[發(fā)明專利]鐵電石墨烯晶體管及基于它的互補(bǔ)型突觸器件和調(diào)控方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910498085.3
• 申請日: 2019-06-10
• 公開（公告）號: CN110289317B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 繆向水;周越;何毓輝;陳陽洋
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;G06N3/063
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

1.一種模擬人腦神經(jīng)突觸的裝置，包括神經(jīng)突觸單元以及與該神經(jīng)突觸單元和后級神經(jīng)元連接的控制器，所述突觸單元具體為能夠切換n型和p型的鐵電石墨烯晶體管，包括源電極、漏電極、以及用于連接該源電極與該漏電極的具有雙極性的石墨烯溝道，所述石墨烯溝道還通過鐵電薄膜介質(zhì)與頂柵電極相連，從而使得頂柵電極能有效調(diào)控溝道導(dǎo)電類型和電導(dǎo)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)n型和p型兩種不同類型的鐵電石墨烯晶體管的切換；該突觸單元的漏電極與所述后級神經(jīng)元相連，源電極用于接收輸入脈沖信號，在后級神經(jīng)元激發(fā)輸出脈沖信號；一旦前級神經(jīng)元產(chǎn)生輸入脈沖時，使得所述控制器的使能端打開，所述控制器內(nèi)部產(chǎn)生衰減波形；利用輸出信號和期望信號對衰減波形進(jìn)行采樣，采樣的值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)幅值的監(jiān)督脈沖信號輸入柵端；進(jìn)而通過該監(jiān)督脈沖信號改變鐵電薄膜介質(zhì)的極化狀態(tài)，從而改變石墨烯溝道的電導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督學(xué)習(xí)功能的模擬；

其特征在于，所述突觸單元具體為互補(bǔ)型突觸器件，包括使用所述能夠切換n型和p型的鐵電石墨烯晶體管作為增強(qiáng)型突觸和減小型突觸，其中，所述增強(qiáng)型突觸中石墨烯溝道的初始狀態(tài)為n型導(dǎo)電，所述減小型突觸中石墨烯溝道的初始狀態(tài)為p型導(dǎo)電；所述增強(qiáng)型突觸和所述減小型突觸兩者并聯(lián)構(gòu)成互補(bǔ)型突觸，所述增強(qiáng)型突觸中的源電極和所述減小型突觸中的源電極相連，形成該互補(bǔ)型突觸器件整體的源電極；所述增強(qiáng)型突觸中的漏電極和所述減小型突觸中的漏電極相連，形成該互補(bǔ)型突觸器件整體的漏電極；該互補(bǔ)型突觸器件整體的源電極用于模擬突觸前，該互補(bǔ)型突觸器件整體的漏電極用于模擬突觸后。

2.調(diào)控如權(quán)利要求1所述裝置的調(diào)控方法，其特征在于，

當(dāng)使用n型和p型鐵電石墨烯晶體管并聯(lián)作為互補(bǔ)突觸器件，所述輸出脈沖信號采樣值作為施加在p型晶體管柵端上的監(jiān)督信號的幅值，期望脈沖信號采樣值作為施加在n型晶體管柵端上的監(jiān)督信號的幅值；當(dāng)所述輸出脈沖信號和所述期望脈沖信號的時序之差為負(fù)時，所述輸出脈沖信號采樣值大于所述期望脈沖信號采樣值，所述p型晶體管電導(dǎo)減小值大于所述n型晶體管電導(dǎo)增加值，總電導(dǎo)等于n型晶體管電導(dǎo)加上p型晶體管電導(dǎo)，因此整體電導(dǎo)減小對應(yīng)權(quán)重的減小，使得下個節(jié)點(diǎn)所述控制器輸出脈沖信號來的更晚，更靠近所述期望信號；而當(dāng)所述輸出脈沖信號和所述期望脈沖信號的時序之差為正時，n型晶體管的增加值大于p型晶體管的減小值，因此整體電導(dǎo)增加對應(yīng)權(quán)重的增加，使得下個節(jié)點(diǎn)輸出脈沖信號來的更早，更靠近所述期望信號，從而實(shí)現(xiàn)整個電路的收斂。

3.如權(quán)利要求2所述調(diào)控方法，其特征在于，該調(diào)控方法具體是通過向源電極施加脈沖信號來模擬來自前級神經(jīng)元的輸入信號，從漏電極輸出的電流脈沖信號在后級神經(jīng)元激發(fā)輸出脈沖信號，學(xué)習(xí)所達(dá)到的期望信號，并通過向頂柵電極施加脈沖信號作為模擬突觸的監(jiān)督信號。

4.如權(quán)利要求2所述調(diào)控方法，其特征在于，輸出脈沖信號和期望脈沖信號采樣的值的大小和正負(fù)轉(zhuǎn)換為頂柵電極施加的對應(yīng)的監(jiān)督脈沖信號的大小和正負(fù)，通過頂柵電極上施加對應(yīng)的監(jiān)督脈沖信號的大小和正負(fù)改變鐵電薄膜介質(zhì)的極化狀態(tài)，從而改變石墨烯溝道的電導(dǎo)呈不斷增大變化還是呈不斷減小變化的變化方向以及變化速率，實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的權(quán)重調(diào)節(jié)功能的模擬，即脈沖時間依賴突觸可塑性功能的模擬。