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蒋建飞著 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030198822

商品编码：29672910785

包装：平装

出版时间：2007-09-01

基本信息

书名:单电子学

定价：80.00元

售价：54.4元,便宜25.6元,折扣68

作者:蒋建飞著

出版社：科学出版社

出版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

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版次：1

装帧：平装

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商品重量：0.763kg

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内容提要

单电子学是纳电子学重要的分支之一，它是有可能部分替代发展至时的纳米MOS电子学的重要候选者之一。
本书系统地论述了以半经典理论为基础的单电子器件物理，包括网络分析理论、正统理论和超正统理论；传统概念下单电子电路的原理以及非传统概念单电子电路的研究；单电子系统的模拟方法，包括单电子器件和电路蒙特卡罗模拟法，单电子器件和电路主方程模拟法，单电子器件和电路与集成电路通用模拟程序(SPICE)兼容模拟法。本书是一部有明确的学术观点、理论体系及很强应用背景的学术著作。
本书可以作为纳米科学技术和相关学科的科学家、工程师、教师的参考书，也可供电子科学技术一级学科和交叉学科(计算机学、物理学、化学、生物学、材料学等)从事纳米科学技术学习和研究的高年级本科生、硕士研究生、博士研究生参考阅读。

目录

前言
基本符号表
章 绪论
　1.1 引言
　1.2 单电子器件物理
　1.3 单电子电路原理
　1.4 单电子器件和电路模拟器
　参考文献
第二章 单电子器件的网络理论和静电学
　2.1 单电子器件的网络理论
　　2.1.1 等效电源定理
　　2.1.2 单电子隧道结的网络模型
　　2.1.3 栅控一维单电子隧道结阵列的网络模型
　　2.1.4 单电子箱的网络模型
　　2.1.5 电容耦合单电子晶体管的网络模型
　　2.1.6 等效电流源模型
　2.2 单电子系统静电学
　　2.2.1 静电势的多极展开
　　2.2.2 静电能
　　2.2.3 球形库仑岛
　　2.2.4 超薄圆盘库仑岛
　　2.2.5 环形纳米线库仑岛
　　2.2.6 纳米线库仑岛
　　2.2.7 椭球库仑岛
　　2.2.8 碳纳米管库仑岛
　　2.2.9 单电子系统的自由能
　2.3 电容耦合单电子晶体管极限性能的估计
　参考文献
第三章 金属基单电子器件的半经典理论
　3.1 金属基单电子隧道结的半经典理论
　　3.1.1 费米黄金定律
　　3.1.2 隧穿率
　3.2 单电子隧道结的主方程：半经典动力学推导法
　3.3 单电子隧道结的主方程：密度算符推导法
　　3.3.1 密度算符及其运动方程
　　3.3.2 单电子隧道结主方程的密度算符推导法
　　3.3.3 库仑阻塞和库仑振荡的主方程解释
　3.4 单电子晶体管的正统理论
　　3.4.1 电容耦合单电子晶体管
　　3.4.2 电阻耦合单电子晶体管
　　3.4.3 电阻和电容串联耦合单电子晶体管
　3.5 一维单电子隧道结阵列的电荷孤子和反孤子输运
　　3.5.1 单电子电荷孤子和反孤子
　　3.5.2 一维单电子隧道结阵列作为电阻耦合单电子晶体管的栅电阻
　参考文献
第四章 金属基单电子器件的电磁环境效应
　4.1 经典电荷弛豫
　4.2 LC回路的量子原理
　4.3 考虑电磁环境效应的单电子隧道结的系统哈密顿
　　4.3.1 电磁环境哈密顿
　　4.3.2 隧道哈密顿
　　4.3.3 准粒子哈密顿
　　4.3.4 系统哈密顿
　4.4 考虑电磁环境效应的单电子隧道结的隧穿率
　　4.4.1 微扰理论
　　4.4.2 探究电磁环境态
　　4.4.3 相位一相位相关函数
　　4.4.4 隧穿率公式
　　4.4.5 相位一相位相关函数和环境阻抗
　　4.4.6 能量交换概率P(E)的一般性质
　　4.4.7 电流一电压特性的一般性质
　　4.4.8 低阻抗电磁环境
　　4.4.9 高阻抗电磁环境
　4.5 单电子隧道结电磁环境效应的实例
　　4.5.1 以集中电感作为电磁环境：集中L模型
　　4.5.2 以集中电阻作为电磁环境：集中R模型
　　4.5.3 以集中电感和电阻相串联作为电磁环境：集中LR模型
　　4.5.4 以分布电感、电阻和电容传输线作为电磁环境：分布Lo RoCo传输线模型
　　4.5.5 以分布电感和电容传输线作为电磁环境：分布LoCo传输线模型
　　4.5.6 以分布电阻和电容传输线作为电磁环境：分布RoCo传输线模型
　4.6 考虑电磁环境效应的单电子晶体管的隧穿率
　　4.6.1 隧穿率
　　4.6.2 低阻抗电磁环境
　　4.6.3 高阻抗电磁环境
　4.7 考虑电磁环境效应的多结系统的隧穿率
　参考文献
第五章 金属基单电子器件的共隧道效应
　5.1 弹性和非弹性共隧道效应
　5.2 单电子晶体管共隧道的半经典理论
　5.3 一维单电子隧道结阵列的共隧道半经典理论
　　5.3.1 隧穿率
　　5.3.2 O近似
　　5.3.3 =一△F／2 n”的近似
　5.4 无栅电荷偏置的1DSETJA的电流一电压特性分析
　5.5 栅电荷偏置的1DsETJA的简化网络分析模型
　5.6 单电子电荷泵的精度分析
　　5.6.1 优化偏置
　　5.6.2 单个隧道结的单电子隧穿
　　5.6.3 初态的衰减
　　5.6.4 共隧道隧穿率
　　5.6.5 泄漏和转换误差
　　5.6.6 共隧道误差
　　5.6.7 热误差
　　5.6.8 频率误差
　　5.6.9 误差的近似估算
　参考文献
第六章 金属基单电子器件的噪声
　6.1 一般经典噪声机制
　　6.1.1 散粒噪声
　　6.1.2 热噪声
　　6.1.3 闪烁噪声(1 ／f噪声)
　6.2 单电子晶体管的热噪声和散粒噪声
　　6.2.1 经典噪声的一般公式
　　6.2.2 主方程的频域解
　　6.2.3 谱密度的矩阵形式
　　6.2.4 低频噪声
　　6.2.5 直流噪声
　　6.2.6 超灵敏度单电子静电计的噪声
　6.3 一维单电子隧道结阵列中的散粒噪声
　　6.3.1 电荷传输的离散性
　　6.3.2 谱密度的计算
　　6.3.3 接地1 I).SETJA散粒噪声
　　6.3.4 不接地1 I).SETJA散粒噪声
　　6.3.5 考虑背景电荷时1 D-SETJA的散粒噪声
　参考文献
第七章 介观超导隧道结理论
　7.1 二次量子隧道效应
　7.2 q的量子Langevin方程
　7.3 布洛赫波振荡和电流一电压特性
　7.4 涨落效应
　7.5 密度矩阵分析法
　7.6 单电子现象和磁通量子化之间的对偶性
　　7.6.1 对偶性的法则
　　7.6.2 经典器件和电路的对偶性
　　7.6.3 介观器件和电路的对偶性
　参考文献
第八章 半导体基和人造原子单电子器件理论
　8.1 半导体人造原子中的单电子效应
　8.2 线性响应理论
　　8.2.1 基本关系式
　　8.2.2 线性响应
　　8.2.3 电导公式的极限形式
　　8.2.4 非弹性散射效应
　　8.2.5 对库仑阳塞振荡效应的应用
　8.3 非线性响应理论
　　8.3.1 模型和基本方程
　　8.3.2 大面积量子阱
　　8.3.3 小面积量子阱
　参考文献
第九章 纳机电单电子器件理论
　9.1 实验型纳机电单电子晶体管
　9.2 穿梭输运的类型
　9.3 粒子的经典穿梭模型
　　9.3.1 本征模型
　　9.3.2 电荷传输的穿梭机制
　　9.3.3 耗散系统的模型
　　9.3.4 隧穿区和穿梭区
　　9.3.5 非理想模型
　　9.3.6 栅控纳机电单电子晶体管
　　9.3.7 范德瓦耳斯力的作用
　　9.3.8 三维本征模型
　9.4 电子波的经典穿梭模型
　9.5 粒子的量子穿梭模型
　参考文献
第十章 单电子电路原理
　10.1 单电子模拟电路
　　10.1.1 单电子数／模转换器
　　10.1.2 单电子模／数转换器
　10.2 单电子逻辑电路
　　10.2.1 电压态单电子逻辑
　　10.2.2 电荷态单电子逻辑
　　10.2.3 单电子和cMOS混合逻辑电路
　10.3 单电子存储器
　　10.3.1 单电子陷阱存储器原理
　　10.3.2 单电子存储器的读出单元
　　10.3.3 多晶硅Mos管浮点单电子存储器
　参考文献
第十一章 单电子器件和电路模拟器
　11.1 模拟器类型和层次结构
　11.2 蒙特卡罗模拟法
　　11.2.1 理论原理
　　11.2.2 算法流程图
　　11.2.3 模拟器应用实例
　11.3 主方程模拟器
　　11.3.1 主方程模拟器的构建原理
　　11.3.2 模拟器的应用实例
　　11.3.3 主方程模拟器简介
　11.4 SETHSPICE模拟器
　　11.4.1 SET-SPICE模拟器简介
　　11.4.2 C-SET稳态主方程模型
　　11.4.3 C-SET精简稳态主方程模型
　　11.4.4 C-SET宏模型
　　11.4.5 GSET模型的SPICE实现
　　11.4.6 模拟器应用实例
　11.5 纳机电单电子器件和电路模拟
　　11.5.1 经典牛顿方程的数值模拟
　　11.5.2 主方程模拟法
　　11.5.3 蒙特卡罗模拟法
　　11.5.4 NEM-SET单元电路设计例
　参考文献

作者介绍

文摘

序言

量子世界的微观奥秘：从单电子器件的起源到前沿应用 在这纷繁复杂的宇宙中，物质最基本的构成单元——电子，以其独特的量子属性，深刻地影响着我们对世界的认知。当我们将目光聚焦于单个电子的行为及其由此衍生的物理现象时，一个充满奇妙与挑战的领域便徐徐展开，它便是“单电子学”。这门学科不仅仅是理论物理学家探索量子力学精妙之处的实验室，更是信息技术、精密测量乃至未来计算 paradigm 变革的孕育之地。 单电子学，顾名思义，研究的是在微纳尺度下，单个电子的输运、操纵和探测。不同于宏观电路中电子流的平均行为，单电子学关注的是电子作为离散、独立的量子粒子的特性。在极低的温度、极小的尺寸和极弱的电场下，电子的量子隧穿效应、库仑阻塞效应等现象变得尤为显著，并由此催生出了一系列令人惊叹的微观器件。 单电子学诞生的基石：量子力学的革命与微纳技术的进步 单电子学的发展并非一蹴而就，它深深植根于20世纪物理学的两大革命：量子力学的诞生和半导体技术的飞速进步。量子力学彻底颠覆了经典物理学对粒子行为的描述，揭示了电子的波粒二象性、量子叠加和量子纠缠等非凡特性。这些理论上的突破为理解和预测单电子的行为提供了坚实的理论基础。 与此同时，半导体技术的不断演进，特别是晶体管的发明和微电子制造工艺的精进，使得科学家和工程师们能够以前所未有的精度制造出尺寸接近电子德布罗意波长的微纳结构。从最初的晶体管，到后来的超晶格、量子阱，再到如今的单电子晶体管（SET）和量子点（QD），这些器件的尺寸不断缩小，其内部的电子行为越来越受到量子效应的支配。 库仑阻塞：单电子器件的核心物理机制 在单电子学研究中，一个至关重要的现象是“库仑阻塞”。想象一下，在一个极小的导电岛屿上，只有少数几个电子可以存在。当第一个电子进入这个岛屿时，它会因为自身携带的电荷而产生一个静电势。如果想要第二个电子也进入这个岛屿，它就需要克服由第一个电子产生的静电排斥力，这意味着需要额外的能量。在特定条件下，这个额外的能量会大于电子在电路中获得的能量，从而阻止第二个电子进入岛屿，这种现象就叫做库仑阻塞。 正是库仑阻塞效应，使得科学家们能够精确地控制单个电子的注入和移除。通过巧妙地设计由电极和绝缘层包裹的微小金属或半导体岛屿，并利用栅极电压来调节岛屿的电势，就可以实现对单个电子流动的精细调控。一个典型的单电子器件，如单电子晶体管（SET），通常由一个“源极”（Source）、一个“漏极”（Drain）和一个“栅极”（Gate）组成，源极和漏极之间连接着一个非常小的导电岛屿。通过改变栅极电压，可以精确地控制进入导电岛屿的电子数量，从而实现对源漏电流的极其灵敏的控制，甚至可以观察到当只有一个电子通过时产生的电流信号。 单电子器件的类型与结构 单电子学领域的研究催生了多种多样的器件，它们在结构和工作原理上各有千秋，但都围绕着对单个电子的精确操控。 单电子晶体管 (Single Electron Transistor, SET): 这是单电子学中最基础也是最重要的器件之一。如前所述，SET 利用库仑阻塞效应，通过栅极电压精确控制通过纳米岛屿的电子数量。其特点是极高的灵敏度，能够检测到单个电子的电荷变化，因此在超灵敏测量领域有着巨大的潜力。 量子点 (Quantum Dot, QD): 量子点是一类尺寸在纳米级别的半导体晶体。在量子点中，电子的运动被三维空间严格限制，表现出类原子能级的量子化特性。通过调整量子点的尺寸、形状或其周围的电场，可以调控其发光颜色或电子能级，这使得量子点在显示技术、光学传感以及量子信息处理方面备受瞩目。单个量子点本身也可以作为单电子器件的核心，实现对单个电子的存储和操控。 库仑对振器 (Coulomb Quantum Oscillator): 这类器件利用单个电子在耦合的谐振腔中产生的电荷振荡。它结合了单电子效应和微机械谐振器的特性，可以在极低的功耗下实现高效的电荷输运和探测。 单电子泵 (Single Electron Pump): 单电子泵是一种能够实现定向、精确输运单个电子的器件。通过周期性地改变电极的电势，可以“泵送”电子沿着特定的路径移动，实现每周期输出一个电子的精确控制。这对于构建未来的量子计算架构至关重要，因为它能够提供精确的量子比特操作所需的脉冲信号。 电荷耦合器 (Charge Qubits): 在量子计算领域，存储和操纵量子信息的“量子比特”是核心。利用单个电子的电荷或自旋作为量子比特是一种非常有前景的方案。电荷耦合器利用单电子器件的原理，实现对单个电子电荷状态的精确控制和相互作用，从而构建出能够进行量子逻辑运算的量子比特。 单电子学的挑战与机遇 尽管单电子学展现出巨大的潜力，但其发展并非一帆风顺，也面临着诸多挑战。 温度限制: 库仑阻塞效应对温度非常敏感。为了清晰地观察到单个电子的效应，器件通常需要在极低的温度下工作，通常在几开尔文（-270°C）甚至毫开尔文（-273°C）的温度范围。这给器件的实际应用带来了巨大的挑战，需要高效的制冷技术。 制造精度: 要实现对单个电子的精确操控，需要极高的制造精度。器件的尺寸必须达到纳米级别，并且各个部件之间的距离和绝缘性能必须达到极高的标准。任何微小的缺陷或杂质都可能影响器件的性能，甚至使其无法正常工作。 量子退相干: 在量子信息处理的应用中，如何保护脆弱的量子态免受环境干扰而发生退相干是一个普遍难题。单电子器件中的量子信息同样面临这个问题，需要采取各种措施来延长量子态的相干时间。 集成与可扩展性: 要构建复杂的单电子器件阵列或集成到现有的电子系统中，需要解决信号传输、互连和功耗等问题。实现大规模、高效率的单电子器件集成是未来发展的重要方向。 然而，这些挑战也正是驱动单电子学不断突破的动力。科学家们在材料科学、纳米制造技术、低温物理和量子控制理论等方面不断取得进展，逐步克服这些困难。 单电子学的未来展望：从精密测量到量子未来 单电子学的研究正在不断开辟新的应用领域。 超灵敏电荷探测: SET 的超高灵敏度使其成为测量极微弱电荷变化的理想工具。这在生物传感器、化学传感器以及基础物理实验中具有广泛的应用前景，例如探测单个蛋白质分子的电荷变化，或者测量单个量子系统的电荷状态。 量子计算: 如前所述，单电子器件为构建量子计算机提供了重要的基础。利用单个电子的电荷或自旋作为量子比特，结合精确的电子操控技术，有望实现强大的量子计算能力，解决目前经典计算机无法解决的复杂问题。 新型存储器: 基于单电子效应的存储器，如电荷存储器，具有高密度、低功耗的优点，可能成为下一代非易失性存储技术的重要发展方向。 精密时钟与频率标准: 精确控制单个电子的周期性运动，有望构建出更加精确的原子钟和频率标准，为科学研究和技术应用提供更高精度的基准。 纳米电子学与传感器: 单电子器件的微小尺寸和低功耗特性，使其非常适合集成到未来的纳米电子系统中，例如构建超低功耗的逻辑电路、高性能的传感器以及先进的医疗诊断设备。 总而言之，单电子学是一门充满活力和前景的学科。它以最基本的粒子——电子为对象，深入探索量子世界的精妙法则，并试图将这些法则转化为实实在在的技术应用。从揭示物理学的基本原理，到驱动信息技术的革命，再到描绘量子世界的宏伟蓝图，单电子学正引领着我们走向一个更加微观、更加智能、也更加令人兴奋的未来。对单个电子行为的深入理解和精确控制，将是解锁未来科技无限可能性的关键钥匙。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计颇具匠心，封面采用了一种低饱和度的深蓝色调，中央印着烫金的标题“量子纠缠的奥秘”，字体选择得非常古典，带着一种沉稳的历史感。我拿到书后，首先被它厚重的质感所吸引，纸张的选取似乎是那种略带粗粝感的铜版纸，翻阅时能听到轻微的沙沙声，让人感觉手里捧着的不是一本普通的读物，而是一件艺术品。内页的排版也非常考究，文字间距和行距经过了精心的设计，即使是面对大段复杂的公式推导，眼睛也不会感到过分疲劳。作者在引言部分就展现了深厚的学术功底，他没有直接跳入艰深的理论，而是用一系列富有画面感的比喻，将读者缓缓引入一个宏大而精妙的物理世界。特别是他描述粒子隧穿效应时，那种“穿墙而过，却不留下任何痕迹”的比喻，立刻抓住了我的好奇心。书中的插图质量极高，一些关键的实验装置图，不仅精确，而且色彩还原度很好，辅助理解那些抽象的概念起到了至关重要的作用。整体来看，这本书在视觉和触觉上的体验，已经超越了一本专业书籍应有的水准，更像是一本值得收藏的典藏佳作，从拿到的那一刻起，就预示着一场智力上的盛宴即将开始。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉是，它完成了一项极其艰巨的任务：将一个通常被认为是晦涩难懂的领域——“量子场论在凝聚态物理中的应用”——变得既精确又可感。作者似乎有一种魔力，能将那些抽象的希尔伯特空间和路径积分描述，转化为可以被想象的物理图像。我特别喜欢他处理费曼图的部分，没有生硬地直接套用公式，而是通过一个贯穿全书的、关于电子在晶格中运动的“旅程”叙事框架来串联起来，每种相互作用都被赋予了特定的“情节转折”。这使得原本枯燥的重整化群迭代过程，读起来也像是在追寻一个复杂谜团的真相。更难能可贵的是，书中对理论极限的讨论非常坦诚，作者毫不回避当前模型在描述极端条件（比如强关联系统）时的失效，并引导读者思考未来可能突破的方向，而不是固步自封于已有的框架。读完最后一页，我感到知识得到了极大的拓展，同时，也更加清晰地认识到物理学前沿的边界在哪里，以及探索的乐趣究竟源自何处。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我购买这本书主要是冲着作者在“拓扑量子计算”领域的最新突破性论述去的。然而，阅读体验却远超我的预期，它并不仅仅是一本技术手册，更像是一部引人入胜的科幻史诗。作者的叙事风格极其生动，他擅长用类比来解构最复杂的概念，比如他将量子比特的叠加态比喻成一个在无限维度中跳舞的精灵，活泼而又难以捉摸。书中关于Majorana费米子的探讨，从理论预言到实验观测的完整路径被描绘得波澜壮阔，让人不禁为人类智慧的精进而感到震撼。特别值得一提的是，书中对未来量子计算机实际工程化可能面临的“退相干”问题的讨论，作者提出的几种创新的纠错编码方案，观点新颖，具有极强的启发性，简直像是为我们这些研究人员指明了下一阶段的研究方向。我甚至在阅读过程中多次暂停，起身走到窗边，试图将书中的概念与窗外世界的万物联系起来，这本书的力量就在于它能够激发人超越书本本身的思考，让人对“计算”的本质产生新的敬畏。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节安排非常合理，虽然主题是关于“低维电子系统的奇异输运现象”，但它并未将重点局限于纯粹的理论推导，而是花了相当大的篇幅来探讨实验技术的发展。特别是关于扫描隧道显微镜（STM）在原子尺度上操纵电子流的介绍，简直是一堂精彩的实验技术入门课。作者对不同类型探测器响应时间的精细分析，以及如何在高真空、极低温环境下维持样品稳定性的描述，详尽到令人称奇。我尤其欣赏作者在讨论“电子-声子耦合”时所采取的辩证视角：一方面展示了其对电子行为的限制，另一方面也阐述了如何利用声子散射来调控材料特性。阅读这本书，我感觉自己像是站在一个装备精良的实验室里，亲手调整着实验参数，看着屏幕上实时变化的电流曲线。对于那些既想了解理论深度，又对如何实现这些观测有实际兴趣的物理工作者而言，这本书无疑是不可多得的宝藏，它成功地架起了理论与实践之间的鸿沟。

评分☆☆☆☆☆

我对这本新近入手的物理学著作抱有极高的期待，毕竟书名中蕴含的“超导态的非传统激发模式”听起来就充满了探索的价值。阅读初期，我发现作者在梳理现有理论体系时，表现出一种近乎偏执的严谨性。他没有轻易采信主流观点，而是习惯于对每一个基础假设进行追根溯源的剖析，这使得初读过程略显缓慢，但也为后续深入理解打下了无比坚实的基础。比如，在阐述BCS理论的局限性时，作者引用了大量鲜为人知的早期实验数据进行交叉验证，这种扎实的研究方法令人印象深刻。书中对于温度梯度和磁场耦合作用下电子云行为的数学建模部分，逻辑链条衔接得天衣无缝，每一步推导都清晰可循，对于我这种习惯于亲自演算的读者来说，简直是福音。尽管书中包含了相当数量的高级微积分和张量分析，但作者巧妙地将数学工具融入物理情境，避免了公式的堆砌感。读完关于高温超导临界点的讨论，我仿佛亲身参与了一场跨越世纪的学术辩论，耳畔仍回响着那些经典物理学家的声音，这本书成功地将历史的厚重感与前沿的探索欲完美地融合在一起。