全書主要分為三個部分:(1)主要概述納電子學的發展和基礎理論;(2)主要介紹納電子器件(包括:共振隧穿器件、單電子器件、量子點電子器件、納米CMOS器件和碳納米管器件等);(3)由納電子器件構成的電路及其應用。全書共分八章,包括:納米電子學和納電子器件發展概述;納電子學基礎理論;共振隧穿器件;單電子器件;量子點電子器件;SET/MOS混閤器件;碳納米管器件;納電子電路及應用中的問題。
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 微電子學嚮納電子學發展及限製 3
1.2.1 微電子學嚮納電子學發展 3
1.2.2 微納電子器件的技術限製 6
1.3 納電子學的研究與發展 8
1.3.1 納電子學研究 9
1.3.2 納電子學的發展 10
1.4 納電子器件 13
1.4.1 引言 13
1.4.2 納電子器件種類 14
1.4.3 納電子器件應用 18
參考文獻 22
第2章 納電子學基礎 32
2.1 納結構中的量子效應 32
2.1.1 電導量子 32
2.1.2 彈道輸運 33
2.1.3 普適電導漲落 34
2.1.4 庫侖阻塞 34
2.1.5 量子相乾效應 35
2.2 Landauer-Büttiker電導公式 36
2.2.1 兩端單通道Landauer電導公式 37
2.2.2 兩端多通道Büttiker電導公式 38
2.2.3 彈道結構的電導係數 39
2.3 單電子隧穿 40
2.3.1 單電子隧穿現象及條件 40
2.3.2 電流偏置單隧道結 42
2.3.3 單電子島(雙隧道結) 45
2.3.4 電子輸運的主方程 47
2.4 庫侖颱階和庫侖振蕩 48
2.4.1 引言 48
2.4.2 庫侖颱階 49
2.4.3 庫侖振蕩 51
參考文獻 52
第3章 共振隧穿器件 55
3.1 共振隧穿效應 55
3.1.1 共振隧穿現象 55
3.1.2 共振隧穿機理 56
3.2 共振隧穿器件輸運理論 58
3.2.1 量子力學基礎 58
3.2.2 雙勢壘量子阱結構共振隧穿二極管的兩種物理模型 61
3.3 共振隧穿二極管的特性分析 65
3.3.1 共振隧穿二極管的特性及參數 65
3.3.2 散射和材料結構對器件特性的影響 67
3.4 共振隧穿二極管模型 68
3.4.1 電路模擬模型 68
3.4.2 物理基礎的RTD模型 70
3.5 RTD器件的數字電路 72
3.5.1 RTD的基本電路 73
3.5.2 單-雙穩轉換邏輯單元的工作原理 75
3.5.3 單-雙穩轉換邏輯單元構成的數字電路 78
3.5.4 基於RTD的多值邏輯電路設計 79
3.6 RTD的模擬電路及其應用 81
3.6.1 振蕩器電路 81
3.6.2 細胞神經網絡神經元電路 82
3.6.3 混沌振蕩器電路 83
參考文獻 86
第4章 單電子器件 90
4.1 單電子盒 90
4.2 單電子陷阱 91
4.3 單電子晶體管 92
4.3.1 SET的結構及特性 92
4.3.2 多柵極SET 95
4.3.3 SET的數值模擬法及模型 97
4.4 單電子鏇轉門 102
4.5 單電子泵 103
4.6 單電子器件的模擬電路應用 104
4.6.1 超高靈敏靜電計 104
4.6.2 單電子能譜儀 104
4.6.3 計量標準應用 105
4.6.4 紅外輻射探測器 106
4.6.5 基於SET的模擬濾波器 106
4.6.6 基於SET的細胞神經網絡 109
4.7 單電子器件的數字電路應用 112
4.7.1 基於SET的邏輯電路 112
4.7.2 單電子存儲器 116
4.7.3 基於SET的數字濾波器 118
參考文獻 121
第5章 量子點器件 125
5.1 量子元胞自動機 125
5.1.1 量子元胞自動機的結構 125
5.1.2 量子元胞自動機的原理 126
5.1.3 量子元胞自動機的特性 127
5.1.4 量子元胞自動機基本電路 128
5.2 量子元胞自動機的仿真方法 129
5.2.1 元胞間哈特裏逼近法 129
5.2.2 模擬退火法 130
5.2.3 遺傳模擬退火法 131
5.2.4 QCADesigner軟件仿真 134
5.2.5 PSpice模型仿真 135
5.3 量子元胞自動機數字電路 136
5.3.1 基於量子元胞自動機的組閤邏輯電路 136
5.3.2 基於量子元胞自動機的時序邏輯電路 139
5.3.3 量子元胞自動機數字電路設計方法 143
5.4 量子細胞神經網絡及其應用 147
5.4.1 量子細胞神經網絡的機理 148
5.4.2 量子細胞神經網絡的非綫性特性 149
5.4.3 量子細胞神經網絡的混沌控製、同步及保密通信應用 154
5.4.4 量子細胞神經網絡的圖像處理應用 161
參考文獻 175
第6章 SETMOS混閤器件 180
6.1 SETMOS混閤器件結構及特性 180
6.1.1 SETMOS混閤器件的結構 180
6.1.2 SETMOS混閤器件的工作原理及特性 181
6.2 SETMOS混閤器件的模型 183
6.2.1 SETMOS混閤器件的模型建立 183
6.2.2 SETMOS混閤器件的仿真 185
6.3 SETMOS混閤器件模擬電路應用 187
6.3.1 SETMOS積分器 187
6.3.2 SETMOS濾波器 189
6.3.3 基於SETMOS混閤器件的細胞神經網絡 191
6.3.4 基於SETMOS混閤結構的多渦捲混沌係統 201
6.4 SETMOS混閤器件數字電路應用 206
6.4.1 多值邏輯 206
6.4.2 邏輯門電路 209
6.4.3 SETMOS混閤器件的數字電路應用 211
6.4.4 SETMOS混閤結構在離散混沌係統中的應用 216
參考文獻 223
第7章 碳納米管器件 227
7.1 碳納米管的結構、電特性及製備 227
7.1.1 碳納米管的結構 227
7.1.2 碳納米管的電特性 229
7.1.3 碳納米管的製備 231
7.2 碳納米管場效應管 231
7.2.1 CNTFET的I-V特性麯綫 231
7.2.2 P型和N型CNTFET 233
7.2.3 接觸勢壘 235
7.2.4 局部柵CNTFET 236
7.2.5 雙極型CNTFET 237
7.3 碳納米管場效應管仿真模型 238
7.3.1 基於彈道輸運理論的CNTFET半經典改進模型 238
7.3.2 基於綫性迴歸的CNTFET的HSpice模型 243
7.4 碳納米管器件的應用 246
7.4.1 基於CNTFET的二極管 246
7.4.2 基於CNTFET的邏輯電路 248
7.4.3 基於CNTFET的振蕩器 249
7.4.4 基於雙柵極CNTFET的可重配置邏輯電路 250
7.4.5 基於CNTFET的多值邏輯電路 251
參考文獻 253
第8章 納電子器件應用中的問題 256
8.1 單電子晶體管的非理想因素 256
8.1.1 單電子晶體管隨機背景電荷的産生 256
8.1.2 背景電荷對單電子晶體管的影響 257
8.1.3 單電子晶體管背景電荷的解決方法 257
8.1.4 單電子晶體管其他非理想因素的影響 259
8.2 影響SETMOS混閤器件工作的因素 260
8.2.1 CMOS器件噪聲分析與抑製 260
8.2.2 SETMOS混閤電路設計中偏置電流源的影響 261
8.2.3 泄漏能耗的影響與控製 262
8.3 量子細胞神經網絡的非理想因素 262
8.3.1 QCNN中的非理想因素的類型 263
8.3.2 非理想因素對QCNN的影響 263
8.3.3 非理想因素影響的結果分析 270
8.4 其他器件的非理想因素影響 270
8.4.1 散射對RTD的影響 271
8.4.2 RTD的集成技術 271
8.4.3 RTD應用電路的發展展望 273
8.4.4 碳納米管場效應管製備及特性中的問題 274
參考文獻 275
參數符號 277
縮略語 280
前 言
納電子學是納米科學和技術最重要的分支和核心,其發展研究已成為一個前沿熱點領域,而納電子器件是納電子學重要的組成部分,它的理論和潛在應用研究必將成為關注的焦點。納電子學也是研究納電子器件及集成納電路係統理論和技術的基礎。微納電子器件方麵的技術進步和發展之迅速,都使作者深切感受到該學科領域日新月異的變化,加之作者所在的微納電子器件研究團隊這幾年又有瞭一些新的研究成果,考慮到這些緣由,作者針對2009年5月齣版的《納電子器件及其應用》進行瞭重新修訂。新版書在結構體係上是保留瞭原書的風格和特色,立足於突齣納電子器件、電路與係統,以及潛在應用等方麵,著重闡述納電子器件的理論性和實用性。側重介紹瞭幾種新興的納電子器件,並將重點放在這些新器件的理論及其電路應用方麵。將本課題組最新的研究成果盡可能多地體現在本書中,為這一新興學科的發展提供新貢獻。
新版書力圖與當前微納電子器件方麵的發展和研究現狀相適應,同時,將最新的研究成果(包括作者課題組近幾年的新工作)盡可能多地體現在本版書中。新版書保持原版書的8章標題,但各節標題和具體內容做瞭部分的刪減和增添。主要為,結閤微納電子器件領域的最新發展動態,以及新版國際半導體技術發展路綫圖(ITRS,2013年版),對第1章的部分內容進行修改和重新撰寫,提供最新的研究現狀和數據。結閤課題組近幾年承擔的國傢自然科學基金和陝西省自然科學基礎研究計劃重點項目,做瞭一些新的研究工作,將取得研究成果補充到書中相應的章節中。考慮到每章中各節內容編排更趨閤理和連貫性,對第4章和第5章部分小節進行瞭刪減、重新組閤和增添新內容,第4章對單電子器件仿真方法和單電子晶體管的邏輯電路做瞭部分的增修和改寫;第5章各節進行重新組閤,將原有的5節變為現在的4節,刪去原來的三維信號追蹤控製內容,增添瞭量子細胞神經網絡混沌同步和保密通信應用等相關內容。對第6章和第7章進行部分刪減、改寫並增添新研究成果內容,第6章中刪去瞭相位自動控製的二進製SETMOS混閤等效電路,增添瞭基於SETMOS混閤結構的多渦捲混沌係統和在離散混沌係統中的應用等相關內容;第7章中刪去瞭原來碳納米管場效應管建模方法,增添瞭碳納米管場效應管仿真模型等。對第2章、第3章和第8章進行部分文字修改和完善。
蔡理、王森和馮朝文參加瞭新版書的撰寫工作。感謝康強副教授對本版書的潤色和審校所做的工作。感謝李芹博士、吳剛博士和曾凡喜碩士對本書第1版編寫的貢獻。對研究生趙曉輝博士、孫鐵署碩士、陳學軍碩士和史黨院碩士的研究工作對本書的貢獻錶示感謝。作者所在的微納電子器件研究小組多年科技活動日的研討和多項研究課題的成果都為本版書提供瞭極大的支撐。
在本書齣版之際,作者要衷心感謝國傢自然科學基金(61172043)和陝西省自然科學基礎研究計劃重點項目(2011JZ015)多年來對本課題組的資助,使我們課題組能夠毫無顧忌、心無旁騖的在納電子學這一前沿領域自由地遨遊和探索,也為培養高層次人纔提供瞭強有力的保障。還要感謝電子工業齣版社高等教育分社的李秦華編輯,從本書的選題到策劃齣版都付齣瞭大量的時間和精力,感謝譚海平社長和王羽佳編輯給予的關心和幫助。
在本書編寫過程中,作者參閱瞭大量的文獻和專著,吸取瞭很多寶貴的新觀點和研究成果,在此對這些參考文獻和著作的作者錶示最誠摯的謝意。
本書在修訂中參照各方麵的意見,經過認真考慮和修改,努力使新版書盡可能做到完善,但由於本學科領域涉及內容新和範圍廣,加之作者水平有限,書中難免會齣現一些錯誤和不妥之處,懇請讀者批評指正。
作 者
2015年9月
這本書的“應用”二字,在我看來,有點名不副實。雖然書名裏明確寫著,但實際內容更多的是停留在對各種納電子器件“可能”的應用場景的描述,而缺乏對實際應用中遇到的挑戰和解決方案的深入剖析。比如,在介紹納電子傳感器時,書中會列舉一些例子,如生物傳感器、氣體傳感器等,並分析其工作原理,提到其高靈敏度、低功耗的優點。然而,對於如何實現大規模生産、如何保證長期穩定性、如何與現有電子係統進行接口整閤等實際工程問題,就很少提及。感覺像是對未來的一種展望,但對於當下如何實現這種展望,並沒有給齣明確的路徑。讀完之後,我感覺自己對納電子器件有瞭更多的理論認識,但對於如何將其真正應用到産品中,或者瞭解目前市場上哪些納電子器件已經成熟並被廣泛應用,依然感到迷茫。書中的一些案例分析,也大多是停留在概念層麵,缺乏具體的性能數據、成本分析,以及與同類技術的比較。這讓我覺得,這本書更像是一本“納電子器件的科普讀物”,而非一本“如何應用納電子器件”的實用指南。對於真正需要解決實際應用問題的工程師或者研究人員來說,這本書可能提供的價值有限。
評分說實話,我對這本《納電子器件及其應用(第2版)》的評價,更多的是一種“理論紮實,但實操感不足”的混閤心情。書的內容編排很有條理,從最基礎的材料特性、器件結構,一路講到不同的納電子器件類型。比如,對於各個種類的納晶體管,書中都給齣瞭詳細的物理模型和等效電路分析,這對於理解它們的工作機製非常有幫助。我特彆喜歡它在講解某些器件時,會引入一些相關的實驗方法,比如電子顯微鏡、原子力顯微鏡等,這至少能讓我對“看”到納電子器件有一個概念。但是,當我想要瞭解如何“製造”或者“設計”這些器件時,這本書就顯得有些力不從心瞭。它更多的是告訴你“這是什麼”、“它為什麼這樣工作”,而很少涉及“如何把它做齣來”、“在實際生産中會遇到哪些問題”。例如,在談到納加工技術時,書中隻是簡單提及瞭光刻、電子束刻蝕等,但對於具體工藝參數的選擇、材料的兼容性、良率的控製等關鍵問題,就沒有深入的探討。這就像學做菜,隻告訴你食材是什麼、怎麼切,但沒有告訴你火候、調味,做齣來的菜自然就難以令人滿意。因此,對於希望將理論知識轉化為實際工程能力的讀者,這本書可能還需要配閤其他的實踐類書籍或資料來學習。
評分這本書我買來純粹是衝著“第2版”這三個字去的,想著說不定有什麼新的技術突破或者對舊內容的更新。結果翻開一看,哎呀,感覺還是有點點失望的。雖然書名叫“納電子器件及其應用”,但它好像更側重於一些基礎理論的講解,比如半導體物理、量子力學的一些概念,還有一些器件的結構和工作原理。這些內容確實是理解納電子器件的基礎,但對於我這種更想知道“現在有哪些具體的應用,未來又有什麼可能”的讀者來說,就顯得有些枯燥瞭。書裏給的例子大部分都是比較經典的,比如MOSFET、FinFET等等,這些我之前在其他教材上也接觸過不少。當然,我承認它的講解還是比較係統的,對於想要從零開始入門的人來說,或許是一個不錯的起點。但是,如果目標是深入瞭解最新的研究進展、前沿的器件類型,或者一些比較“硬核”的應用案例,那這本書的“應用”部分可能就沒那麼給力瞭。舉個例子,書中提到瞭一些生物傳感器、內存技術的應用,但具體到實現細節、性能指標、與現有技術的對比分析,就比較簡略瞭。感覺像是在淺嘗輒止,沒有深入挖掘。我理解寫教材需要麵麵俱到,但作為一本“第2版”,我期待的不僅僅是內容的增加,更是內容的“新”和“深”。
評分我拿到這本書的初衷,是希望能瞭解納電子器件在人工智能、物聯網等前沿領域的具體落地情況,但看完後,感覺它更像是一本“器件的百科全書”,而不是“應用的實操手冊”。書裏詳細介紹瞭各種納電子器件的原理,比如單電子晶體管、量子綫、自鏇電子器件等等,並且對它們的物理特性做瞭非常細緻的闡述。這部分內容是相當紮實的,對於想要深入理解這些器件的內在機製的讀者來說,絕對是寶藏。然而,當我試圖尋找這些器件是如何被集成到實際係統中的,或者它們在解決特定問題時所展現齣的獨特優勢時,就覺得內容有些泛泛而談瞭。例如,書中會提到納電子器件在構建下一代計算架構中的潛力,但對於具體的架構設計、麵臨的挑戰,或者與其他計算範式的比較,就顯得不夠深入。感覺作者更傾嚮於從器件本身的性能齣發,而不是從應用場景的需求齣發來展開論述。這導緻我在閱讀時,常常會有一種“我知道它能做什麼,但不知道怎麼做”的睏惑。總而言之,如果你的目標是深入理解納電子器件的物理原理,這本書是不錯的選擇;但如果你期待的是一份關於如何將這些器件應用於實際産品或技術中的詳盡指導,那這本書可能無法完全滿足你的需求,還需要其他更側重實踐和案例分析的資料來補充。
評分我必須得說,這本《納電子器件及其應用(第2版)》給我的整體感受就是“太學院派瞭”。拿到手裏,首先撲麵而來的就是密密麻麻的公式和理論推導,讓我想起瞭大學時期的電動力學和固體物理課程。書中的圖示也大多是器件的截麵圖、能帶圖,雖然嚴謹,但視覺上不夠吸引人。閱讀過程中,我發現作者非常注重從物理原理齣發,一層層地剖析納電子器件的本質。比如,在講解量子點的時候,它會詳細分析量子囚禁效應、電子躍遷的能級結構,以及如何通過改變尺寸來調控其光學和電學性質。這一點確實是優點,如果你是一個熱衷於探究事物根本原因的讀者,這本書的理論深度可能會讓你非常滿足。然而,當我試圖尋找書中“應用”部分的具體內容時,卻發現它們往往隻是作為理論的引申,或者對理論的簡單佐證。例如,在提到一些高性能計算的應用時,書中更多的是從器件的功耗、速度等理論參數齣發,而對於實際的係統集成、麵臨的工程挑戰,或者與其他技術的競爭關係,就很少涉及瞭。感覺像是老師在課堂上給你講瞭半天原理,最後告訴你“這個東西能用來做什麼”,但怎麼用、用起來怎麼樣,就沒有下文瞭。對於我這種希望看到更多從“0”到“1”的轉化,以及從實驗室走嚮市場的真實案例的讀者來說,這本書的“應用”二字,可能隻是一個裝飾。
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