人工突触和仿生感觉神经系统的发展与应用

芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000311月22芯片评论BIOCHIPSDOI：10.1016/j.chip.2022.100031新型突触器件及其在仿生感觉神经系统中的孙一奇1，李杰安1，李胜1，2，刘伟，蒋永昌1，万恩泽3，张嘉涵1，石毅1，潘丽佳1，李伟1南京大学电子科学与工程学院，南京210093 2常州大学微电子与控制工程学院，常州213164 3澳门科技大学计算机科学与工程学院电子邮件：sli@cczu.edu.cn（Sheng Li），ljpan@nju.edu.cn（Lijia Pan）Cite as：Sun，Y.等先进的突触装置及其在仿生感觉神经系统中的应用。芯片2，100031（2023）。https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100031收到日期：2022年接受日期：2022年在线发布：2022年11月9日人类神经系统由神经元和突触网络组成，具有可塑性、数据并行性、容错性和能量高效性等特点。受到这种神奇的生物数据处理系统的巧妙工作机制的启发，近几十年来，科学家们一直致力于基于突触装置的人工神经系统的研究。近年来，仿生传感器和突触装置的不断发展，使得人工感觉神经系统能够实时捕获和处理刺激信息成为可能仿生感觉神经系统的发展可以为下一代仿人机器人、人机接口和其他前沿应用提供新的方法。本文综述了近年来突触器件和仿生感觉神经系统的研究进展。最后，展望了仿生感觉神经系统的发展前景和面临的挑战。关键词：人工突触，仿生感觉神经系统，记忆电阻器，突触晶体管1. 介绍顾名思义，类人机器人有望模仿人类的结构和行为。它们可以在各种情况下充当人类的有力助手，在医疗、教育、服务等领域具有广阔的应用二、与在固定环境中工作并执行重复任务的传统工业机器人相比，类人机器人旨在面对多变的环境并完成各种任务3，4。在这个过程中，捕捉多模态特征周围环境的信息以及将收集的数据转换成解释的信息是关键的感知功能5。随着数据量的日益增长，电子系统的数据处理性能面临着巨大的挑战。目前，感测数据处理主要基于传统的冯·诺依曼架构，其中存储单元和处理单元是分离的，导致两个单元6、7之间频繁的数据传输。因此，计算性能受到传输和存储速度的严重限制，因为随着技术8-10的升级，计算速度已经远远快于存储速度。此外，持续的数据传输也导致了对能源消耗的巨大需求。此外，冯·诺依曼架构在执行结构化和预先指定的任务方面是胜任的，然而，它几乎不能处理不确定性、不断变化和实时问题8，11。因此，在感知数据爆炸式增长、工作场景复杂为了克服这些困境，一个新的体系结构的数据处理，ING是非常需要的。生物神经系统提出了一种独特的计算范式，通过由数十亿个神经元和突触组成的互连网络来处理数据。神经元是负责信息处理的特殊细胞。突触允许神经元之间通过电脉冲进行通信，并且以连接权重13、14的形式执行存储功能。这种结构允许神经系统同时实现存储和计算，这有效地避免了由冯·诺依曼架构中的数据传输引起的效率限制9，13，15。同时，突触仅消耗非常少的能量（每个突触事件10 fJ），并且整个人脑仅消耗约20 W的能量，这比数字计算机16、17消耗的能量低得多。此外，生物神经系统可以自然地编码时间信息，这对于自适应和学习的实现至关重要这种并行分布式信息处理范例使大脑能够以稳健、节能和自适应的方式工作，从而支持创造14、18的思考、学习、情感和其他复杂行为的实现。近年来，神经形态系统的硬件实现越来越受到人们的关注为了实现基于硬件的神经形态系统，突触的实现被考虑一个先决条件。从历史上看，互补金属氧化物半导体审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000312月22日图1|突触器件的优势及其在仿生感觉神经系统中的应用。转载请注明出处。十七万六千二百一十三二十三万三千二百三十四。© 2018 Wiley-VCH.© 2018自然出版集团。© 2020Elsevier B.V. © 2019英国皇家化学学会。（CMOS）技术被用于模拟突触行为，但是复杂的电路设计阻碍了尺寸的减小并且导致高能耗19-22。为了克服这一技术问题，出现了双端晶闸管和三端突触晶体管。通常，这些突触装置的电导可以通过外部刺激来调谐，类似于生物神经系统23、24中突触的变化的连接权重。这些突触器件表现出低能耗和鲁棒的性能，并且在诸如数据存储25、26、类脑计算27-29等应用中被广泛研究。最近，基于先进传感技术和突触器件的结合的仿生传感系统也成为热点问题，吸引了越来越多学者的关注通过模仿生物感觉器官的神经生物学结构，它们提供了一种神经形态的方式来感知、传输和处理感觉信息，这有助于促进下一代类人机器人、假肢、可穿戴电子产品等的显著发展。图1显示了突触装置的优点及其在仿生感觉神经系统中的应用的框架。本文综述了突触装置的发展和仿生感觉神经系统的最新研究进展。首先简要介绍了生物突触和突触可塑性。然后，对突触器件的研究进展进行了综述，包括忆阻器和突触晶体管。最后，介绍了基于突触器件的仿生感觉神经系统在触觉和视觉感觉系统中的应用。最后，对仿生感觉神经系统的研究现状和发展趋势进行了展望。2. 生物突触与突触可塑性人脑通过神经元和突触18的密集互连网络以高度并行和高效的方式操作。人脑中大约有1012个神经元和1015个突触，每个神经元通过突触30与103神经元由胞体、树突和轴突组成。树突是从神经元（胞体）的细胞体延伸的短而分支的突起，负责接收来自其他神经元的信号。轴突是一种细长的纤维，将细胞体产生的信号传递给其他神经元或效应器（如腺体或肌肉细胞）。在两个神经元之间，一个名为突触的专门区域允许一个神经元（称为突触前神经元）将电信号或化学信号传递给另一个神经元（称为突触后神经元）31，32。与无脊椎动物相比，大多数脊椎动物更能适应环境。一个主要的区别在于突触的结构。电突触通常在无脊椎动物中发现，其中电信号通过间隙连接和低阻抗桥33中的离子迁移快速传输。然而，在脊椎动物中，突触通过释放和接收称为神经递质的化学物质以不同的方式传递神经冲动（图11）。 2）。突触前神经元的动作电位膜引起Ca2+通道开放，离子内流刺激突触囊泡释放神经递质神经递质差异融合穿过20-40 nm的突触间隙，并结合到突触后膜上的特定受体。这些受体控制突触后膜上的离子通道打开（或关闭），从而改变突触后神经元的跨膜电位33-35。审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000313月22日图2|生物神经元（左）和突触（右）。转载请注明出处。33号。© 2014Nature Publishing Group.虽然化学突触的信号传递速率较慢，但通过神经递质及其受体的附加调制显著地丰富了神经系统的复杂性和适应性。在这个过程中，突触前和突触后神经元之间的信息传递效率是由突触权重来量化的。突触权重变化可以是正的或负的（称为增强和抑制36），这取决于受体的类型和突触两侧的最近活动历史37、38。突触权重变化可以持续数秒到数月，因此被描述为突触可塑性，并被认为是信息处理、学习和记忆的关键机制39。研究者通常用保留时间和突触重量调制来表征突触活动突触可塑性按其保留时间可分为短时程可塑性（STP）和长时程可塑性（LTP）。STP，包括短期增强和短期抑制。一般来说，STP在衰减到其初始状态40之前持续数毫秒到数分钟。STP被广泛认为在信息处理中起重要作用，并且有助于神经回路中丰富的基本计算功能37、41。双脉易化（PPF）和双脉抑制（PPD）是STP的两种典型效应。PPF描述的是当突触前神经元快速连续产生两个动作电位时，第二个兴奋性突触后电流（EPSC）的幅值往往大于第一个动作电位PPD是指在成对脉冲作用下，抑制性突触后电流（IPSC）的幅度施加重复的刺激导致突触连接结构的变化，因此STP可以转化为LTP42。LTP通常持续数小时或更长时间，它负责人脑的学习和记忆43-45。它也可以分为长期电位和抑郁症。1949年，Donald Hebb提出了一个学习规则，即如果突触继续导致其突触后神经元产生动作电位，则突触权重增加46。作为它的延伸，尖峰时间依赖可塑性（STDP）根据突触前和突触后动作电位之间的时间来改变突触权重47，48。在典型的STDP模型中，突触前尖峰在突触后尖峰之前几毫秒发生，这增加了突触-突触-突触后尖峰。抽搐重量。 相反，突触后锋电位的出现比突触前锋电位早几毫秒，这削弱了突触权重。两个尖峰之间经过的时间越短，突触权重的变化越大。尖峰频率依赖性可塑性（SRDP）是LTP的另一个基本学习规则，它通过突触前放电频率来改变突触权重突触前尖峰的高频（203. Synaptic器械作为构建人工神经形态系统的第一步，突触设备在多状态存储器、存储器内计算和非易失性特性方面模仿生物突触50。2008年，惠普公司提出了具有可调电阻和时间相关记忆特性的二氧化钛薄膜。它被认为是通过单个电子部件51实现的第一个突触装置。从那时起，越来越多的人致力于制造具有不同结构和工作机制的突触器件。目前，人工突触按其结构主要分为两类：两端忆阻器和三端突触跨阻器。3.1. 双端忆阻器双端器件在结构上类似于生物突触，因此自早期研究以来已被广泛研究52。Leon Chua首先提出了忆阻器的概念，忆阻器是一种基于电阻切换的双端子非易失性存储器电部件，而不管器件材料和物理操作机制53、54。在大多数情况下，忆阻器由顶部电极、底部电极和夹在它们之间的绝缘层55组成。顶部电极起到突触前神经元的作用，并且所施加的电压脉冲被认为是动作电位。同时，底部电极被认为是突触后神经元。在施加的电压脉冲下，绝缘层在低电阻状态（LRS）和高电阻状态（HRS）之间切换，模仿突触权重56、57的更新。电阻从HRS到LRS的转换过程称为SET，电阻从HRS到LRS的转换过程称为SET。其电阻转换机制主要包括电化学金属化机制（ECM）、价态变化机制（VCM）、质子迁移机制、相变机制（PCM）和铁电隧道结（FTJ）。表1总结了双端忆阻器的最新进展和3.1.1. 电化学金属化机制典型的基于ECM的忆阻器由由电化学活性金属（例如，Ag58-60和Cu61-63）、绝缘层和由电化学惰性材料（例如，Au64-66和ITO67-69）。其结果是通过在开关层中形成金属丝来实现电阻开关。在施加到阳极的正偏置电压然后它们被电子还原成原子，形成金属导电丝，实现从HRS到LRS70的切换。在负偏压下，金属丝断裂，器件切换回HRS。无机材料（氧化物71-73，二维材料63、66、74、75，钙钛矿76-78等）并且有机材料64、68、69作为开关层广泛地涉及基于ECM的器件目前，开发基于ECM的忆阻器的关键挑战是精确控制细丝生长，以便实现稳定和连续的开关21，79。Yan等 提出了一种Ag/ZrO 2/WS 2/Pt结构的忆阻器。 3a）72.审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000314月22日∼图3|基于ECM、VCM和质子迁移机制的忆阻器。a，Ag/ZrO 2/WS 2/Pt忆阻器的示意图。b，Ag/ZrO2/WS2/Pt忆阻器的SET和SET过程的示意图。第72章经过许可的转载72.© 2019美国化学学会。c，基于柔性pV3D3忆阻器的电子突触阵列的示意图d，具有细细丝的柔性pV3D3忆阻器的模拟微扰行为e，具有细灯丝的柔性pV3 D3忆阻器的电位抑制特性80转载许可证参考。80岁。© 2019美国化学学会。f，Pd/WOx/W器件的直流特性。插图：典型器件的扫描电子显微镜图像。比例尺：20 µm。g，内部VO动力学的示意图，显示：（1）电场驱动的VO漂移和（2）自发扩散。h、设备实现的STDP。转载请注明出处。第八十六章。©2019 Wiley-VCH. i，基于C3N/PVPy的忆阻器的示意图。j，C3N片的分子结构（顶部）和忆阻器的横截面SEM图像（底部）。k，作为脉冲间隔的函数的PPF指数。转载请注明出处。第九十一章。联系我们_Elsevier B.V.由于离子迁移特性的不同，在第一次施加正电压时，形成了沙漏形的Ag细丝，并且最弱的位置是双层界面。之后，施加复位/置位电压将导致断裂/形成在双层界面的细丝（图3b）。因此，Ag细丝断裂/形成被缩短和限制，大大降低了随机性。该器件具有高速开关（10 ns）和耐久性（>109次循环），优于单层ZrO2或WS2。Jang等人发现，通过简单地减小Cu细丝的横向尺寸，他们的聚（1，3，5-三乙烯基-1，3，5-三甲基环三硅氧烷）（pV 3D3）基忆阻器从突变模式转换为渐变模式（图3c、d）80。用具有原子级细细丝的基于pV3D3的忆阻器成功地实现了增强和抑制特性、PPF和STDP（图3e）。Xu等人展示了使用从天然橙皮中提取的生物相容性果胶作为切换层67的柔性多级忆阻器。果胶使Ag离子能够快速迁移，Ag/果胶/ITO器件具有工作电压低、开关速度快、保持时间长（>104 s）等优良特性。此外，该装置可以快速溶解在去离子水中，审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000315月22日瞬态特性这样的瞬态电子设备潜在地适合于包括生物相容性电子设备、绿色电子设备和安全数据存储器81的若干应用。3.1.2. 氯乙烯单体的电阻转换也依赖于电化学反应和离子迁移.与ECM不同，它主要是由开关层中空位在外加电压下的重新分布驱动的。因此，在基于VCM的忆阻器中不需要电化学活性电极。氧化物通常用作VCM忆阻器82-85的开关层。理解离子动力学的不同时间尺度有助于在基于氧化物的忆阻器中实现突触功能。Du等表明氧空位的迁移由两个动力学驱动：电场驱动的漂移过程和扩散过程（图3f，g）86。利用动力学的不同时间尺度，通过它们的Pd/WOx/W忆阻器实现不同时间尺度的不同突触功能，诸如PPF和STDP（图3h）。Wang等人设计了具有由石墨烯/MoS2-xOx/石墨烯87组成的范德华异质结构的忆阻器。该器件能够在高达340 °C的高工作温度下工作，并在聚酰亚胺基板上表现出良好的耐受性，可承受超过1000次弯曲循环除了氧化物外，硫化物也被用作VCM基忆阻器的开关层. Yan等人展示了基于具有2H相位88的二维（2D）WS2的高性能和低功耗忆阻器。该器件的SET/SET能量消耗达到了毫微微焦耳的水平。该装置模拟了PPF和STDP等突触行为。3.1.3. 质子迁移机制在质子忆阻器中，质子传导材料被用作开关层。在施加电压的作用下，质子将沿电场的方向移动，这类似于生物系统89、90中的质子传导现象。通过调节质子通量，可以获得连续的电阻状态。全氟磺酸是一种质子导体，被广泛用作燃料电池质子交换膜。Zhang等人提出了具有Au/Nafion/ITO结构的忆阻器21。忆阻器表现出几种突触行为，包括PPF，PPD和STDP。Zhou等人展示了基于2DC3 N/聚乙烯吡咯烷酮（PVPy）的具有可调突触行为的忆阻器（图3i，j）91。C3N与PVPy之间的氢键网络以及C3N中大量有序的氮原子导致了高的质子导电性。显示了包括EPSC、PPF、PPD和STDP的基本突触行为（图1）。 3 k）。3.1.4. 相 变 机 制 基 于 PCM 的 器 件 利 用 非 晶 态 （ HRS ） 和 晶 态（LRS）之间的可逆相变来实现电阻切换。所施加的电压脉冲通过焦耳加热产生热，并引起相变层92、93的相变。特别地，可以通过施加具有设计的幅度和持续时间的电压脉冲来调制电阻，从而在HRS和LRS94之间产生多个状态。这种宽的可编程电阻状态范围允许基于PCM的设备充当电子突触。此外，基于PCM的设备还显示出运行速度快和可扩展性好的优点。Kuzum等人在2011年通过应用多脉冲方案开创了一种制造基于PCM的突触的常用方法96。在他们的策略中，突触前是由幅度递增的抑制脉冲和幅度递减的增强脉冲突触后脉冲是具有负幅度的单个脉冲他们通过调节设计良好的突触前和突触后尖峰之间的时间间隔成功地表1|忆阻器突触元件之最新研究进展。结构Ag/ZrO2/WS2/PtCu/MoS2/AuAg/WSe2/AgW/MgO/ZnO/MoPt/Ta2 O5/HfO2/TiNITO/BN/TaNAu/C3N/PVPy/ITOAl/TiN/OTSTa/WITO/Lignin/AuAg/BTO/NSTObAu/HZO/p+-Si机制ECMECMVCMVCMVCMVCM质子迁移机制PCMFTJaO-Ti 0.4 Sb 2 Te 3.bNb：SrTiO3。开/关比置位/复位电压保留时间突触功能PPF，STDPSTDPSTP到LTP过渡LTP、STDPPPF，LTP，STDPPPF、PPD、SRDP线性电阻变化SRDP、STP到LTP转换STDP应用手写识别--安全数据存储模式识别非易失性逻辑电路---监督学习-Ref72637545158235912362371041054× 104 s∼1061.8×103 s0.16 V/−0.06V∼100.25 V/−0.15V3.6×104 s1.6 ×10310个4秒8000 s>105 s--50年代10个4秒7200年4 V/−3.5V7.6级1.32 V/−1.32V10.7米1.0 V/1.1V98.5元0.81 V/−0.79V5 V/−5V-∼1001.15-- 两百150.7 V/−0.7V3 V/−3.4V100 V/100 V−2V审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000316月22日图4|基于PCM和FTJ的忆阻器。a，具有窄加热器底部电极的基于PCM的装置的示意图。b，用相同的脉冲实现的长时程增强和抑制第98章经过许可的转载98岁。© 2018 Wiley-VCH.c，HZO装置的长时程增强和抑制行为d、由HZO装置实现的STDP即正负脉冲的PPF比值第106章经过许可的转载一百零六© 2018 Wiley-VCH.f，由基于有机FTJ的忆阻器实现的STDPg，20 ns电压脉冲下的LTP和STP行为。第108章经过许可的转载一百零八© 2019 Wiley-VCH.在传统的基于Lance型PCM的器件中，非晶化过程通常是突然的，这导致在编程97中的不对称权重更新。为了减缓非晶化过程，Barbera等。 优化了器件结构（图 4a）98. 窄的加热器底部电极表现出更大的电阻，有助于更好地控制电流密度。 通过以下两个步骤实现逐渐降低：将器件初始化为部分非晶化状态，并通过一系列相同的快脉冲逐渐增加电阻。在他们的方案中，长时程增强和抑制都是用相同的脉冲完全模拟的（图11）。 4 b）。3.1.5. 铁电材料是具有自发电极化的绝缘材料，其可以在外部电场99下反转。对于基于FTJ的忆阻器，其中，铁电薄膜夹在两个电极之间，电阻敏感地取决于铁电薄膜的极化取向一百零一突触、快的操作速度和低的能量消耗，使它们成为人工突触103的有希望的候选者。铁电氧化物广泛应用于基于FTJ的忆阻器104、105中。Yoong等人报 道 了 采 用 脉 冲 激 光 沉 积 技 术 外 延 生 长 单 一 正 交 相 Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜106。基于HZO的忆阻器显示出突触行为，包括长时程增强/抑制、PPF和STDP（图4c-e）。Sun等人在柔性云母衬底上成功地制备了BiFeO3（BFO）铁电薄膜，在半径为5mm的弯曲条件下，薄膜的极化在104次弯曲循环中保持稳定。STDP由基于柔性BFO的忆阻器实现，展示了其作为人工突触的潜力与铁电氧化物的生长受到高度限制相比，铁电共聚物如聚偏氟乙 烯 - 三 氟 乙 烯 （ PVDF-TrFE ） 可 以 容 易 地 从 溶 液 中 获 得 。Majumdar等人报道了一种基于FTJ的忆阻器，其由Nb掺杂的SrTiO3底部电极、PVDF-TrFE开关层和图案化Au顶部电极108。PVDF-TrFE膜是通过简单的自旋-电层. 施加电压脉冲改变铁电体的电位，涂层工艺忆阻器在-这导致电阻状态102的变化，从而引起电阻状态102的变化。基于FTJ的忆阻器具有清晰的物理机制，包括STP、LTP和STDP（图 4 f）。值得注意的是，它可以在一个ul-审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000317月22日×∼表2|晶体管突触器件的研究进展。Mechanism Material Channel sizeVDS开/关ratio Synaptic函数应用参考FGT通道：IDTBT浮栅：PVPa/QDb- −20V> 104 PPF，PPD，STDP-111FGT沟道：MoS2浮栅：石墨烯-2 V> 103线性突触权重更新，STDP-一百一十六FGT Channel：IGZO Floatinggate：ITOW=1000 µmL=80 µm50 mV-EPSC ANN162EDLT通道：ITO电介质：PSGcW=1000 µmL=80 µm1.5 V 1.2 107 EPSC，PPF，high-pass过滤-一百六十三EDLT通道：IGZO电介质：壳聚糖W=1000 µmL=80 µm1.0 V-ESPC、PPF、LTP-193EDLT频道：MoS2介质：海藻酸-0.1 V 105 EPSC，STDP光电混合集成神经网络112EDLT通道：IGZO电介质：壳聚糖-1 V 3.7× 105 PPF，STDP-127ECT通道：PEDOT：PSS/PEI电介质：NafionW=2275 µmL=65 µm0.3 V-可拉伸系统中的PPF、STDP神经形态143ECT通道：ETE-Sd电介质：NaClW=1000 µmL=30 µm−0.2V-STP，LTP-138ECT通道：PEDOT：Tos/PTHF电介质：NaClW=500 µmL=10 µm0.2 V-PPF，STP至LTP转换联想学习144FeFET沟道：MoS2电介质：P（VDF-T rFE）W=5 µmL=5 µm−1V 104 LTP，STDP-238FeFET沟道：WS2电介质：HZOW=500 nmL=8 µm0.1 V 105增强和抑制，SRDP-九十九FeFET沟道：GOe/PVA电介质：P（VDF-T rFE）/PMMA聚乙烯吡咯烷酮。b全无机CsPbBr3钙钛矿量子点。c磷硅酸盐玻璃。W=100 nmL=100 nm0.2 V104 PPF，PPD，增强和抑制，SRDP向量-矩阵乘法239d4-（2-（2，5-双（2，3-二氢噻吩并[3，4-b][1，4]二恶英-5-基）噻吩-3-基）乙氧基）丁烷-1-磺酸酯。即氧化石墨烯超快的速度，和适当的模拟突触行为实现了纳秒的时间尺度（图。4 g）。3.2. 三端晶体管晶体管是由半导体沟道层、栅极电介质层和源极/漏极/栅极电极组成的三端器件。为了模拟突触，栅极电极和沟道层被视为突触前终端和突触后终端，而由栅极电压修改的沟道电导充当突触权重109。与忆阻器相比，额外的栅极晶体管允许突触晶体管执行并行学习。换句话说，信号传输和突触权重更新可以同时实现90、110、111。因此，突触晶体管允许突触行为的更灵活的模拟，并且对于下一代高级神经形态电子器件112表现出很高的希望。典型的突触 晶 体 管 主 要 包 括 浮 栅 晶 体 管 （ FGT ） 、 双 电 层 晶 体 管（ EDLT ） 、 电 化 学 晶 体 管 （ ECT ） 和 铁 电 场 效 应 晶 体 管（FeFET）。表2给出了突触晶体管的工作机理、材料选择、器件性能、突触行为和应用。3.2.1. 浮栅晶体管FGT具有与常规场效应晶体管（FET）类似的器件结构，除了嵌入电介质层113中的浮栅。在FGT中，由栅极偏置积累的电荷可以通过热发射或量子隧穿注入到浮置栅极中。即使在去除栅极偏置之后，电荷仍然被捕获，而在常规FET中，在去除栅极偏置之后，电荷迅速消散。去除偏置114。捕获的电荷调制有效阈值电压，从而调谐沟道电导115、116。可调的非易失性通道电导使FGT成为模拟突触功能，特别是LTP117的有前途的装置。Kim等人展示了基于高度纯化的半导体碳纳米管（CNT）118的突触FGT。一个薄的金层被引入作为一个浮动栅极内的栅极电介质。通过设计栅极电压脉冲的幅值和持续时间，可以精确地调节Au层中的电荷量，从而实现权重更新的线性度和变化裕度尽管在利用导电薄膜作为浮栅方面通过连续浮栅器件119已经取得了很大的成功，但是在保持能力方面也存在限制，这是由于当按比例缩小113时横向泄漏和增加的单元间干扰。作为优化策略，纳米浮栅晶体管使用金属或半导体纳米颗粒作为浮栅，这可以有效地提高保持能力并稳定突触权重改变过程120、121。Ren等人提出了一种柔性有机突触晶体管，它包含一个组合的隧穿和浮栅混合层，C 60浮栅畴很好地分散在隧穿聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）介电层中（图11）。 5 a）117. 该晶体管具有2.95V的存储窗口，103以上的高电流开/关比，和超过500次的编程/擦除耐力。此外，还模拟了几种重要的突触行为，包括EPSC、PPF/PPD和LTP（图5b、c）。Park等人开发了一种UV响应光子FGT，其使用2D硝酸处理的氮化碳（NT-CN）纳米点材料作为UV响应浮置-−审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000318月22日∼∼∼∼图5| FGT和EDLT。a，以C 60/PMMA混合膜作为浮栅的晶体管示意图。b，作为脉冲间隔的函数的PPF指数。c，通过施加重复的正和负栅极尖峰进行沟道电导调制。转载请注明出处。117.© 2018 Wiley-VCH. d，PVA耦合的2D MoS2晶体管的示意图。e，由突触前锋电位触发的EPSC;锋电位幅度为1.5 V的锋电位持续时间依赖性EPSCf，具有用于视觉系统的3×3共面栅极阵列的2D MoS2神经形态晶体管的示意图转载请注明出处。134.© 2018美国化学学会。g，EDLT的横截面视图h，EPSC单独或共同对刺激的响应i，在五种不同情况下对外部刺激的眨眼反射的模拟转载请注明出处。136. 2021年IEEE栅极层122。在紫外光照射下，光生电子被捕获在NT-CN层中。在去除紫外光后，长时间的电子重组导致突触可塑性的实现。该器件工作在18.06 fJ的低能耗下，实现了PPF和SRDP等3.2.2. 双电层晶体管EDLT主要采用电解质作为栅极电介质。电解质门控晶体管可以在静电模式（称为EDLT）或电化学掺杂模式（称为ECT）123中操作。两种模式的主要区别在于沟道材料的离子渗透性，其是与电解质和半导体124、125两者相关的性质。对于恒压模式，半导体是离子不可渗透的。在电场下，漂移阳离子和阴离子在电解质/半导体界面处产生空间电荷的强积累，这导致双电层（EDL）31、126、127。EDL充当纳米间隙电容器，电容器，导致高于1.0 µF/cm2的高比电容和大大提高的载流子密度1014 cm−2128，129。由于强电容耦合，EDLT可以在低电压（10 V）下工作，并con-carted低能量。<此外，与FGT相反EDLT的电导的变化有利于STP仿真，这是人工感觉系统130中的重要特征。此外，与电子相比，离子的迁移率相对较慢。栅极电解质中的离子积累/弛豫时间的顺序为 毫秒，并且与生物突触131中的离子流入相当。这些独特的特性使EDLT在过去几年中成为仿生突触器件领域的一个有吸引力的候选者。在评价人工神经系统的性能时，能量消耗一直是一个重要的问题。EDLT的低电压操作可能提供解决方案。Zhou等人制造了用于能量高效人工突触应用 132 的柔性低电压氧化铟镓锌（IGZO）EDLT。晶体管的能量消耗估计为低至0.23 pJ每个突触事件。罗希特等人。提出了具有半导体氧化铟钨（IWO）沟道和基于离子凝胶的电介质133的双栅EDLT配置。由于大的EDL电容，晶体管可以在低电压（Vgs1.5V和Vds1当Vds设置为1 mV时，每个突触事件的能量消耗低至9.3 fJ，这与生物突触相当。审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，1000319月22日∼- -EDLT的另一个巨大优势在于它们与多个门兼容以综合处理输入信号，这类似于神经树突的功能。Xie等人证明了共面多栅2D二硫化钼（MoS2）EDLT在聚乙烯醇（PVA）质子传导电解质上（图5d）134。除了成功地模仿突触行为，如EPSC和PPF（图5e），所提出的晶体管还实验证明了视觉皮层细胞的功能，包括时空坐标和视觉方向识别与多个平面内门作为调制输入端子（图5f）。He等人提出了用于模拟不同时空输入序列的动态辨别的基于多末端氧化物的EDLT135。作为一个例子，我们用基于这些多端EDLT的人工网络模拟了人脑的Li等人介绍了一种多端离子凝胶门控突触晶体管，可用于模拟人类眨眼反射（图5g）136。将具有相同幅度和不同频率的两个刺激施加到多终端EDLT，作为由各种受体感知的生物刺激的仿真，在这种情况下，生物刺激是角膜上的触觉刺激和接近物体的视觉信息（图5h）。该晶体管作为一个组合计算单元，通过与预定阈值比较来区分多通道信号模式（图1）。 5 i）。3.2.3. 电化学晶体管在ECT中，离子穿透半导体并引起电化学反应以改变沟道137、138的电特性。在所施加的栅极电压下，离子从电解质注入到半导体中并且改变掺杂水平，因此改变半导体139的电导。与半导体/电介质界面用作主沟道的EDLT不同，ECT的有效沟道采用半导体层125、140的整个体积。因此，在低栅极电压下通过ECT可以实现漏极电流的大调制，并且实现了令人印象深刻的信号放大特性141、142。与EDLT类似，ECT也可以在低电压下工作。Burgt等人制造了一种非易失性的、柔性的基于ECT的人工突触143。聚（乙烯亚胺 ） （ PEI ） / 聚 （ 3 ， 4- 乙 撑 二 氧 噻 吩 ） ： 聚 苯 乙 烯 磺 酸 盐（PEDOT：PSS）膜被用作通道材料，以及PEDOT：PSS突触前电极和Nafion电解质。该器件表现出大量的非易失性和可再现的状态（>500），并且由于有机通道的电化学过电位而在低电压（10mV）下操作。Ji等人通过采用气相聚合的聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）：甲苯磺酸酯（PEDOT：Tos）/聚四氢呋喃（PTHF）复合物作为沟道层（图6a）144提出了一种非挥发性有机电化学晶体管（OECT）。基于PEDOT：Tos/PTHF的OECT显示出快速的响应时间（1 ms）、低的工作电压（0.8 V）和长的保留时间（>200min）。<从短期到长期可塑性的不同突触行为也被模拟出来（图1）。 6 b）。液体电解质导致与传统光刻技术的不兼容性，使得实现高密度、大面积和均匀制造具有挑战性56。因此，最近的研究集中于开发具有高离子迁移率的固体电解质。Yang等人提出了一种全固态电化学晶体管，其具有基于Li离子的固体电介质和2Dα相氧化钼（α-MoO3）纳米片作为沟道145。他们的器件通过栅极电压诱导的Li离子可逆嵌入α-MoO3晶格实现了非易失性磁阻调制。模拟了突触行为，包括PPF和LTP。Weissbach等人提出了一种基于聚合物基质中的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓乙基硫酸盐（[EMM][EtSO4]）的可电解固体电解质（图6c，d）146。可以用标准的电子显微镜技术来制作这种晶体的分辨率可达10 µm。所提出的OECT表现出优异的性能，ON/OFF比为105，阈值电压为200 mV，亚阈值摆幅为61 mV dec−1（图6e）。类似地，Tuchman et al.提出了一种渗透式混合电解液设计多孔无机基质147中的离子液体。混合电解质能够实现半导体的电化学掺杂，以线性和模拟方式调节器件电导。他们采用传统的光刻和封装方法制造了单微尺度堆叠混合有机/无机电化学随机存取存储器。3.2.4. 铁电场效应晶体管在FeFET中，铁电材料通常用作栅极电介质。通过施加栅极电压，沟道层的载流子浓度可以通过铁电极化的变化来调谐，并且因此提供多个电导状态，其可以用于记录突触权重148-150。Kim和Lee展示了具有纳米级锆掺杂的氧化铪（HfZrOx）栅极电介质和IGZO作为沟道层151的FeFET中的模拟调制行为。 通过控制施加的栅极电压实现HfZrOx的极化状态的逐渐变化，从而使得沟道的电导可以逐渐控制。它们的FeFET表现出良好的增强和抑制特性，电导状态为64能级，线性度好，电导范围大（Gmax/Gmin>10）。Zhong等人开发了一种全无机FeFET，由位于柔性云母衬底上的SrRuO 3（SRO）栅电极、PbZr 0.2 Ti 0.8 O 3（PZT）铁电层、IGZO沟道以及Au源极和漏极组成（图2）。 6 f）152. 该装置显示出高灵活性和鲁棒性（图1）。 6 g）。在一系列正/负突触前锋电位下，装置电导表现出连续的增加/减少，这被认为是长时程增强/抑制（图6h）。Li等人提出了基于铁电材料PVDF-TrFE和半导体共聚物聚[2，5-双（烷基）吡咯并-[3，4-c]吡咯-1，4（2 H，5 H）-二酮-alt-5，50-二（噻吩-2-基）2，20-（E）2-（2-（噻吩-2-基）乙烯基）噻吩]（PDVT-10）153的纳米级有机铁电突触晶体管（NOFST）。NOFST应用垂直结构，其中半导体层夹在网状源电极和漏电极之间（图6i）。因此，电荷通过整个半导体层传输，并且沟道长度由半导体层的厚度确定。由于其独特的操作机制和纳米级沟道长度，与具有平面结构的晶体管相比，该器件表现出线性和对称的权重更新（图6 j）和改善的电导变化（图6 j）。 6 k）。总之，忆阻器和突触晶体管是两种主要的突触器件。其中，忆阻器由于快速访问速度、低功耗、高密度和配置便利性的可编程特性而脱颖而出154-157。它们被认为是高度可扩展和低功率突触设备的最有前途的候选者156，158，并且已被广泛用于神经形态计算159-161. 然而，忆阻器的突触响应的线性度仍有待进一步改进，并且由于器件结构简单，它们在模拟复杂的生物突触方面具有局限性这些缺点使得它们相对较少地用于开发仿生感觉神经系统130。同时，突触晶体管在栅极电压的控制下，可以容易地实现可控的连续电导状态。FGT和FeFET通常表现出可控和稳定的通道电导，使它们成为实现LTP162的理想候选者。包括EDLT和ECT的电解质门控晶体管显示出低工作电压和低能耗。更有趣的是，与离子有关的过程与与离子迁移有关的信息过程非常相似-审查DOI：芯片|Vol 2 |2023年春季太阳，Y。等人芯片2，10003110月22图6| ECT和FeFET。a，突触和PEDOT的示意图：基于Tos的OECT（左）和PEDOT+、Tos −和PTHF的化学结构（右）。b，基于P-80%PTHF的OECT中的短期记忆（STM）到长期记忆（LTM）的转变。转载请注明出处。144.© 2021自然出版集团。c，具有图案化固体电解质的OECT的显微照片。d.固体电解质（前体）的组成。e，具有图案化与非图案化固体电解质的OECT的转移特性。转载请注明出处。146.© 2022英国皇家化学学会。f，由云母/SRO/PZT/IGZO异质结构组成的柔性FeFET的示意图。g，弯曲手指上的柔性FeFET的照片。h，长时程增强和抑制。转载请注明出处。一百五十二© 2020美国物理研究所i.NOFST的双扫描传递曲线NOFST与传统有机铁电突触晶体管（COFST）电导更新的比较k，NOFST和COFST的Gmax/Gmin转载请注明出处。153. © 2021Elsevier B.V.163 .第163章大结局这些特征使它们成为开发人工感觉系统的理想人工突触，其中STP是关键130。然而，与忆阻器相比，突触晶体管显示相对高的能量消耗和低电导状态。它们在器件制造方面也面临着严峻的挑战设备集成的困难不良的器件均匀性和相对复杂的三端子结构110也可能导致结垢和缩放。此外，广泛应用于EDLT和ECT的溶液加工技术与标准微