Bachelorarbieten

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik

Resistive Speicherzellen für neuromorphe Systeme

Das Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II beschäftigt sich mit nanoelektronischen Bauelementen, sowie mit deren Anwendungsmöglichkeiten in der Informationstechnik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf sogenannten resistiven Speicherzellen (ReRAM), die ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung einer speziellen, völlig neuartigen Computerhardware sind. Die Funktionsweise dieser Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dadurch können diese Zellen zwischen einem hochohmigen (HRS) und niederohmigen Zustand (LRS) hin- und herschalten.

Eines der interessantesten Anwendungsfelder für diese Bauelemente sind neuromorphe Systeme. Das sind Systeme, die durch eine Orientierung an biologischer Datenverarbeitung versuchen die Performance konventioneller Computer im Hinblick auf Energie, Geschwindigkeit, Parallelität, etc. zu übertreffen. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten aber auch Herausforderungen, die sich durch die Integration resistiver Speicherzellen in neuromorphe Systeme ergeben sind Gegenstand aktueller Forschung sowohl im universitären als auch im industriellen Umfeld.

Daher sollen in der Arbeit verschiedene neuromorphe Systeme aufgebaut und aus der Perspektive des Devices und seiner umgebenden Schaltungen berücksichtigt werden.

Voraussetzungen:

  • Interesse und Spaß an Simulationen
  • Teamfähigkeit
  • Selbstständige Arbeitsweise
  • Kenntnisse im Umgang mit Cadence und Matlab oder einer anderen Skriptsprache

Ansprechpartner:

Christopher Bengel

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 402

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Startdatum: ab sofort


17.02.2020

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik

Schaltungsdesign für Neuro-Inspired-Computing und Computation-in-Memory basierend auf resistiven Speichern

Das Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II beschäftigt sich mit nanoelektronischen Bauelementen, sowie mit deren Anwendungsmöglichkeiten in der Informationstechnik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf sogenannten resistiven Speicherzellen (ReRAM), die ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung einer speziellen, völlig neuartigen Computerhardware sind. Die Funktionsweise dieser Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dadurch können diese Zellen zwischen einem hochohmigen (HRS) und niederohmigen Zustand (LRS) hin- und herschalten. Um zu analysieren, welche Vor- und Nachteile der Einsatz von resistiven Speichern hat, reicht es jedoch nicht aus sich lediglich mit einzelnen Zellen zu beschäftigen. Die Zellen, die normalerweise in einer Arraystruktur verschaltet werden sind von CMOS Peripherie umgeben, welche einen sehr großen Einfluss auf die Performance des Systems besitzt.

Daher soll in dieser Arbeit die Peripherie für ein solches Crossbar Array (also z. B. Treiber, ADCs, DACs) designet und getestet werden.

Voraussetzungen:

  • Interesse und Spaß an Simulationen
  • Teamfähigkeit
  • Selbstständige Arbeitsweise
  • Kenntnisse im Umgang mit Cadence

Ansprechpartner:

Christopher Bengel

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 402

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Startdatum: ab sofort


17.02.2020

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Modellierung von ReRAM Zellen

Das Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II beschäftigt sich mit nanoelektronischen Bauelementen, sowie mit deren Anwendungsmöglichkeiten in der Informationstechnik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf sogenannten resistiven Speicherzellen (ReRAM), die ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung einer speziellen, völlig neuartigen Computerhardware sind. Die Funktionsweise dieser Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials (Schalten), welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei filamentären Valenzwechselzellen (VCM) wird ein Filament in einer Metalloxidschicht durch Anlegen einer Forming-Spannung teilweise reduziert. Die dabei entstehenden Sauerstoffleerstellen sorgen für eine erhöhte Leitfähigkeit der Schicht. Diese Sauerstoffleerstellen lassen sich durch Anlegen einer Schaltspannung verschieben, sodass die Zelle reversibel zwischen hochohmigen (HRS) und niederohmigen (LRS) Zuständen geschaltet werden kann.

Die Eigenschaften dieses Filaments (z. B. Durchmesser, Sauerstoffleerstellenkonzentration, etc.) beeinflussen die von außen messbaren Größen wie Widerstände und die Dynamik des Schaltens. In dieser Arbeit soll ein physikalisches Kompaktmodell für filamentäre VCM Zellen untersucht und weiterentwickelt werden.

Voraussetzungen:

  • Interesse und Spaß an Simulationen und physikalischer Modellierung
  • Selbstständige Arbeitsweise
  • Kenntnisse im Umgang mit Cadence und/oder Matlab

Ansprechpartner:

Christopher Bengel

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 402

Tel: 0241/80 27821

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Startdatum: ab sofort


17.02.2020

Bachelorarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Automatisierung des Fitting-Prozesses in der Kompaktmodellierung resistiver Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung einer speziellen, völlig neuartigen Computerhardware. Die Funktionsweise dieser Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei filamentären Valenzwechselzellen (VCM) wird ein Filament in einer Metalloxidschicht durch Anlegen einer Forming-Spannung teilweise reduziert. Die dabei entstehenden Sauerstoffleerstellen sorgen für eine erhöhte Leitfähigkeit der Schicht. Diese Sauerstoffleerstellen lassen sich durch Anlegen einer Schaltspannung verschieben, sodass die Zelle reversibel zwischen hochohmigen (HRS) und niederohmigen (LRS) Zuständen geschaltet werden kann.

Kompaktmodelle bieten eine vereinfachte Beschreibung dieser physikalischen Vorgänge und werden standardmäßig für verschiedene Simulationen eingesetzt. Um eine adäquate Beschreibung zu erreichen, werden die Kompaktmodelle an experimentelle Daten angepasst (angefittet). Dieser Fitprozess ist aufgrund der hohen Anzahl freier Parameter und Optimierungsgrößen sehr komplex und zeitaufwändig. In dieser Arbeit soll deshalb untersucht werden, wie man das Fitting durch Scripting automatisieren und optimieren kann. Dazu soll eine bestehende Simulationsumgebung erweitert und verbessert werden.

Literatur: J. Reuben, D. Fey and C. Wenger, „A Modeling Methodology for Resistive RAM Based on Stanford-PKU Model With Extended Multilevel Capability“ 2019.

Voraussetzungen:

  • Interesse und Spaß an Simulationen und physikalischer Modellierung
  • Teamfähigkeit
  • Selbständige Arbeitsweise
  • Kenntnisse im Umgang mit Matlab oder einer anderen Skriptsprache sind hilfreich

Ansprechpartner:

Christopher Bengel

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 402

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Startdatum: ab sofort


12.08.2019

Bachelorarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Optimierung der Endurance resistiver Speicherzellen


Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige, nichtflüchtige Speicheranwendungen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch gelten sie als potentielle Nachfolger des etablierten Flash-Speichers.

Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei Valenzwechselzellen (VCM) wird eine Metalloxidschicht durch Anlegen einer Forming-Spannung teilweise reduziert. Die dabei entstehenden Sauerstoffleerstellen sorgen für eine erhöhte Leitfähigkeit der Schicht.

Diese Sauerstoffleerstellen lassen sich durch Anlegen einer Schaltspannung verschieben, sodass die Zelle reversibel zwischen einem hochohmigen (HRS) und einem niederohmigen (LRS) Zustand geschaltet werden kann.

Diese Schaltvorgänge müssen für eine kommerzielle Nutzung der Speicherzellen mehrere Millionen Mal möglich sein, ohne dass das Material versagt.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Einflüsse des Top-Elektrodenmaterials sowie der Schaltspannungen auf die Endurance (Anzahl der Schaltzyklen bis zum Versagen) zu untersuchen. Darauf aufbauend soll das ideale Elektrodenmaterial gewählt werden und die Schaltparameter bezüglich der Endurance optimiert werden.

Voraussetzungen:

  • Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit
  • Teamfähigkeit
  • Selbstständige Arbeitsweise

Von Vorteil aber nicht notwendig: Grundkenntnisse in MATLAB.

Ansprechpartner:

Stefan Wiefels M.Sc. oder
Moritz von Witzleben M.Sc.

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 005a

Tel: 0241/80 278 29

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Untersuchungen des Threshold Switching Mechanismus basierend auf einer Feld induzierten thermischen Instabilität

Als Threshold Switching Devices werden elektronische Bauelemente bezeichnet, welche beim Anlegen eines kritischen elektrischen Feldes bzw. einer äußeren Spannung eine abrupte Widerstandsänderung zeigen. Dieses Phänomen konnte bereits in den unterschiedlichsten Materialien gefunden werden. Dies führte zu einer vielzahl von Erklärungsversuchen. Eine davon basiert auf einem so genannten Mott-Hubbard Phasenübergang. Dieser bewirkt einen Übergang von einer halbleitenden in eine metallische Phase. Eine detaillierte Betrachtung führt allerdings zu Widersprüchen. Eine neue Erklärung für das Threshold Switching wurde gegeben durch eine Erklärung die vollständig auf den elektronischen Materialeigenschaften basiert. Hierbei führt ein elektrisches Feld zu einer Absenkung der Aktivierungsenergie von lokalisierten Ladungsträgern. Durch diese Feldabsenkung können diese durch thermische Anregung leichter über die Barriere gelangen. Dies führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Die wiederum führt zu einer Jouleschen Erwärmung. Aufgrund der steigenden Temperatur können nun mehr Ladungsträger aktiviert werden, was wiederum eine Erhöhung der Leitfähigkeit ergibt. Dies führt zu einer thermischen Instabilität, mit der Folge eines abrupten Anstiegs im Strom.[1] Neben der physikalischen Fragestellung, besitzt dieses Bauelement hohe technische Relevanz, da es als sogenannter Selektor verwendet werden kann, welcher es ermöglicht die Speicherkapazität von neuartigen Memories/Speichern zu erhöhen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es diese mit Hilfe eines Simulationsmodells besser zu verstehen in wie fern sich dieses neuartige physikalische Konzept übertragen lässt auf andere Mott-Hubbard Isolatoren. Konkret handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung eines solchen Simulationsmodel und einer Analyse der zeitlichen und räumlichen Entwicklung dieses Schaltens.

[1] C. Funck, S. Menzel, N. Aslam, H. Zhang, A. Hardtdegen, R. Waser, S. Hoffmann-Eifert, Adv. Electron. Mater. 2016, 2, 1600169/1.

Voraussetzungen:

In dieser Arbeit sind sowohl Interesse an Experimenten als auch an Simulationen gefragt. Dabei sollte das Grundsätzliche Interesse sein unbekannte physikalische Phänomen zu erklären.
Erste grundlegende Programmierkenntnisse in MATLAB oder Python könnten von Vorteil sein sind aber nicht erforderlich.

Ansprechpartner:

Carsten Funck

Walter-Schottky-Haus, Raum 24C 413

Tel: +49 241 80 27741

E-mail: Bitte diesem Link folgen.


Tyler Hennen (ausschließlich englisch)

Walter-Schottky-Haus, Raum 24C 409

Tel: +49 241 80 27815

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Einfluss der Schreibbedingungen auf das Verhalten resistiver Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige, nichtflüchtige Speicheranwendungen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch könnten Sie in Zukunft den etablierten Flash-Speicher ablösen.

Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei Valenzwechselzellen (VCM) wird das aktive Material durch Anlegen einer Spannung reduziert, sodass sich ein leitfähiges Filament ausbildet.

Die Eigenschaften dieses Filaments (z.B. Durchmesser, Sauerstoffleerstellenkonzentration, etc.) hängen dabei von den Schreibbedingungen ab und beeinflussen die messbaren Größen der Speicherzelle. Zu diesen Größen zählen unter anderem die Anzahl maximal möglicher Schaltzyklen oder die Stabilität des eingeschriebenen Widerstands.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Schreibbedingungen auf die Eigenschaften des Filaments zu ermitteln, sowie bezüglich der Schalteigenschaften der Speicherzelle zu optimieren. Im Rahmen der Arbeit sollen daher resistive Speicherzellen selbstständig hergestellt und elektrisch charakterisiert werden.

Außerdem stehen Modelle zur Verfügung, die den Schaltmechanismus resistiver Speicherzellen abbilden. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellen wäre möglich und wünschenswert. Der Fokus der Arbeit soll jedoch auf der elektrischen Charakterisierung liegen.

Voraussetzungen:

Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit
Teamfähigkeit
Selbstständige Arbeitsweise
Von Vorteil aber nicht notwendig: Grundkenntnisse in MATLAB

Ansprechpartner:

Stefan Wiefels M.Sc.

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 005A

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Chemie/Physik

Defektchemie von neuartigen auf Ba und Co basierten Elektrokatalysatoren zur Wasserelektrolyse

Ziel: Aufklärung der Defektchemie in neuartigen Perovskit-Katalysatoren durch elektrische Charakterisierung.

Die Energiewende benötigt technische Lösungen zur Pufferspeicherung von umweltabhängigen, erneuerbaren Energien zur Anpassung der eingespeisten Leistung an den Strombedarf der Verbraucher um die Flexibilität der Stromproduktion von z.B. Kohlekraftwerken zu ersetzen.

Eine vielversprechende Lösung ist die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe der elektrokatalytischen Wasseroxidation (Wasserelektrolyse). So erzeugter Wasserstoff kann eingelagert und bei Bedarf über Brennstoffzellen wiederum in Energie umgewandelt werden. Momentan mangelt es jedoch an kostengünstigen Katalysatoren, die geeignet sind einen dauerhaften und effizienten Einsatz zu gewährleisten. Das größte Verbesserungspotential wird an der Sauerstoffanode gesehen, weshalb sich diese Masterarbeit mit einem Materialsystem beschäftigt, dass für die Sauerstoffentwicklung entwickelt wurde.

Eine Abschlussarbeit in diesem Themenbereich würde folgende Aspekte beinhalten:

  • Herstellung und Lithografie von Dünnen Schichten
  • Elektrische, strukturelle und elektrochemische Charakterisierung
  • Auseinandersetzung mit Modellen der Defektchemie

Voraussetzungen

Zuverlässigkeit; Lösungsorientiertes Denken; Grundkenntnisse der Festkörper- und Oberflächenphysik sowie der physikalischen und der allgemeinen Chemie; Überdurchschnittliche Studienleistungen; Spaß an experimenteller, multidisziplinärer Arbeit in gruppenübergreifenden Teams.

Ansprechpartner

Daniel Bick

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

oder: Dr. Ilia Valov

E-mail: Bitte diesem Link folgen.