【摘要】：模仿大腦功能的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算現(xiàn)在是除了傳統(tǒng)的馮·諾依曼計(jì)算之外最重要的技術(shù)之一。而在大腦中,學(xué)習(xí)和記憶等功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)神經(jīng)元修改生物突觸之間的突觸權(quán)重進(jìn)行的,這表明了神經(jīng)突觸器件的研究對(duì)于神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。在過(guò)去的幾年里,許多具有憶阻器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)結(jié)構(gòu)的神經(jīng)突觸器件已經(jīng)被制造出來(lái)。具有場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的神經(jīng)突觸器件由于具有易編程和易集成的特點(diǎn),得到了很多研究者的關(guān)注。到目前為止,大多數(shù)晶體管型神經(jīng)突觸器件都已經(jīng)被證實(shí)可以實(shí)現(xiàn)電刺激。然而,最近神經(jīng)科學(xué)中光遺傳學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展引發(fā)了人們對(duì)光刺激的晶體管型神經(jīng)突觸器件研究的興趣,將光引入到晶體管型神經(jīng)突觸器件不僅可以顯著增大突觸器件的帶寬,還可以有效緩解突觸器件的互連問(wèn)題。光刺激的晶體管型神經(jīng)突觸器件最近已經(jīng)通過(guò)使用二維(2D)材料(如石墨烯和MoS2)制造出來(lái),盡管這些器件也顯示出優(yōu)異的突觸可塑性,但它們的光刺激僅限于在較窄的紫外(UV)—可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有效,而在兼容光通信領(lǐng)域的近紅外(NIR)波段,光刺激仍然難以實(shí)現(xiàn)。另外,二維材料的光學(xué)吸收通常很弱,因此基于二維材料的突觸器件需要更大功率的光刺激,然而這實(shí)際上對(duì)于超低能耗的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。值得注意的是,光刺激的晶體管型神經(jīng)突觸器件也可以施加電刺激,并且為了實(shí)現(xiàn)突觸器件的高性能、多功能,光刺激和電刺激的協(xié)同作用是很有必要的,然而這一領(lǐng)域至今尚未被深入的研究。在本文中,我們通過(guò)使用硼摻雜的硅納米晶體制備了光刺激的晶體管型神經(jīng)突觸器件,硼摻雜的硅納米晶體在較寬的紫外(UV)到近紅外(NIR)光譜范圍內(nèi)都具有較強(qiáng)的光吸收。這些器件基本都可以實(shí)現(xiàn)紫外到近紅外光譜范圍的光刺激,而且由光刺激引起的器件的光柵壓現(xiàn)象可以模仿一系列重要的突觸功能。從器件的并行性考慮,我們也可以在基于硅納米晶體的晶體管型神經(jīng)突觸器件的柵電極處輕易地施加電脈沖刺激。我們利用光刺激和電刺激的協(xié)同作用,不僅實(shí)現(xiàn)了基于硅納米晶體的晶體管型神經(jīng)突觸器件的超塑性和邏輯功能,還模仿了厭惡學(xué)習(xí)的神經(jīng)行為。目前基于硅納米晶體的晶體管型神經(jīng)突觸器件實(shí)現(xiàn)了超低的能量消耗,有望應(yīng)用于未來(lái)高能效神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的發(fā)展。本文主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)利用冷等離子體法制備從紫外到近紅外都具有很強(qiáng)光吸收的的摻硼硅納米晶體,利用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)表征其晶體結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸,利用紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜表征其吸光特性。制備基于硅納米晶體的晶體管型神經(jīng)突觸器件,利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)表征器件表面形貌。在單個(gè)器件上施加電刺激得到興奮性神經(jīng)突觸后電流(EPSC)、雙脈沖易化(PPF)等驗(yàn)證其突觸可塑性,并對(duì)其機(jī)理提出解釋。(2)我們對(duì)器件進(jìn)行光刺激,得到了光刺激下突觸可塑性,并利用光電耦合刺激,實(shí)現(xiàn)STDP、厭惡學(xué)習(xí)、邏輯計(jì)算、超可塑性等突觸功能,對(duì)該器件的一致性、寫(xiě)入噪聲、非線性、功耗等性能做出了表征,并利用基于硅納米晶體的晶體管型神經(jīng)突觸器件的突觸行為以MNIST手寫(xiě)數(shù)字庫(kù)為對(duì)象做了神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算仿真模擬,得到了93.6%的圖像識(shí)別精確度。
【圖文】：

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文存取存儲(chǔ)器以及早期提出的物理概念“憶阻器”的實(shí)現(xiàn)，神起廣泛關(guān)注。這些創(chuàng)新器件能夠在超短時(shí)間內(nèi)以超低能耗存儲(chǔ)非常類(lèi)似于人腦的特征。最吸引人的是，，依賴(lài)于其先前狀態(tài)的理特性可以通過(guò)外部刺激連續(xù)定制并且甚至在斷電后也可以物突觸的行為。應(yīng)該注意的是，由于人腦的極其復(fù)雜，這些可今為止沒(méi)有一個(gè)顯示出能夠媲美生物突觸物理性能的潛力。逡逑４００邋邐逡逑

之間的相對(duì)時(shí)間差，以及ｔ和土分別表示指數(shù)函數(shù)的比例因子和時(shí)間常數(shù)。根據(jù)逡逑方程，可以推導(dǎo)出ＳＴＤＰ學(xué)習(xí)的計(jì)算模型通常采用的四種類(lèi)型的ＳＴＤＰ函數(shù)［４２］，從逡逑而產(chǎn)生圖１．４。圖ａ對(duì)應(yīng)具有正權(quán)重（ｗ＞０）的突觸。因此，只要ＡＴ＞０，由于Ａ逡逑ｗ的正號(hào)，突觸權(quán)重ｗ總是被加強(qiáng)。然而，該學(xué)習(xí)規(guī)則不適用于具有負(fù)權(quán)重（ｗ＜０）逡逑的一些抑制性突觸，因?yàn)闄?quán)重的增加反過(guò)來(lái)會(huì)削弱突觸的強(qiáng)度。為了解決這個(gè)問(wèn)逡逑題，需要具有與圖ｂ類(lèi)似形狀的ＳＴＤＰ學(xué)習(xí)規(guī)則，因?yàn)樵谶@種情況下，當(dāng)ＡＴ＞０時(shí)，逡逑減小權(quán)重將增強(qiáng)突觸本身。Ａｗ和ＡＴ之間的這種關(guān)系，由圖ｂ給出，通常被稱(chēng)為逡逑反ＳＴＤＰ學(xué)習(xí)功能。圖ｃ，邋ｄ分別是ａ和ｂ的對(duì)稱(chēng)形式。逡逑８０邋［￣＾ｕ，邐￣￣：邐］８０逡逑：４0。逡逑－４０邐／Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ邋Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ邋＼邐－４０逡逑Ｃ0＂邐；邋Ｈｅｂｂｉａｎ邐ａｎｔｉ－Ｈｅｂｂｉａｎ；逡逑已，８０邐；邋ｌｅａｒｎｉｎｇ邋ｒｕｌｅ邐；邐－00逡逑＿邐８０邋Ｃ邐／ＡｘＳｙｍｍｅｔｒｉｃ邐ｄ邐：邐。逡逑Ｚ邋ｊ邋＇邋Ｈｅｂｂｉａｎ邋＾邐〔…廣邐０逡逑４0邋／邐＾邐＼邐Ａ
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN15;O73

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2 謝元彪;許俊男;陳穎

本文編號(hào)：2667361