討論了現在所面臨的挑戰，以便對未來的研究有所啟發。該成果以題為“Recent Advances in Transistor-Based Artificial Synapses”發表在Adv. Funct. Mater.上。同濟大學材料科學與工程學院博士研究生代世磊為該論文的第一作者。

【圖文導讀】

Figure 1.突觸的示意圖，其由突觸前膜，突觸間隙和突觸后膜組成

Figure 2. 薄膜Au浮柵突觸晶體管

（a）基于半導體CNT的隨機矩陣的柔性突觸晶體管的示意圖和顯微鏡圖像

（b）case1：V_LTP和V_LTD的幅度大于其他情況 (case 2 和 case 3)；因此，NL是最高的, ΔG是最大的

（c）case 2: V_LTP和V_LTD的幅度小于case 1；因此，NL和ΔG較低

（d）case 3: 使用沒有Au浮柵的CNT晶體管用于突觸晶體管，由于電荷存儲空間有限，NL和ΔG比其他情況小得多

Figure 3. C₆₀浮柵突觸晶體管

（a）C₆₀浮柵突觸晶體管的示意圖（左）和橫截面側視圖SEM（右）

（b）通過施加重復的正和負柵極脈沖進行重復的溝道電導調制。在（c）寫入和（d）擦除條件下，由一系列柵極脈沖產生的EPSC

Figure 4. Au納米顆粒浮柵突觸晶體管

（a）Au納米顆粒突觸晶體管的器件結構

（b）Au納米顆粒突觸晶體管的促進和抑制行為

（c）Au納米顆粒的放電時間常數隨溝道長度和納米顆粒尺寸而變化

Figure 5.基于氧化物鐵電材料的鐵電門突觸晶體管

（a）具有向上和向下極化的鐵電門突觸晶體管的示意圖。（b）在施加具有不同脈沖幅度和寬度的柵極電壓之后，鐵電柵極突觸晶體管的電流。（c）基于Hf_0.5Zr_0.5O₂鐵電材料的鐵電門突觸晶體管結構及其工作原理。（d）脈沖方案1：具有相同脈沖寬度及幅度。（e）脈沖方案2：具有逐漸增加的脈沖寬度。（f）脈沖方案3：具有增加的脈沖幅度。

Figure 6. 自支撐P（VDF-TrFE）膜作為介電層的超薄適形鐵電門突觸晶體管