KAYIP DEVRE ELEMANI MEMRİSTÖR

               KAYIP DEVRE ELEMANI MEMRİSTÖR

• Elektroniğin en temel devre elemanları nedir? Günümüzdeki elektronik devreler hangi pasif devre elemanlarıyla yapılır? 
•  Bu sorusuna vereceğimiz cevap hiç şüphesiz direnç, kondansatör ve indüktördür. 
• Bu elemanlar nasıl çalışır ve aralarındaki bağlantılar nelerdir. 

DİRENÇ; Pasif devre elemanı olan direnç, uçları arasındaki potansiyel fark ile doğru orantılı olarak üzerinden akım geçiren lineer devre elemanıdır.

• Gerilim akım ilişkisi bildiğimiz Ohm yasası ile tanımlıdır. Bu iki değişkenin orantı katsayısı R (direnç) olmak üzere aralarındaki ilişki 

• Vba(Volt)= R (direnç) x I (akım) ile verilir.

Kondansatör; Bu devre elemanı üzerinden geçen akım uçlarına uygulanan potansiyel farkın zamana göre değişimi ile orantılıdır.

• Orantı katsayısı sığa sabitdir ve birimi Farad (F) 

• Sürülen akım ile yük kaynağının yaptığı iş kondansatörde elektrik alanında depo edilen enerjidir. 

• Kondansatör mekanik sistemlerde bir yay sistemine karşılık gelir.

İndüktans; Bu devre elemanının uçları arasında, üzerinden geçen akımın değişim hızıyla orantılı bir potansiyel farkı oluşur. 

• Orantı katsayısı indüktansdır birimi Henry (H) 
• Sürülen akım ile yük kaynağının yaptığı iş indüktansın manyetik alanında depo edilen enerjidir. İndüktans akım değişimine karşı sergilediği eğlemsizlikten dolayı mekanik sistemlerde kütleye karşılık gelir.

                                          

                             MEMRİSTÖRÜN KEŞFİ

          1971 yılında California Üniversitesi’nden Leon Chua, bu devre elemanları ailesinin bir üyesi daha olduğuna ilişkin kuramsal öngörülerde bulunmuştu. IEEE Trans. Circuit Theory’de yayımlanan makalesinde Chua, voltaj (gerilim), yük, akım ve manyetik akının birbirleri arasındaki basit diferansiyel denklemlerle ifade edilebilen ilişkilerden yola çıkarak eksik parçayı kuramsal olarak yine basit bir diferansiyel denklemle tanımlamıştı. Chua makalesinde bu dördüncü elementin adını da İngilizce “memory resistor” sözcüklerinden yola çıkarak “Memristör” koymuştu. Bu ad, kuramsal olarak ileri sürdüğü bu gizemli elemana çok uyuyordu; çünkü memristör unutmuyordu, diğer bir deyişle belleği (memory) vardı ve bir direnç (resistance) gibi davranıyordu.

         Chua’nın bu öngörüsünden 37 yıl geçtikten sonra, 2008 yılında HP’den bir grup mühendis memristörü kuramsal bir devre elemanı olmaktan çıkaracak keşiflerini ünlü Nature dergisinde yayımlayarak tüm bilim dünyasına duyurdu [Strukov et al., The missing memristor found, Nature 453, 80‐83 (2008)]. HP mühendisleri bu makalelerinde laboratuvarlarında geliştirdikleri bir memristörü de sunmuşlardı. Gün yüzüne çıkmak için yıllarca bekleyen memristörün yeni elektronik aygıtlarda yerini alması için de yalnızca sayılı yıllar var artık.

                       TEORİK OLARAK MEMRİSTÖRÜN KEŞFİ

       

 Chua şekildeki eksik kısmı akı ve yük arasındaki diğer bir bağıntıyla doldurdu ve bu iki değişkenin birbiriyle olan ilişkisinden yola çıkarak dördüncü devre elamanını, yani “memristör”ü tanımladı. Akının yüke göre türevi şeklinde tanımlanan memristör’ü de M'harfi ile göstererek aşağıdaki bağıntıyı yazdı:

       

     Memristörün manyetik akı ile yük arasındaki kurulan bu ilişkisi, aslında onun içinden geçen yük miktarına bağlı olarak değeri değişen bir direnç gibi davranacağını söylüyordu. Ancak memristörün sonradan ortaya çıkacak olan daha önemli özelliği, akım geçip gittikten ve bittikten sonra dahi bu değeri aklında tutabilmesiydi. 𝑀 harfiyle gösterilen bu direnç, diğer deyişle memristans Chua’nın ifade ettiği gibi, yük ve akı arasındaki 

  

     bağıntısıyla ifade ediliyor

           Memristans aslında bir elektronik bileşeninin temel özelliği. Eğer elektrik yükü, bir devre boyunca bir yönde akarsa, devrenin o bileşeninin direnci artacaktır ve eğer elektrik yükü devrede ters yönde akarsa direnç düşecektir. Uygulanan gerilimi kesip yük akışı durdurulursa, bileşen daha önce taşıdığı direnci “hatırlayacak” ve yük akışı yeniden başladığında devrenin direnci en son hatırladığı halinden başlayacaktır. İdeal bir memristör, memristans özelliğini ifade etmek için yapılmış, edilgen, iki terminalli bir elektronik aygıt.

   DENEYSEL OLARAK MEMRİSTÖR'ÜN KEŞFİ

•      Memristiv davranış ilk kez 2008 yılında HP araştırmacıları tarafından gerçekleştirilerek Nature dergisinde duyuruldu.  HP araştırmacıları çalışmalarında   Pt/TiO2/Pt yapısında iki Pt film arasına Katkılanmış TiO2 ve   Katkılanmamış TiO2-x  bölgeleri oluşturmuşturlar.
•   Katkılanmış ve katkılanmamış bölgelerin toplam kalınlığı bir kaç nm mertebesindedir. 

M katsayısı burada katkılanmş ve katkılanmamış bölgelerin toplam kalınlığına karşılık gelir.

Mikron boyuttan nm skalasına inildiğinde M(q) sabitinin 1/D2 ye bağlılığından dolayı M(q) 1.000.000 kez artmaktadır.

Bu nedenle makro boyutta insanlığın dikkatinden kaçan bir detay günümüzde nanoteknolojideki çalışmalar ile bilim insanlarının dikkatini çekmiştir

      MEMRİSTÖR NASIL ÇALIŞIR?

      Titanyum ve silisyum yarı iltekenleri ile oksijen atomlarından faydalanılarak silisyum dioksit ya da titanyum dioksit elde edilir ve bu bileşiklerden herhangi birisi kullanılarak memristörün iç yapısın oluşturulur. Daha uyumlu olduğu için iç yapıyı oluşturmada genellikle TiO2 - titanyum dioksit kullanılır. Yapılarındaki oksijenler ise küçük boşluklar halinde memristör içinde yerini alır.

 

 Memristörden akım geçtikçe katkılanmış olan titanyum dioksit tabakadaki oksijen boşlukları akımın geçtiği yöne yani saf titanyum diokside doğru kayarlar ve böylece saf titanyum dioksit aralığı daralır.Katkılı titanyum dioksitlerin aralık uzunluğu artar ve Tio2 film tabakalar arasındaki sınır değişerek direncin de değişmesine neden olur.

      Akımın olmadığı durumlarda ise katkılı ve saf Tio2 tabakaları aralık seviyelerini korur. Ters durumda yani akımın negatif olarak verilmesiyle oksijen boşlukları katkılı tabakaya doğru hareket eder. Ardından saf TiO2katmanı genişliğini arttırarak direncin de artmasına neden olur.

                      MEMRİSTÖR'ÜN TEKNOLOJİDEKİ YERİ

     Moore yasasının öngörüsü doğrultusundaki teknolojide bazı gelişmeler durma noktasına gelmiştir.
   Memristör bu noktada nm boyutunda oluşu ile çok yüksek yoğunlukta aygıt fabrikasyonuna imkan vermesi ve HP araştırmacılarının 20GHz de anahtarlama yapabilen memristör gerçekleştirmeleri bu alandaki potansiyeli göstermektedir.

                             NERELERDE KULLANILA BİLİR

•     Programlanabilir kapı dizileri (FPGA) havacılık ve savunma sanayinde daha da artan sayıda potansiyel uygulamaları ortaya çıkmaktadır. 
•    Özellikle askeri ugulamalarda programlanmış FPGA’den ters mühendislikle tasarımın ortaya çıkarılmasını önlemek için kendi kendini imha etmek üzere “anti-tamper” teknolojisi kullanılır.
•      Memristör tabanlı sistemlerde ise tersine mühendisliğin önüne geçmek üzere devreyi imha etmeden yapısal dönüşümle tamamen çalışmaz hale gelmesi veya fonksiyonun yeniden tanımlanması mümkün. 
•     Donanım çalışmasının kriptolanması, 
•     Bir aygıtın fonksiyonunun yeniden tanımlanması, 
•     Nöron benzeşimi ile yüksek kapasiteli işlem yoğunluğu, 
•     Hafıza yoğunluğunun günümüz limetlerini aşması, Moore yasasının bir süre daha devam etmesi  

 KAYNAKLAR:

  Kayıp Dördüncü Eleman MEMRİSTÖR , Prof. Dr. Hasan EFEOĞLU
  Elektroniğin Kayıp Halkası: Memristör, İ.Buğdaycı
  HP Labs Proves Existence of New Basic Element for Electronic Circuits     http://www.hp.com/hpinfo/newsroom/press/2008/080430a.html
  http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/memristor-nedir/7963#ad-image-0