[发明专利]基于可调同质结场效应器件的人工突触电路及实现方法

说明书

本发明公开了一种基于可调同质结场效应器件的人工突触电路及该电路功能的实现方法，所述电路包括第一可调同质结场效应器件M1、第二可调同质结场效应器件M2、第三可调同质结场效应器件M3以及电容元件C，其中，可调同质结场效应器件在栅极电压的调控下可以表现出NN结，PP结，PN结和NP结所具有的电学特性，电路中器件M2和器件M3的导通状态由仿突触前脉冲和仿突触后脉冲的共同作用决定；相比于传统MOS电路方案展示脉冲时间依赖可塑性和脉冲对突触权重连续调节的神经突触功能的电路结构，本方案中的电路所需的器件数目得到极大地减少，并且表现出了可重构功能的特点，在构建面向未来神经形态应用的低功耗高密度集成仿生芯片方面展现出很大的优势。

技术领域

本发明涉及神经形态工程技术领域，具体涉及一种基于可调同质结场效应器件的人工突触电路及实现方法。

背景技术

随着模式识别，自动驾驶，人工智能等新兴的电子应用场景的发展，神经形态计算计算的应用价值得到进一步的增强，然而，由于传统硅基CMOS器件在电学特性上表现单一，与生物神经系统所具有的丰富可塑性动力学特征具有较大的差异，因此，利用传统MOS器件构建的神经形态电路需要耗费大量的晶体管资源；例如构建一个突触电路需要超过10个晶体管，这样导致了过高的功耗和较大的面积，无法满足未来对低功耗的神经形态计算的应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于可调同质结场效应器件的人工突触电路，其解决了突触电路需要的器件过多导致的功耗高、面积大问题，本发明还提供一种人工突触电路功能的实现方法。

技术方案：一方面，本发明提供基于可调同质结场效应器件的人工突触电路，所述电路包括第一可调同质结场效应器件M1、第二可调同质结场效应器件M2、第三可调同质结场效应器件M3以及电容元件C；

M2的源极S2和M3靠近源极的栅极电极G3A连接，且用于输入仿突触前脉冲，M3的源极S3和M2的靠近源极的栅极电极G2A连接，且用于输入仿突触后脉冲；M2的漏极D2和靠近漏极D2的栅极电极G2B连接，并与M1靠近源极S1的栅极电极G1A相连，M3的漏极D3和靠近漏极D3的栅极电极G3B连接，并与M1靠近漏极D1的栅极电极G1B相连；

所述电容C连接在M1的两个栅极电极G1A与G1B之间，通过流经晶体管M2和M3的电流，实现充电/放电的操作，电容C两端的相对电势决定了M1的同质结状态，M1的源极S1与漏极D1分别用于施加源极偏压V₁和漏极偏压V₂；

所述M1、M2以及M3结构相同，均包括衬底绝缘材料、沟道材料层、绝缘层和金属电极层，所述金属电极层包括漏电极层、源电极层、栅电极层A和栅电极层B，所述栅电极层A和栅电极层B并列制备于衬底绝缘材料之上，且栅电极层A和栅电极层B之间留有间隙，保证二者之间电绝缘，绝缘层完全覆盖于栅电极层A和栅电极层B之上，所述漏电极层置于所述栅电极层A上方的沟道材料层的左侧边缘，所述源电极层置于所述栅电极层B上方的沟道材料层的右侧边缘，即栅电极层A与M1中的栅极电极G1B，M2中的栅极电极G2B以及M3中的栅极电极G3B对应，所述栅电极层B与M1中的栅极电极G1A，M2中的栅极电极G2A以及M3中的栅极电极G3A对应。

进一步的，包括：

所述沟道材料层采用的为双极性场效应特性材料，其为低维半导体材料。

进一步的，包括：

所述低维半导体材料为硅纳米线、碳纳米管、二维层状材料或者有机半导体薄膜材料。

进一步的，包括：

所述双极性场效应特性材料为本征半导体，带隙范围在0.5～1.5eV，材料厚度小于30nm。

进一步的，包括：

所述同质结状态包括NN结，PP结，PN结和NP结电学特性。