基于CMOS逻辑门和冯诺依曼架构的传统计算机芯片的发展已经遇到了瓶颈,未来将无法满足大数据时代对海量信息处理的需求。而与之相比,人脑是由多达1015量级的神经元—突触连接构成的集学习、记忆等功能于一身的并行计算系统,并且其功耗极低。因此,受人脑启发的神经形态计算成为了研究热点,并在近几年受到了科研人员的广泛关注。这类研究的基础在于从底层硬件出发,开发出具有神经元/突触功能的电子器件单元。研究人员已经研制出多种可以作为人造突触单元的分立器件,其中包括原子开关、忆阻器等。特别值得一提的是双电层晶体管,由于其双电层栅介质中的可移动离子可以在沟道中激发出类似生物突触行为的电流响应特性,因此可以模仿突触传递的单输入—单输出特性。而且,这种器件还可以拓展为多栅结构,用于模仿神经元多输入—单输出特性。本文基于双电层晶体管及其神经形态应用,开展了以下方面的研究工作。1、室温下制备了以具有质子导电特性的SiO2纳米颗粒薄膜为栅介质的IZO基的双电层晶体管。器件为侧栅结构,因此可以很容易地拓展为多栅结构。SiO2纳米颗粒薄膜具有高质子电导率(1.51×10-4 S/cm)以及大电容(3.45 μF/cm2)的特性。在这种栅介质中,栅极和沟道之间可以产生巨大的电容耦合。因此,基于该栅介质的IZO基的双电层晶体管具有低工作电压(1.6 V)、高开关比(4×106)和高迁移率(35 cm2/Vs)的特点。该晶体管可以模仿生物突触的信号传递功能,包括生物突触的兴奋性后突触电流(EPSC)和双脉冲易化(PPF)功能。并且,该器件可以拓展为双栅的结构,从而实现树突信号的整合功能。2、为了理解双电层晶体管的物理机制,并用于神经形态系统设计中,我们使用TCAD软件对InGaZnO4基的双电层晶体管进行数值仿真。仿真过程中,我们使用离子的迁移—扩散模型对栅介质中的双电层电容耦合特性进行了建模。基于这种器件模型的数值仿真可以模拟出双电层晶体管的转移特性曲线,完美地重现了其低压、高开关比的特点,这证明了我们的仿真方法是合理的。接着,我们通过瞬态仿真实现了生物突触的兴奋性后突触电流(EPSC)和双脉冲易化(PPF)功能。进一步地,通过将器件改造成两端器件,可以实现短时间易化(facilitation)和短时间压抑(depression)两种短时间可塑性,以及高通滤波和低通滤波特性。这两种滤波特性不仅适用于稳定的脉冲序列,并且同样适用于符合泊松过程的脉冲序列。3、以离子的动态输运理论为基础,结合传统场效应晶体管模型,我们建立了以离子导体为栅介质的双电层晶体管的行为级模型。基于该模型仿真的直流特性和动态突触特性与实际测试结果基本吻合,因此可以证明我们对于双电层晶体管的行为级建模可以适用于突触仿生和神经形态仿生特性的研究与分析中。基于单栅结构的器件模型,仿真实现了 EPSC和PPF等突触特性。基于双栅结构的器件模型,仿真实现了神经元—树突结构的多输入时间、空间整合的功能,例如超线性求和和分流抑制等功能。基于三栅结构的器件模型,甚至可以实现树突结构的方向选择性。4、使用硬件描述语言Verilog-A描述第四章中推导出的双电层晶体管的行为级模型,并结合电路仿真软件Hspice进行仿真。在Hspice中,将双电层晶体管和其它分立元件结合,可以实现神经形态电路或系统级别的仿真。其中,一个三栅结构的双电层晶体管结合一个电阻,可以模仿McCulloch-Pitts神经元模型。该人造神经元可以解决二维数据平面的分类问题。进一步地,可以构造出一个包含四个这种人造神经元的多层神经网络。该神经网络可以实现包括线性可分和线性不可分在内的多种不同的分类。