【摘要】：模仿大腦功能的神經擬態(tài)計算現(xiàn)在是除了傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算之外最重要的技術之一。而在大腦中,學習和記憶等功能的實現(xiàn)是通過神經元修改生物突觸之間的突觸權重進行的,這表明了神經突觸器件的研究對于神經擬態(tài)計算的實現(xiàn)至關重要。在過去的幾年里,許多具有憶阻器和場效應晶體管(FET)結構的神經突觸器件已經被制造出來。具有場效應晶體管結構的神經突觸器件由于具有易編程和易集成的特點,得到了很多研究者的關注。到目前為止,大多數晶體管型神經突觸器件都已經被證實可以實現(xiàn)電刺激。然而,最近神經科學中光遺傳學領域的發(fā)展引發(fā)了人們對光刺激的晶體管型神經突觸器件研究的興趣,將光引入到晶體管型神經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題。光刺激的晶體管型神經突觸器件最近已經通過使用二維(2D)材料(如石墨烯和MoS2)制造出來,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)—可見光譜范圍內有效,而在兼容光通信領域的近紅外(NIR)波段,光刺激仍然難以實現(xiàn)。另外,二維材料的光學吸收通常很弱,因此基于二維材料的突觸器件需要更大功率的光刺激,然而這實際上對于超低能耗的神經擬態(tài)計算的發(fā)展來說是一個嚴重的問題。值得注意的是,光刺激的晶體管型神經突觸器件也可以施加電刺激,并且為了實現(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,然而這一領域至今尚未被深入的研究。在本文中,我們通過使用硼摻雜的硅納米晶體制備了光刺激的晶體管型神經突觸器件,硼摻雜的硅納米晶體在較寬的紫外(UV)到近紅外(NIR)光譜范圍內都具有較強的光吸收。這些器件基本都可以實現(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,不僅實現(xiàn)了基于硅納米晶體的晶體管型神經突觸器件的超塑性和邏輯功能,還模仿了厭惡學習的神經行為。目前基于硅納米晶體的晶體管型神經突觸器件實現(xiàn)了超低的能量消耗,有望應用于未來高能效神經擬態(tài)計算的發(fā)展。本文主要的研究內容和結果如下:(1)利用冷等離子體法制備從紫外到近紅外都具有很強光吸收的的摻硼硅納米晶體,利用場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)表征其晶體結構和晶粒尺寸,利用紫外-可見-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突觸器件,利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)表征器件表面形貌。在單個器件上施加電刺激得到興奮性神經突觸后電流(EPSC)、雙脈沖易化(PPF)等驗證其突觸可塑性,并對其機理提出解釋。(2)我們對器件進行光刺激,得到了光刺激下突觸可塑性,并利用光電耦合刺激,實現(xiàn)STDP、厭惡學習、邏輯計算、超可塑性等突觸功能,對該器件的一致性、寫入噪聲、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突觸器件的突觸行為以MNIST手寫數字庫為對象做了神經擬態(tài)計算仿真模擬,得到了93.6%的圖像識別精確度。
【圖文】：

浙江大學碩士學位論文存取存儲器以及早期提出的物理概念“憶阻器”的實現(xiàn)，神起廣泛關注。這些創(chuàng)新器件能夠在超短時間內以超低能耗存儲非常類似于人腦的特征。最吸引人的是，，依賴于其先前狀態(tài)的理特性可以通過外部刺激連續(xù)定制并且甚至在斷電后也可以物突觸的行為。應該注意的是，由于人腦的極其復雜，這些可今為止沒有一個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

之間的相對時間差，以及ｔ和土分別表示指數函數的比例因子和時間常數。根據逡逑方程，可以推導出ＳＴＤＰ學習的計算模型通常采用的四種類型的ＳＴＤＰ函數［４２］，從逡逑而產生圖１．４。圖ａ對應具有正權重（ｗ＞０）的突觸。因此，只要ＡＴ＞０，由于Ａ逡逑ｗ的正號，突觸權重ｗ總是被加強。然而，該學習規(guī)則不適用于具有負權重（ｗ＜０）逡逑的一些抑制性突觸，因為權重的增加反過來會削弱突觸的強度。為了解決這個問逡逑題，需要具有與圖ｂ類似形狀的ＳＴＤＰ學習規(guī)則，因為在這種情況下，當ＡＴ＞０時，逡逑減小權重將增強突觸本身。Ａｗ和ＡＴ之間的這種關系，由圖ｂ給出，通常被稱為逡逑反ＳＴＤＰ學習功能。圖ｃ，邋ｄ分別是ａ和ｂ的對稱形式。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
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN15;O73

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;我國實現(xiàn)一維納米晶體精準控制[J];中國粉體工業(yè);2016年05期

2 謝元彪;許俊男;陳穎

本文編號：2667361