金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属装置的制作方法

本公开涉及一种金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)装置，特别是可以操作在单一负微分电阻(negativedifferentialresistance；ndr)模式或双重ndr模式的misim装置。

背景技术：

负微分电阻(ndr)装置具有双端点配置或三端点配置。对于双端点配置，负微分电阻装置的调整很困难，以允许负微分电阻装置在扩展的工作范围内操作。另一方面，对于三端点配置，现有的负微分电阻装置为互补式金属氧化物半导体(cmos)不兼容的，或者只能在单一负微分电阻模式中操作。

技术实现要素：

本公开提供一种金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)装置，包括：半导体层；绝缘层，设置在半导体层的上表面上；背电极，设置在半导体层的与上表面相反的下表面上；以及第一电极和第二电极，设置在绝缘层上，并且第一电极和第二电极彼此间隔开。

本公开提供一种存储器装置，包括耦接至多个字元线和多个位元线的多个存储器单元，其中存储器单元的每一者包括misim装置、电阻以及传输闸晶体管，传输闸晶体管的栅极电极连接至字元线的一者，并且传输闸晶体管的源极连接至位元线的一者。在存储器单元的每一者中，misim装置的第二电极连接至地；misim装置的第一电极和电阻的一端点连接至传输闸晶体管的漏极；以及定电流源将电阻的另一端点连接至地。

本公开提供一种存储器装置，包括耦接至多个字元线和多个位元线的多个存储器单元，其中存储器单元的每一者包括misim装置、电阻以及传输闸晶体管，传输闸晶体管的栅极电极连接至字元线的一者，并且传输闸晶体管的源极连接至位元线的一者。在存储器单元的每一者中，misim装置的背电极连接至地；偏压源在misim装置的第一电极与第二电极之间提供偏压；misim装置的第一电极和电阻的一端点连接至传输闸晶体管的漏极；以及定电流源将电阻的另一端点连接至地。

本公开提供一种存储器装置，包括彼此交叉耦合的第一存储器单元和第二存储器单元，其中第一存储器单元和第二存储器单元的每一者包括misim装置，第一存储器单元和第二存储器单元的misim装置的背电极连接至地，第一存储器单元的misim装置的第二电极和第二存储器单元的misim装置的第一电极彼此耦接，并且通过第一传输闸晶体管连接至第一位元线，第一存储器单元的misim装置的第一电极和第二存储器单元的misim装置的第二电极彼此耦接，并且通过第二传输闸晶体管连接至第二位元线，以及第一传输闸晶体管和第二传输闸晶体管的栅极电极个别地连接至第一字元线和第二字元线。

本公开提供一种misim装置的操作方法，其中misim装置包括半导体层、设置在半导体层的上表面上的绝缘层、设置在半导体层的与上表面相反的下表面上的背电极以及设置在绝缘层上并且彼起间隔开的第一电极和第二电极。misim装置的操作方法包括将第一电极和第二电极之间的电压差从第一数值增加到第二数值，或者将第一电极和第二电极之间的电压差从第二数值减少到第一数值，同时保持第二电极连接至地，并且保持第一电极与背电极之间的偏压。

本公开提供一种misim装置的操作方法，其中misim装置包括半导体层、设置在半导体层的上表面上的绝缘层、设置在半导体层的与上表面相反的下表面上的背电极以及设置在绝缘层上并且彼起间隔开的第一电极和第二电极。misim装置的操作方法包括将第一电极和背电极之间的电压差从第一数值增加到第二数值，或者将第一电极和背电极之间的电压差从第二数值减少到第一数值，同时保持背电极连接至地，并且保持第一电极与第二电极之间的偏压。

附图说明

本公开的观点从后续实施例以及附图可以更佳地理解。须知示意图为范例，并且不同特征并无示意于此。不同特征的尺寸可能任意增加或减少以清楚论述。

图1显示了根据本公开实施例的金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)的平面图。

图2显示了沿着图1所示的线段a-a’所截取的misim的剖面图。

图3a显示了根据本公开实施例的misim的第一电极和第二电极的结构的示意图。

图3b显示了根据本公开实施例的misim的第一电极和第二电极的结构的示意图。

图3c显示了根据本公开实施例的misim的第一电极和第二电极的结构的示意图。

图4a显示了根据本公开实施例的misim的示意图，其中相对电位被施加在第一电极i、第二电极r以及背电极b。

图4b显示了在将图4a所示的相对电位施加于misim的情况下的根据本公开实施例的misim的能带图。

图5a显示了通过根据本公开实施例的misim的背电极、第二电极及第一电极的电流ib、ir以及ii，因应于施加在第一电极i的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与背电极之间施加偏压vib。

图5b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vir)为0.6v。

图5c显示了根据本公开实施例的misim的能带图，其中电压vi(或偏压vir)为0.6v。

图6a显示了通过根据本公开实施例的misim的背电极、第二电极及第一电极的电流ib、ir以及ii，因应于施加在第一电极的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与背电极之间施加偏压vib。

图6b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vir)为1.1v。

图6c显示了根据本公开实施例的misim的能带图，其中电压vi(或偏压vir)为1.1v。

图7a显示了通过根据本公开实施例的misim的背电极、第二电极及第一电极的电流ib、ir以及ii，因应于施加在第一电极的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与背电极之间施加偏压vib。

图7b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vir)为2v。

图7c显示了根据本公开实施例的misim的能带图，其中电压vi(或偏压vir)为2v。

图8a显示了施加在根据本公开实施例的misim的第一电极、第二电极以及背电极的相对电位，以操作misim。

图8b显示了通过第一电极的电流ii与施加在第一电极的电压vi之间的关系，并且在第一电极与背电极之间施加偏压vib。

图8c显示了当施加-0.05v、0v、0.05v、0.1v、0.5v、1v或1.5的偏压vib时，操作在单一负微分电阻(ndr)模式的根据本公开实施例的misim。

图8d显示了通过第一电极的电流ii的谷值电流的对应谷值电压与施加在第一电极与背电极之间的偏压vib之间的关系，以及显示了通过第一电极的电流ii的峰值-谷值电流比(peak-to-valleycurrentratio，pvcr)与施加在第一电极与背电极之间的偏压vib之间的关系。

图9显示了根据本公开实施例的misim的示意图，其中相对电位被施加在第一电极、第二电极以及背电极，使得misim操作在双重负微分电阻(ndr)模式。

图10a显示了通过第一电极的电流ii，因应于施加在第一电极的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与第二电极之间施加固定的偏压vir。

图10b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vib)为-0.8v。

图11a显示了通过第一电极的电流ii，因应于施加在第一电极的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与第二电极之间施加固定的偏压vir。

图11b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vib)为0.2v。

图11c显示了根据本公开实施例的misim的能带图，其中电压vi(或偏压vib)为0.2v。

图12a显示了通过第一电极的电流ii，因应于施加在第一电极的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与第二电极之间施加固定的偏压vir。

图12b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vib)为0.9v。

图12c显示了根据本公开实施例的misim的能带图，其中电压vi(或偏压vib)为0.9v。

图13a显示了通过第一电极的电流ii，因应于施加在第一电极的从一个参考电压扫描至一个既定电压的电压vi，并且在第一电极与第二电极之间施加固定的偏压vir。

图13b显示了根据本公开实施例的misim的操作示例，其中电压vi(或偏压vib)为1.4v。

图13c显示了根据本公开实施例的misim的能带图，其中电压vi(或偏压vib)为1.4v。

图14a显示了通过第一电极的电流ii与施加在第一电极的电压vi之间的关系，并且在第一电极与第二电极之间施加偏压vir。

图14b显示了当施加1.3v、1.5v、1.7v或2v的偏压vir时，操作在双重负微分电阻(ndr)模式的根据本公开实施例的misim。

图14c显示了通过第一电极的电流ii的谷值电流的对应谷值电压与施加在第一电极与第二电极之间的偏压vir之间的关系，以及显示了通过第一电极的电流ii的峰值-谷值电流比(peak-to-valleycurrentratio，pvcr)与施加在第一电极与第二电极之间的偏压vir之间的关系。

图15a显示了根据本公开实施例的存储器单元的阵列，其中在每一个存储器单元中实施了misim。

图15b显示了实施在每一个存储器单元中的misim的操作模式。

图15c显示了每一个存储器单元的读取/写入原理。

图16a显示了根据本公开实施例的存储器单元的阵列，其中在每一个存储器单元中实施了操作在双重ndr模式的misim。

图16b显示了实施在每一个存储器单元中的misim的操作模式。

图16c显示了每一个存储器单元的操作原理。

图17a显示了根据本公开实施例的misim的等效连接的示意图。

图17b显示了包括根据本公开实施例的misim的电路图。

图17c显示了在图17b中所示的电路图的输入信号与输出信号之间的关系。

图18a显示了交叉耦合的存储器单元的示意图，其中在图17b所示的结构被实施在每一个存储器单元中。

图18b显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式。

图18c显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的状态。

图18d显示了适于代表数位(或二进位)数据“00”、01”、“10”以及“11”的交叉耦合的存储器单元的输入信号和数出信号的范围。

图19a显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有三个状态。

图19b显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有两个状态。

图19c显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有一个状态。

图20a显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有一个状态。

图20b显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有两个状态。

图20c显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有三个状态。

图20d显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有四个状态。

图21根据本公开实施例的misim的剖面图。

附图标记说明：

100～半导体层

110～绝缘层

i～第一电极

r～第二电极

b～背电极

a-a’～线段

s～距离

d～厚度

vi、vr、vb～电压

121～第一电极

141～第二电极

s11～距离

l11～长度

w11～宽度

122～第一电极

122a～内电极

122b～连接电极

122c～接触电极

142～第二电极

142a～外电极

142b～连接电极

142c～接触电极

s21～距离

s22～距离

l21～长度

w21～宽度

d21～宽度

d22～长度

d24～宽度

d25～长度

123～第一电极

123a～梳形元件

123a1～梳头部分

123a2～细长构件

123b～连接部分

123c～接触电极

143～第二电极

143a～梳形元件

143a1～梳头部分

143a2～细长构件

143b～连接部分

143c～接触电极

s31～距离

l31～长度

w31～宽度

d31～长度

d32～长度

d34～宽度

d35～宽度

vib、vrb～偏压

jinj～电子注入

ninv～反转电荷量

фs～能障高度

ib、ir、ii～电流

m1-m3～箭头

vpeak1、vpeak2～峰值

n1-n4～箭头

jv、jl～电流密度

bl～位元线

wl～字元线

tr～传输闸晶体管

u～偏压源

15～电阻

iq～定电流源

vin1、vin2～输入端

vout1、vout2～输出端

a1～第一放大器

a2～第二放大器

r～电阻

r1、r2～电阻

vib1、vib2～偏压

bl1、bl2～位元线

wl1、wl2～字元线

10～基板

cb～接触点

具体实施方式

本公开提供许多不同的实施例或范例以实施本公开的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。举例来说，若是本公开书叙述了一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与第二特征可能未直接接触的实施例。另外，以下公开书不同范例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。

此外，其与空间相关用词。例如“在……下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，是为了便于描述图示中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在附图中示出的方位外，这些空间相关用词意欲包含使用中或操作中的装置的不同方位。除此之外，设备可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，则在此使用的空间相关词也可依此相同解释。

在本公开中，在“约nm”中，其中“n”是数字而“m”是用来描述参数的单位，意味着参数是“精确的nm”或在考虑设计误差/余量、制造误差/余量、测量误差等的与“精确的nm”有偏差的参数。这种描述对于所属技术领域中技术人员来说是可识别的。

图1显示了根据本公开实施例的金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)的平面图。图2显示了沿着图1所示的线段a-a’所截取的misim的剖面图。

参照附图，根据本公开实施例的misim包括半导体层100、设置在半导体层100的上表面上的绝缘层110、设置在绝缘层110上的第一电极i、设置在绝缘层110上并且与第一电极i彼此间隔开的第二电极r以及设置在与半导体层100的上表面相反(opposite)的半导体层100的下表面上的背电极b。

根据一些实施例，半导体层100由(或大抵上)包括ii族、iii族、iv族、v族及/或vi族元素及/或上述的组合组成，例如择自硅、锗、硅锗、砷化镓、锑化铝、锑化铝铟、锑化铟、砷化铟、磷化铟、氮化镓或上述的组合。然而，本公开不限于此，并且可以使用任何合适半导体材料来制造半导体层100。

在一些实施例中，半导体层100由半导体基板、第一电极i和第二电极r以及设置在半导体基板的相反侧上的背电极b制成，如图1所示。

在其他实施例中，半导体层100是设置在基板上的半导体层，该基板由上述半导体材料的一者制成，或者由绝缘层制成。在这种情况下，背电极b被嵌在半导体层100和基板之间。这些特征将在稍后参照图21更详细地显示。

参照图1，根据一些实施例，半导体层100由具有约5×10¹⁴/cm³至约5×10¹⁷/cm³的掺杂浓度的n型掺杂物的n型半导体材料制成，或者由约5×10¹⁴/cm³至约5×10¹⁷/cm³的掺杂浓度的p型掺杂物的p型半导体材料制成。根据设计细节，掺杂浓度不限于此，并且可以调整至小于5×10¹⁴/cm³或大于5×10¹⁷/cm³。

根据一些实施例，第一电极i具有圆形形状，并且第二电极r具有围绕第一电极i，并且与第一电极i间隔距离s的环形形状，如图1所示。在一些实施例中，第一电极i具有约100nm至约400μm的直径，第一电极i与第二电极r之间的距离s为约5nm至约30μm，并且环形的第二电极r的内直径为约110nm至约460μm。在一些实施例中，第一电极i具有约200nm至约20μm的直径，第一电极i与第二电极r之间的距离s为约20nm至约1μm，并且环形的第二电极r的内直径为约400nm至约50μm。第一电极i的直径、距离s以及环形的第二电极r的内直径的尺寸不应限于此，并且可以根据设计细节进行修改。

在一些实施例中，第一电极i和第二电极r可以通过图案化形成在绝缘层110上的金属层来形成。在这种情况下，第一电极i和第二电极r由相同的导电材料形成。然而，本公开不限于此，并且根据设计细节，用于形成第一电极i和第二电极r的材料可以彼此不同。

在半导体层100是n型半导体层的情况下，第一电极i和第二电极r具有平带电压(flatbandvoltage)vfb>0，并且可以由金、银、铂、镍或上述合金中的一者制成。在半导体层100是p型半导体层的情况下，第一电极i和第二电极r具有平带电压vfb<0，并且可以由铝、铪、镁或上述合金中的一者制成。对于制造第一电极i和第二电极r的材料，可以使用任何其他导电材料，例如金属或金属合金，只要当半导体层100是n型半导体层时，第一电极i和第二电极r的平带电压vfb大于0，或者当半导体层100是p型半导体层时，第一电极i和第二电极r的平带电压vfb小于0。

背电极b可由任何合适导电材料制成，包括铝、金、钛、多晶硅、银、镍、铜或上述的混合物，但不限于此。

在一些实施例中，绝缘层110由任何绝缘材料制成，例如氧化物层或氮化物层。在一些实施例中，绝缘层由用来形成半导体层100的材料的氧化物层或氮化物层制成。当半导体层100由硅制成时，绝缘层100由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制成。然而，用于制造绝缘层110的材料不限于此。在一些实施例中，绝缘层110由高k介电材料制成，例如二氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio)、氮氧化铪硅(hfsion)、氧化铪钽(hftao)、氧化铪钛(hftio)，氧化铪锌(hfzro)、二氧化锌(zro2)、氧化铝(al2o3)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪-氧化铝(hfo2-al2o3)合金或上述的组合。

在一些实施例中，绝缘层110的厚度d为约1nm至约4nm，使得第一电极i与第二电极r之间的穿隧发生。然而，绝缘层110的厚度d可小于约1nm或大于约4nm，这取决于misim的尺寸(例如第一电极i的直径、距离s以及第二电极r的内直径)、用于形成半导体层100、绝缘层110、第一电极i以及第二电极r的材料、半导体层100的掺杂浓度及/或施加在端点(例如第一电极i、第二电极r以及背电极b)的工作电压。

尽管未显示，但在一些实施例中，misim还包括设置在第一电极i与第二电极r之间的另一绝缘层，以便填充第一电极i与第二电极r之间的空间。

如上面所述，第一电极i具有圆形形状，并且第二电极r具有围绕第一电极i，并且与第一电极i间隔距离s的环形形状。然而，第一电极i和第二电极r的结构不限于此。图3a至图3c显示了第一电极和第二电极的其他示例。

参照图3a，根据一些实施例，第一电极121和第二电极141各自具有矩形形状。在一些实施例中，第一电极121和第二电极141具有约20nm至约300μm的高度(或长度)l11，并且第一电极121和第二电极141具有约20nm至约300μm的宽度w11。在一些实施例中，第一电极121和第二电极141的侧边彼此平行，并且彼此间隔约5nm至约30μm的距离s11。在一些实施例中，第一电极121和第二电极141的高度(或长度)l11为约50nm至约20μm，第一电极121和第二电极141的宽度w11为约50nm至约20μm，并且第一电极121与第二电极141之间的距离s11为约20nm至约1μm。第一电极121的尺寸、距离s11以及第二电极141的尺寸不应限于此，并且可以根据设计细节进行修改。

参照图3b，根据一些实施例，第一电极122包括被第二电极142的外电极142a部分围绕的内电极122a。第一电极122还包括通过连接电极122b连接至内电极122a的接触电极122c，第二电极142还包括通过连接电极142b连接至外电极142a的接触电极142c。在一些实施例中，第一电极122和第二电极142的接触电极122c和142c具有矩形形状，其矩形形状具有约100μm至约400μm的长度l21，并且具有约100μm至约400μm的宽度w21。在一些实施例中，第一电极122和第二电极142的连接电极122b和142b具有约50nm至约50μm的宽度d24以及约1μm至约200μm的长度d22。在一些实施例中，部分地围绕第一电极122的内电极122a的第二电极142的外电极142a具有约1μm至约200μm的长度d25以及约200nm至约500μm的宽度d21。在一些实施例中，第二电极142的外电极142a的内边缘与第一电极122的内电极122a的边缘之间的距离s21为约5nm至约30μm，并且第二电极142的外电极142a与第一电极122的连接电极122b之间的距离s22为约5nm至约30μm。第一电极122的尺寸、距离s21和s22以及第二电极142的尺寸不应限于此，并且可以根据设计细节进行修改。

参照图3c，根据一些实施例，第一电极123和第二电极143构成梳形阵列。第一电极123和第二电极143可个别地包括梳形元件123a和梳形元件143a。在这些实施例中，梳形元件123a包括梳头部分123a1和从梳头部分123a1延伸的细长构件123a2。类似地，梳形元件143a包括梳头部分143a1和从梳头部分143a1延伸的细长构件143a2。在图3c所示的实施例中，细长构件123a2与细长构件143a2互相交错并且间隔。在一些实施例中，梳形阵列的每一个梳形元件123a或143a的长度d31为约200nm至约500μm。在一些实施例中，细长构件123a2/143a2的宽度d35为约50nm至约100μm。在一些实施例中，梳形阵列的相邻的细长构件123a2与143a2之间的距离s31为约5nm至约30μm。在一些实施例中，第一电极123和第二电极143个别地包括接触电极123c和143c，接触电极123c和143c具有约100μm至约400μm的长度l31，并且具有约100μm至约400μm的宽度w31。在一些实施例中，第一电极123和第二电极143更个别地包括连接部分123b和143b，连接部分123b和143b将个别的接触电极123c和143c连接至相应的梳头部分123a1和143a1，并且具有约1μm至约200μm的长度d32以及约50nm至约50μm宽度d34。在一些实施例中，梳形阵列的梳形结构对的数量(每一对包括一个细长构件123a2和彼此相邻的一个细长构件143a2)可以是10至10000或是10至100。第一电极143的尺寸、距离s31、第二电极143的尺寸以及梳形阵列的梳形结构对的数量不应限于此，并且可以根据设计细节进行修改。

然而，第一电极和第二电极的结构不限于参照图1至图3c的上述示例。在一些实施例中，通过一个既定距离彼此间隔开的任何两个电极可被实施为第一电极和第二电极。

在下文中，为了方便起见，下面将在图1和图2中所示的第一电极和第二电极的结构作为示例描述。所属技术领域技术人员应可理解第一电极和第二电极的上述其他示例可用于修改下面将描述的示例。

图4a显示了根据本公开实施例的misim的示意图，其中相对电位被施加在第一电极i、第二电极r以及背电极b。图4b显示了在将图4a所示的相对电位施加于misim的情况下的misim的能带图。

参照附图，当第二电极r连接至地，并且背电极b和第一电极i都连接至正电位，在第一电极i与背电极b之间具有固定的偏压vib，通过第一电极i的电流ii通过从misim的第二电极r所提供的横向少数载子确定。根据一些实施例，在半导体层100是p型半导体层的情况下，通过第二电极r所提供的作为横向少数载子的电子能阶(levelofelectron)可至少基于来自第二电极r的电子注入(jinj)、第二电极r下面的反转电荷(inversioncharge)量(ninv)以及反转电荷流向绝缘层110的能障高度фs来确定。

根据一些实施例，在施加在第一电极i、第二电极r以及背电极b的相对电位满足一既定关系的情况下，misim可作为具有单一峰值的负微分电阻(ndr)操作。为了方便起见，具有单一峰值的负微分电阻(ndr)的操作模式将被称为单一ndr模式。在下文中，根据本公开实施例的misim将作为示例描述，misim包括p型半导体层100及其具有满足vfb<0的平带电压vfb的第一电极i和第二电极r。

图5a显示了个别地通过背电极b、第二电极r以及第一电极i的电流ib、ir以及ii，因应于施加在第一电极i的从一个参考电压(例如0v)扫描(sweep)至一个既定电压(例如2.5v)的电压vi，并且在第一电极i与背电极b之间施加0.5v的偏压vib。为了方便起见，在图5a中加入箭头m1，以表示当电压vi从0v扫描至一个第一既定值(例如约0.9v)时，通过第一电极i的电流ii的第一趋势。图5b显示了电压vi(或偏压vir)为0.6v的一个示例，并且图5c显示了电压vi(或偏压vir)为0.6v的misim的能带图。

参照图5a，在电压vi从0v扫描至约0.9v的情况下，通过第一电极i的电流ii的绝对值增加，并且大抵等于通过第二电极r的电流ir的绝对值。因此，在电压vi从0v扫描至约0.9v的情况下，misim作为正微分电阻。参照图5c所示的能带图，在第二电极r下面的反转电荷(例如电子)流向第一电极i。

图6a显示了与图5a中所示相同的内容，除了在图6a中使用箭头m2表示当电压vi从第一既定电压(例如约0.9v)扫描至第二既定电压(例如约1.2v)时，通过第一电极i的电流ii的第二趋势。图6b显示了电压vi(或偏压vir)为1.1v的一个示例，并且图6c显示了电压vi(或偏压vir)为1.1v的misim的能带图。

参照图6b，在电压vi从约0.9v扫描至约1.2v的情况下，通过第二电极r的电流ir的绝对值大抵等于通过背电极b的电流ib的绝对值，并且通过第一电极i的电流ii的绝对值减少。因此，在电压vi从约0.9v扫描至约1.2v的情况下，misim作为负微分电阻。参照图6c所示的能带图，在第二电极r下面的相对高能量的反转电荷流向背电极b。由于横向反转电荷的电流密度jinv和能障高度фs相对较低，所以在第二电极r下面的反转电荷(ninv)主导了少数载子至第一电极i的供应。

图7a显示了与图5a中所示相同的内容，除了在图7a中使用箭头m3表示当电压vi从第二既定电压(例如约1.2v)扫描至第三既定电压(例如约2.5v)时，通过第一电极i的电流ii的第三趋势。图7b显示了电压vi(或偏压vir)为2v的一个示例，并且图7c显示了电压vi(或偏压vir)为2v的misim的能带图。

参照图7a，在电压vi从约1.2v扫描至约2.5v的情况下，通过第二电极r的电流ir的绝对值大抵等于通过背电极b的电流ib的绝对值，并且通过第一电极i的电流ii的绝对值增加。因此，在电压vi从约1.2v扫描至约2.5v的情况下，misim作为正微分电阻。参照图7c所示的能带图，相对较大的横向电子注入主导了少数载子从第二电极r至第一电极i的供应。

图8a显示了施加在根据本公开实施例的misim的第一电极i、第二电极r以及背电极b的相对电位。图8b显示了在第一电极i与背电极b之间施加0.5v的偏压vib的条件下，通过第一电极i的电流ii与施加在第一电极i的电压vi之间的关系。所属技术领域中技术人员应理解在图5a、图6a或图7a中所示的ii-vi曲线和在图8b中所示的ii-vi曲线彼此相同，除了在图8b中电压vi的上端是1.8v，而不是在图5a、图6a或图7a中的2.5v，并且在图8b中的电流ii是线性尺度(linearscale)，而不是在图5a、图6a或图7a中的对数尺度(logarithmicscale)。

参照图8b，因应于施加在第一电极i的电压vi从一个参考电压(例如0v)扫描至一个既定电压(例如1.8v)，通过第一电极i的电流ii具有一个峰值。在这方面，misim作为单一ndr操作，如在从参考电压(例如0v)至既定电压(例如2v)的整个扫描范围中，电流ii被提供作为根据本公开实施例的misim的输出信号，且在当电压vi为约0.9v时具有一个峰值。

施加在根据本公开实施例的misim的第一电极i、第二电极r以及背电极b的相对电位的配置不限于参照图5a至图8b所述的上面示例，使得根据本公开实施例的misim作为单一ndr操作。根据一些实施例，可以根据设计细节调整第一电极i与背电极b之间的偏压vib，从而调整通过第一电极i的电流ii的峰值和对应的电压vi。

举例来说，如图8c所示，通过施加-0.05v、0v、0.05v、0.1v、1v或1.5以及上述的0.5v的偏压vib，根据本公开实施例的misim可作为单一ndr操作。使用不同的偏压vib值，可以得到通过第一电极i并且对应不同电压vi的电流ii的不同峰值。根据一些实施例，可以通过选择对应的vib来选择图8c中所示的示例ii-vi曲线中的一者，使得misim根据设计细节基于所选择的ii-vi进行操作。所属技术领域技术人员应理解在图8c中所示的曲线仅是示例。在其他实施例中，可以使用任何其他偏压vib的值，即除了上述示例之外，但在下限(例如-0.05v)与上限(例如1.5v)之间的固定的值。

图8d显示了通过第一电极i的电流ii的谷值电流的对应谷值电压与施加在第一电极i与背电极b之间的偏压vib之间的关系，以及显示了通过第一电极i的电流ii的峰值-谷值电流比(peak-to-valleycurrentratio，pvcr)与施加在第一电极i与背电极b之间的偏压vib之间的关系。图8d中所示的谷值是在图8c中所示的多条曲线的谷值。所属技术领域技术人员应理解用于计算pvcr的峰值和谷值是从图8c中所示的多个曲线中所选择的相同曲线的值。在一些实施例中，通过第一电极i的电流ii的pvcr被调整大于10或甚至大于50。

如上面所述，根据本公开实施例的misim作为单一ndr装置操作，其因应于施加在端点(例如第一电极i、第二电极r以及背电极b)的上述相对电位。所属技术领域技术人员应理解施加在第一电极i和第二电极r的相对电位可以交换，并且在此情况下，通过第二电极r的电流ir变成misim的输出信号，类似于上述参照图4a至图8d所述的电流ii。

根据本公开实施例的misim的操作模式不限于上述的单一ndr模式。在一些实施例中，根据本公开实施例的misim操作在双重ndr模式。参照下面所述的图9至图13c，这些特征将更加明显。

图9显示了根据本公开实施例的misim的示意图，其中相对电位被施加在第一电极i、第二电极r以及背电极b，使得misim操作在双重ndr模式。

参照图9，在背电极b连接至地，并且在第一电极i与第二电极r之间以固定的偏压vir连接的情况下，当施加在第一电极i的电压vi(或施加在背电极b的电压vr)扫描时，通过第一电极i的电流ii具有两个峰值vpeak1和vpeak2，如后续图10a、图11a、图12a或图13a所示，

图10a显示了在第一电极i与第二电极r之间施加1.3v的固定的偏压vir的条件下，通过第一电极i的电流ii，因应于施加在第一电极i的从一个参考电压(例如-0.8v)扫描至一个既定电压(例如3v)的电压vi。为了方便起见，在图10a中加入箭头n1，以表示当电压vi从参考电压(例如-0.8v)扫描至第一既定值(例如0v)时，通过第一电极i的电流ii的第一趋势。图10b显示了电压vi(或偏压vib)为-0.8v的一个示例。

参照图10a，当施加电压vi在第一电极i(或施加偏压vib在第一电极i与背电极b之间)时，通过第一电极i的电流ii具有个别地为约0v和约1v的两个峰值vpeak1和vpeak2。

仍再参照图10a，在电压vi(或第一电极i与背电极b之间的偏压vib)从-0.9v扫描至约0v的情况下，通过第一电极i的电流ii的绝对值增加，并且从第一电极i至背电极b的电流密度jv的绝对值大于从第二电极r至第一电极i的电流密度jl的绝对值。也就是说，由于负的偏压vib，通过第一电极i的垂直电流大于其横向电流。因此，在电压vi从-0.9v扫描至约0v的情况下，misim作为正微分电阻。

图11a显示了与图10a中所示相同的内容，除了在图11a中使用箭头n2表示当电压vi从第一既定电压(例如约0v)扫描至第二既定电压(例如约0.5v)时，通过第一电极i的电流ii的第二趋势。图11b显示了电压vi(或偏压vib)为0.2v的一个示例，并且图11c显示了电压vi(或偏压vib)为1.1v的misim的能带图。

参照附图，在电压vi(或第一电极i与背电极b之间的偏压vib)从约0v扫描至约0.5v的情况下，来自第一电极i的垂直电流大抵被切断(cutoff)，并且通过第一电极i的电流和电流ii由横向电流主导。也就是说，来自第二电极r的电子注入主导了提供给第一电极i的横向电流。换言之，当电压vi(或偏压vib)从约0v增加至约0.5v时，电压vrb变得负更少(negativeless)并且电流ii减少。因此，通过第一电极i的电流ii减少，并且misim作为负微分电阻，如箭头n2所示。

图12a显示了与图10a中所示相同的内容，除了在图12a中使用箭头n3表示当电压vi(或偏压vib)从第二既定电压(例如约0.5v)扫描至第三既定电压(例如约1v)时，通过第一电极i的电流ii的第三趋势。图12b显示了电压vi(或偏压vib)为0.9v的一个示例，并且图12c显示了电压vi(或偏压vib)为0.9v的misim的能带图。

参照附图，在电压vi(或偏压vib)从约0.5v扫描至约1v的情况下，在第二电极r下面的反转电荷ninv增加，使得反转电荷ninv克服能障高度фs并且流向第一电极i。另一方面，来自第二电极r的电子注入相对较少。因此，当电压vi增加时，反转电荷ninv增加，使得穿过第一电极i的电流ii增加。因此，当电压vi(或偏压vib)从约0.5v增加到至约1v时，通过第一电极i的电流ii增加，并且misim作为正微分电阻，如箭头n3所示。

图13a显示了与图10a中所示相同的内容，除了在图13a中使用箭头n4表示当电压vi(或偏压vib)从第三既定电压(例如约1v)扫描至第四既定电压(例如约2v)时，通过第一电极i的电流ii的第四趋势。图13b显示了电压vi(或偏压vib)为1.4v的一个示例，并且图13c显示了电压vi(或偏压vib)为1.4v的misim的能带图。

参照附图，在电压vi(或偏压vib)从约1v扫描至约3v的情况下，由于能障高度фs相对大，第二电极r下面的反转电荷被阻挡流向第一电极i。因此，当电压vi(或偏压vib)从约1v增加到至约3v时，能障高度фs增加，并且电流ii减少。也就是说，通过第一电极i的电流ii增少，并且misim作为负微分电阻，如箭头n4所示。

图14a显示了通过第一电极i的电流ii与施加在第一电极i的电压vi(或施加在第一电极i与背电极b之间的偏压vib)之间的关系，并且在第一电极i与第二电极r之间施加1.3v的偏压vir。所属技术领域中技术人员应理解在图10a、图11a、图12a或图13a中所示的ii-vi曲线和在图14a中所示的ii-vi曲线彼此相同，除了在图14a中电压vi的下端是-0.6v，而不是在图10a、图11a、图12a或图13a中的-0.9v

参照图14a，因应于施加在第一电极i的电压vi从-0.6v扫描至3v，通过第一电极i的电流ii具有两个峰值。在这方面，misim作为双重ndr模式操作，如在从参考电压(例如-0.6v)至既定电压(例如3v)的整个扫描范围中，电流ii作为misim的输出信号，当电压vi为约0v时具有第一峰值，并且当电压vi为约1v时具有第二峰值。

施加在根据本公开实施例的misim的第一电极i、第二电极r以及背电极b的相对电位的配置不限于参照图10a至图14a所述的上面示例，使得根据本公开实施例的misim作为双重ndr模式操作。根据一些实施例，可以根据设计细节调整偏压vir，从而调整通过第一电极i的电流ii的峰值和对应的电压vi。

举例来说，如图14b所示，通过施加1.5v、1.7v、2v以及上述的1.3v的偏压vib，根据本公开实施例的misim可作为具有不同双峰的双重ndr操作。根据一些实施例，通过选择对应的vib来选择图14b中所示的示例ii-vi曲线中的一者，使得misim根据设计细节基于所选择的ii-vi进行操作。所属技术领域技术人员应理解在图14b中所示的曲线仅是示例。在其他实施例中，可以使用任何其他偏压vir的值，即除了上述示例之外，但在下限(例如1.5v)与上限(例如2v)之间的固定的值。

图14c显示了通过第一电极i的电流ii的谷值电流的对应谷值电压与施加在第一电极i与第二电极r之间的偏压vir之间的关系，以及显示了通过第一电极i的电流ii的峰值-谷值电流比(peak-to-valleycurrentratio，pvcr)与施加在第一电极i与与第二电极r之间的偏压vir之间的关系。图14c中所示的谷值是在图14b中所示的多条曲线的谷值。所属技术领域技术人员应理解用于计算pvcr的峰值和谷值是从图14b中所示的多个曲线中所选择的相同曲线的值。在一些实施例中，通过第一电极i的电流ii的pvcr被调整大于10。

如上面所述，根据本公开实施例的misim作为双重ndr装置操作，其因应于施加在端点(例如第一电极i、第二电极r以及背电极b)的上述相对电位。在一些实施例中，施加在第一电极i和第二电极r的相对电位可以交换，并且在此情况下，通过第二电极r的电流ir被提供作为misim的输出信号，类似于上述参照图9至图14c所述的电流ii。

图15a显示了根据本公开实施例的存储器单元的阵列，其中在每一个存储器单元中实施了misim。图15b显示了实施在每一个存储器单元中的misim的操作模式。图15c显示了每一个存储器单元的读取/写入原理。

参照图15a，根据一些实施例，每一个存储器单元包括misim、传输闸晶体管(pass-gatetransistor)tr以及电阻15。在每一个存储器单元中，misim的第二电极r连接至地、偏压源u在misim的第一电极i与背电极b之间提供固定的偏压vib、第一电极i和电阻15的一个端点连接至传输闸晶体管tr的漏极以及定电流源iq连接在电阻15的另一端点与地之间。在同一列(row)中的存储器单元的传输闸晶体管tr的栅极电极连接至相同的字元线wl，并且在同一行(column)中的存储器单元的传输闸晶体管tr的源极连接至相同的位元线bl。

在每一个存储器单元中实施的misim的连接与图8a中所示的方式相似。因此，根据一些实施例，misim可以操作在单一ndr模式，其中施加在第一电极i的二或多个电压vi的值对应于通过第一电极i的电流ii的一个值。

在图15b中所示的iq与在每一个存储器单元中的定电流源iq所提供的电流相同。相同的vib被用来得到在图15b中的ii-vi曲线，并且也被使用在图15a中的每一个存储器单元。因此，参照图15a至图15c，一旦定电流源iq被确定，位元线信号v0和v1(个别地指示数位(或二进位)“0”和数位(或二进位)“1”)就可以基于ii-vi曲线被确定。因此，因应于施加在字元线wl的信号vpass，通过位元线bl传输的数据信号(即v0或v1)可以在写入操作中被存储在对应的存储器单元，或者数据信号(通过存储在对应的存储器单元中的电压v0或v1表示)可以在读取操作中被传输至位元线bl。

根据一些实施例，本公开的misim，如果操作在双重ndr模式，则misim亦被实施为存储器单元。图16a显示了根据本公开实施例的存储器单元的阵列，其中在每一个存储器单元中实施了操作在双重ndr模式的misim。图16b显示了实施在每一个存储器单元中的misim的操作模式。图16c显示了每一个存储器单元的操作原理。

参照图16a，根据一些实施例，每一个存储器单元包括misim、传输闸晶体管tr以及电阻15。在每一个存储器单元中，misim的背电极b连接至地、偏压源u在misim的第一电极i与第二电极r之间提供固定的偏压vir、第一电极i和电阻15的一个端点连接至传输闸晶体管tr的漏极以及定电流源iq连接在电阻15的另一端点与地之间。在同一列中的存储器单元的传输闸晶体管tr的栅极电极连接至相同的字元线wl，并且在同一行中的存储器单元的传输闸晶体管tr的源极连接至相同的位元线bl。

在每一个存储器单元中实施的misim的连接与图9中所示的方式相似。因此，根据一些实施例，misim可以操作在双重ndr模式，其中施加在第一电极i的二或多个电压vi的值对应于通过第一电极i的电流ii的一个值。

在图16b中所示的iq与在16a图中每一个存储器单元中的定电流源iq所提供的电流相同。相同的vib被用来得到在图16b中的ii-vi曲线，并且也被使用在图16a中的每一个存储器单元。因此，参照图16a至图16c，一旦定电流源iq被确定，位元线信号v0和v1(个别地指示数位(或二进位)“0”和数位(或二进位)“1”)就可以基于ii-vi曲线被确定。因此，因应于施加在字元线wl的信号vpass，通过位元线bl传输的数据信号(即v0或v1)可以在写入操作中被存储在对应的存储器单元，或者数据信号(通过存储在对应的存储器单元中的电压v0或v1表示)可以在读取操作中被传输至位元线bl。

如上面所述，操作在单一ndr模式或双重ndr模式的misim可设置在存储器单元中，用以存储对应逻辑高的数位(或二进位)“1”或者对应了逻辑低的数位(或二进位)“0”的一个状态。本公开不限于此。在下面参照图17a至图20d所描述的一些实施例中，misim在存储器单元中被实施以存储一个或多个状态。

图17a显示了根据本公开实施例的misim的等效连接的示意图。图17b显示了包括根据本公开实施例的misim的电路图。图17c显示了在图17b中所示的电路图的输入信号与输出信号之间的关系。

参照在图17a的左侧上的misim的连接，第二电极r连接至地、偏压源u在第一电极i与背电极b之间提供固定的偏压vib以及输入的电压vin被施加在第一电极i。

参照在图17a的右侧上的misim的连接，固定的偏压vib被施加在第一电极i与背电极b之间，并且与参照在图17a的左侧中所示的施加在第二电极r的电压和施加在第一电极i的输入电压相比，施加在第二电极r的电压和施加在第一电极i的输入电压皆低于电压vin。由于在包括第一电极i，第二电极r和背电极b的misim的端点中所施加的相对电位，在图17a所示的两种配置中是相同的，因此其两种配置彼这些效。

参照图17b，在电路图中，misim的第二电极r连接至输入端vin1，并且misim的第一电极i连接至输出端vout1。在一些实施例中，通过第一放大器a1和串联的电阻r(电阻r具有与连接至第一放大器a1并且连接至输入端vin1与第二电极r之间的电阻相同的电阻值(例如：从1ω至100mω))，具有施加在输入端vin1的正电压的输入信号被转换成具有与正负电压相同的绝对值并且施加在第二电极r的负电压。在一些实施例中，通过第一电极i且作为第一电极i的输出的电流通过第二放大器a2和电阻r1被转换成具有在输出端vout1输出的电压格式的信号。因此，如图17c所示的输入信号和输出信号都具有电压格式。根据一些实施例，在电阻r1被选择以具有合适的电阻值的情况下，输出信号具有合适的振幅。举例来说，在misim具有如图8b所示的特性并且电阻r1等于20mω的情况下，输出信号的峰值为约2.4v，适合作为将被传输至在存储器装置中的位元线中的信号。所属技术领域技术人员应理解电阻r1具有20mω的电阻值仅为一示例，并且电阻r1的电阻值不限于此。在其他实施例中，可以根据misim的特性来调整电阻r1的电阻值，使得输出信号的合适范围可被获得。在一些实施例中，电阻r1的电阻值为1ω至100mω。

图18a显示了交叉耦合的存储器单元的示意图，其中在图17b所示的结构被实施在每一个存储器单元中。图18b显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式。图18c显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的状态。图18d显示了适于代表数位(或二进位)数据“00”、“01”、“10”以及“11”的交叉耦合的存储器单元的输入信号和数出信号的范围。

参照图18a，交叉耦合的存储器单元包括第一存储器单元1和第二存储器单元2。第二存储器单元2的输入端耦接至第一存储器单元1的输出端，并且第二存储器单元2的输出端耦接至第一存储器单元1的输入端。在一些实施例中，每一个第一存储器单元1和第二存储器单元2可以与在图17b中所示的结构相同，但是本公开不限于此。

仍再参照图18a，第一位元线bl1通过第一传输闸晶体管tr1连接至第一存储器单元1的输入端(或第二存储器单元2的输出端)，且第二位元线bl2通过第二传输闸晶体管tr2连接至第二存储器单元2的输入端(或第一存储器单元1的输出端)。第一字元线wl1连接至第一传输闸晶体管tr1的栅极，并且第二字元线wl2连接到第二传输闸晶体管tr2的栅极。

在每一个第一存储器单元1和第二存储器单元2与在图17b中所示的结构相同的情况下，每一个第一存储器单元1和第二存储器单元2的输入信号与输出信号之间的关是与在图17c中所示的关系相同。图18b显示了第一存储器单元1的输入信号vin1与输出信号vout1之间的关是，以及第二存储器单元2的输入信号vin2与输出信号vout2之间的关系。由于第一存储器单元1和第二存储器单元2交叉耦合，第一存储器单元1的输入信号vin1与第二存储器单元2的输出信号vout2相同，并且第一存储器单元1的输出信号vout1与第二存储器单元2的输入信号vin2相同，如图18b所示。由于misim操作在具有一个峰值的单一ndr模式，并且电阻r2被选择为足够大的值(例如20mω)，所以第一存储器单元1的输出信号vout1的峰值(或第二存储器单元2的输出信号vout2的峰值)大于对应的第一存储器单元1的输入信号vin1(或对应的第二存储器单元2的输入信号vin2的峰值)。因此，两条曲线vout1-vin1和vout2-vin2在四个点或更多点彼此交叉(由在图18b中的圆圈表示)。

根据一些实施例，基于在图18b中所示的两条曲线vout1-vin1和vout2-vin2彼此交叉的四个点，定义了存储在交叉耦合的第一存储器单元1和第二存储器单元2的数位(或二进位)数据“00”、“01”、“10”以及“11”，或定义了从第一存储器单元1和第二存储器单元2读取的数位(或二进位)数据“00”、“01”、“10”以及“11”，例如通过在图18c中的虚线所示的边界来定义。定义了数位(或二进位)数据“00”、“01”、“10”以及“11”的边界的位置不限于在图18c中所示的那些边界的位置，并且可以被修改，只要通过在图18c中的圆圈所表示的这四个点是位于由边界所定义的坐标系统的不同象限。

图18d显示了在每一个第一和第二存储器单元1和2的特性满足了在图18b中所示的关系的情况下，定义了在图18a中所示的交叉耦合的第一存储器单元1和第二存储器单元2的数位(或二进位)数据“00”、“01”、“10”以及“11”的示例。定义了数位(或二进位)数据“00”、“01”、“10”以及“11”的在图18d所示的输入信号或输出信号vin1、vout2、vin2以及vout2的范围仅为一个示例。本公开不限于此。

图19a显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有三个状态。图19b显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有两个状态。图19c显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有一个状态。

根据一些实施例，通过选择在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的电阻r1和电阻r2的合适电阻值，在电阻r1为20mω并且电阻r2为20mω的情况下，交叉耦合的存储器单元的两条曲线(vout1-vin1和vout2-vin2)具有如在图18b中所示的四个状态(由圆圈表示)。

根据一些实施例，通过选择在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的电阻r1和电阻r2的合适电阻值，在电阻r1为20mω并且电阻r2为10mω的情况下(反之亦然)，交叉耦合的存储器单元的两条曲线(vout1-vin1和vout2-vin2)具有如在图19a中所示的三个状态(由圆圈表示)。

根据一些实施例，通过选择在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的电阻r1和电阻r2的合适电阻值，在电阻r1为20mω并且电阻r2为4mω的情况下(反之亦然)，交叉耦合的存储器单元的两条曲线(vout1-vin1和vout2-vin2)具有如在图19b中所示的两个状态(由圆圈表示)。

根据一些实施例，通过选择在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的电阻r1和电阻r2的合适电阻值，在电阻r1为10mω并且电阻r2为5mω的情况下(反之亦然)，交叉耦合的存储器单元的两条曲线(vout1-vin1和vout2-vin2)具有如在图19c中所示的一个状态(由圆圈表示)。

也就是说，根据电阻r1和电阻r2的合适电阻值，在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元可被实施来存储一至四个状态的中的一者。上述电阻r1和电阻r2的电阻值仅是示例，并且本公开不限于此。

在参照图18b至图19c以得到在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的上述描述中，施加在每一个存储器单元中的偏压vib被固定地保持在0.5v，并且根据设计细节调整电阻r1和电阻r2的电阻值。然而，本公开不限于此。在一些实施例中，电阻r1的电阻值和电阻r2的电阻值为从1mω至100mω。

根据其他实施例，通过选择合适的偏压vib，同时保持电阻r1和电阻r2的固定的电阻值，可以实现在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元多个状态。图20a显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有一个状态。图20b显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有两个状态。图20c显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有三个状态。图20d显示了在图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的操作模式，其中交叉耦合的存储器单元具有四个状态。

参照图20a至图20c，每一个电阻r1和电阻r2的电阻值固定地为20mω，并且另一方面，通过偏压源u1所产生并且施加在图18a中的第一存储器单元1的第一电极i与背电极b之间的偏压vib1与通过偏压源u2所产生并且施加在图18a中的第二存储器单元2的第一电极i与背电极b之间的偏压vib2被相应地调整。举例来说，在偏压vib1为0v并且偏压vib2为1.5v的情况下，交叉耦合的存储器单元具有一个状态(由圆圈表示)，如图20a所示。举例来说，在偏压vib1为0.5v并且偏压vib2为1.5v的情况下，交叉耦合的存储器单元具有两个状态(由圆圈表示)，如图20b所示。举例来说，在偏压vib1为0.1v并且偏压vib2为0.1v的情况下，交叉耦合的存储器单元具有三个状态(由圆圈表示)，如图20c所示。举例来说，在偏压vib1为v并且偏压vib2为v的情况下，交叉耦合的存储器单元具有四个状态(由圆圈表示)，如图20d所示。上述得到图18a中所示的交叉耦合的存储器单元的多个状态的电阻r1和电阻r2的电阻值，以及偏压vib1和偏压vib2的值仅是示例，并且本公开不限于此。

尽管如上所述，施加在第一电极i与第二电极r之间或者施加在第一电极i与背电极b之间的扫描电压从参考电压逐渐增加至既定电压。然而，本公开不限于此。根据一些实施例，施加在第一电极i与第二电极r之间或者施加在第一电极i与背电极b之间的扫描电压从既定电压逐渐减小至参考电压。

图21显示了根据本公开实施例的金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)的剖面图。参照图21，misim形成在基板10上，其中基板10可以是半导体基板、绝缘基板或任何和示基板。根据本公开实施例的misim包括设置在基板10上的背电极b、设置在背电极b上的半导体层100、设置在半导体层100上的绝缘层110、设置在绝缘层110上并且彼此间隔开的第一电极i和第二电极r以及电性连接至背电极b并且形成在移除了半导体层100和绝缘层110的区域中的接触点cb(通过导电材料制成)。除了在图21中所示的misim包括了基板10和接触点cb之外，在图21中所示的misim的结构与在图1和图2中所示的结构大抵相同。用于形成在图21中所示的misim的各种层的材料可以参照上面所描述的那些材料，因此将省略其描述以避免冗余。

根据一些实施例，misim装置的ndr特性可以通过同时地扫描misim装置的三个端点中的两个端点之间的电压，并且同时保持misim装置备的三个端点中的另外两个端点之间的偏压来获得。因此，misim装置的输出(即通过misim设备的三个端点中的一个端点的电流)可以通过从misim装置的三个端点中的另一个端点所提供的横向少数载子控制，使得电流可以通过萧特基能障(schottkybarrier)高度指数地放大。在一些实施例中，少数载子通过电子注入、反转电荷以及对于从misim装置的三个端点中的一个端点流出的电子的能障的竞争来确定，从而增加设计自由度以基于扫描电压和偏压控制输出电流。

根据一些实施例，通过改变misim装置的控制电路，但不改变misim装置的结构，misim装置操作在单一ndr模式或双重ndr模式。

根据一些实施例，misim器件包括三个端点、一个半导体层以及一个绝缘层。如此一来，制造misim的制程是cmos可兼容的，举例来说，misim装置允许为通过cmos制程所制造的存储器装置。

在一个实施例中，金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)装置包括半导体层、设置在半导体层的上表面上的绝缘层、设置在半导体层的与上表面相反的下表面上的背电极以及设置在绝缘层上并且彼此间隔开的第一电极和第二电极。在一个实施例中，第一电极具有圆形形状，并且第二电极具有围绕第一电极的环形形状。在一个实施例中，第一电极和第二电极个别地具有彼此面对的第一侧和第二侧，第一侧和第二侧彼此平行。在一个实施例中，第一电极包括第一接触电极、内电极以及将第一接触电极和内电极彼此连接的第一连接电极，并且第二电极包括第二接触电极、部分地围绕第一电极的内电极的外电极以及将第二接触电极和外电极彼此连接的第二连接电极。在一个实施例中，第一电极包括第一接触电极、第一耦合电极以及将第一接触电极和第一耦合电极彼此连接的第一连接电极，第二电极包括第二接触电极、第二耦合电极以及将第二接触电极和第二耦合电极彼此连接的第二连接电极，以及第一耦合电极和第二耦合电极包括梳形阵列。在一个实施例中，绝缘层的厚度为1纳米至4纳米。在一个实施例中，半导体层是n型半导体，并且第一电极和第二电极由平带电压vfb大于0的材料制成。在一个实施例中，n型半导体具有5×10¹⁴/cm³至5×10¹⁷/cm³的掺杂浓度。在一个实施例中，半导体层是p型半导体，并且第一电极和第二电极由平带电压vfb小于0的材料制成。在一个实施例中，p型半导体具有5×10¹⁴/cm³至5×10¹⁷/cm³的掺杂浓度。在一个实施例中，misim装置还包括基板，并且背电极被设置在半导体层与基板之间。在一个实施例中，存储器装置包括耦接至多个字元线和多个位元线的多个存储器单元。每一个存储器单元包括misim装置、电阻以及传输闸晶体管，传输闸晶体管的栅极电极连接至多个字元线的其中一个字元线，并且传输闸晶体管的源极连接至多个位元线的其中一个位元线。在每一个存储器单元中，misim装置的第二电极连接至地，偏压源在misim装置的第一电极与背电极之间提供偏压，misim装置的第一电极和电阻的一个端点连接至传输闸晶体管的漏极，并且定电流源将电阻的另一个端点连接至地。在一个实施例中，存储器装置包括耦接至多个字元线和多个位元线的多个存储器单元。每一个存储器单元包括misim装置、电阻以及传输闸晶体管，传输闸晶体管的栅极电极连接至多个字元线的其中一个字元线，并且传输闸晶体管的源极连接至多个位元线的其中一个位元线。在每一个存储器单元中，misim装置的背电极连接至地，偏压源在半导体装置的第一电极与第二电极之间提供偏压，半导体装置的第一电极和电阻的一个端点连接至传输闸晶体管的漏极，并且定电流源将电阻的另一个端点连接至地。在一个实施例中，存储器装置包括彼此交叉耦合的第一存储器单元和第二存储器单元。第一存储器单元和第二存储器单元各自包括misim装置，第一存储器单元和第二存储器单元的misim装置的背电极连接至地，第一存储器单元的misim装置的第二电极和第二存储器单元的misim装置的第一电极彼此耦接，并且通过第一传输闸晶体管连接至第一位元线，第一存储器单元的misim装置的第一电极和第二存储器单元的misim装置的第二电极彼此耦接，并且通过第二传输闸晶体管连接至第二位元线，并且第一传输闸晶体管和第二传输闸晶体管的栅极电极个别地连接至第一字元线和第二字元线。

在一个实施例中，提供了一种金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)装置的操作方法，其中misim装置包括半导体层、设置在半导体层的上表面上的绝缘层、设置在半导体层的与上表面相反的下表面上的背电极以及设置在绝缘层上并且彼起间隔开的第一电极和第二电极，misim装置的操作方法包括：将第一电极和第二电极之间的电压差从第一数值增加到第二数值，或者将第一电极和第二电极之间的电压差从第二数值减少到第一数值，同时保持第二电极连接至地，并且保持第一电极与背电极之间的偏压。在一个实施例中，偏压是固定的。在一个实施例中，当将第一电极和第二电极之间的电压差从第一数值增加到第二数值，或者将第一电极和第二电极之间的电压差从第二数值减少到第一数值时，通过misim装置的第一电极的电流具有一个峰值。

在一个实施例中，提供了一种金属-绝缘体-半导体-绝缘体-金属(misim)装置的操作方法，其中misim装置包括半导体层、设置在半导体层的上表面上的绝缘层、设置在半导体层的与上表面相反的下表面上的背电极以及设置在绝缘层上并且彼起间隔开的第一电极和第二电极，misim装置的操作方法包括：将第一电极和背电极之间的电压差从第一数值增加到第二数值，或者将第一电极和背电极之间的电压差从第二数值减少到第一数值，同时保持背电极连接至地，并且保持第一电极与第二电极之间的偏压。在一个实施例中，偏压是固定的。在一个实施例中，当将第一电极和背电极之间的电压差从第一数值增加到第二数值，或者将第一电极和背电极之间的电压差从第二数值减少到第一数值时，通过misim装置的第一电极的电流具有两个峰值。

以上所描述的术语“实施例”或“多个实施例”不是指相同的实施例，或者是相同的实施例，并且被提供用于强调与其他实施例或多个实施例不同的特定特征或特性。所属技术领域中技术人员应理解上述的“实施例”或“多个实施例”可被认为能够通过彼此的全部或部分组合来实现，除非提供了相反或矛盾的描述。

前述内文概述了许多实施例的特征，使本技术领域中技术人员可以从各个方面更佳地了解本公开。本技术领域中技术人员应可理解，且可轻易地以本公开为基础来设计或修饰其他制程及结构，并以此达到相同的目的及/或达到与在此介绍的实施例等相同的优点。本技术领域中技术人员也应了解这些相等的结构并未背离本公开的发明构思与范围。在不背离本公开的发明构思与范围的前提下，可对本公开进行各种改变、置换或修改。