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内容简介

　　全书主要分为三个部分：（1）主要概述纳电子学的发展和基础理论；（2）主要介绍纳电子器件（包括：共振隧穿器件、单电子器件、量子点电子器件、纳米CMOS器件和碳纳米管器件等）；（3）由纳电子器件构成的电路及其应用。全书共分八章，包括：纳米电子学和纳电子器件发展概述；纳电子学基础理论；共振隧穿器件；单电子器件；量子点电子器件；SET/MOS混合器件；碳纳米管器件；纳电子电路及应用中的问题。

作者简介

　　蔡理，空军工程大学理学院教授，博士生导师，微电子学与固体电子学学科带头人。教育部高等学校电工电子基础课程教学指导委员会委员，全军优秀教师、军队院校育才奖金奖和空军高层次科技人才，陕西省电工电子课程体系优秀教学团队带头人；主持建设的军队重点网络课程《电工学》入选军队院校精品网络课程库；指导博士学位论文获陕西省优秀博士学位论文奖和全军优秀博士学位论文提名奖，并获陕西省优秀博士学位论文导师奖杯；主持完成了国家自然科学基金项目、863创新项目和陕西省自然科学基础研究重点和面上项目等***、军队和省部级项目十多项；出版专著2部，出版教材3部，其中1部获全国优秀畅销书奖；在国际和国内重要学术期刊发表论文150余篇，其中SCI50余篇，EI60余篇。

目录

第1章 绪论 1
1．1 引言 1
1．2 微电子学向纳电子学发展及限制 3
1．2．1 微电子学向纳电子学发展 3
1．2．2 微纳电子器件的技术限制 6
1．3 纳电子学的研究与发展 8
1．3．1 纳电子学研究 9
1．3．2 纳电子学的发展 10
1．4 纳电子器件 13
1．4．1 引言 13
1．4．2 纳电子器件种类 14
1．4．3 纳电子器件应用 18
参考文献 22
第2章 纳电子学基础 32
2．1 纳结构中的量子效应 32
2．1．1 电导量子 32
2．1．2 弹道输运 33
2．1．3 普适电导涨落 34
2．1．4 库仑阻塞 34
2．1．5 量子相干效应 35
2．2 Landauer-Büttiker电导公式 36
2．2．1 两端单通道Landauer电导公式 37
2．2．2 两端多通道Büttiker电导公式 38
2．2．3 弹道结构的电导系数 39
2．3 单电子隧穿 40
2．3．1 单电子隧穿现象及条件 40
2．3．2 电流偏置单隧道结 42
2．3．3 单电子岛(双隧道结) 45
2．3．4 电子输运的主方程 47
2．4 库仑台阶和库仑振荡 48
2．4．1 引言 48
2．4．2 库仑台阶 49
2．4．3 库仑振荡 51
参考文献 52
第3章 共振隧穿器件 55
3．1 共振隧穿效应 55
3．1．1 共振隧穿现象 55
3．1．2 共振隧穿机理 56
3．2 共振隧穿器件输运理论 58
3．2．1 量子力学基础 58
3．2．2 双势垒量子阱结构共振隧穿二极管的两种物理模型 61
3．3 共振隧穿二极管的特性分析 65
3．3．1 共振隧穿二极管的特性及参数 65
3．3．2 散射和材料结构对器件特性的影响 67
3．4 共振隧穿二极管模型 68
3．4．1 电路模拟模型 68
3．4．2 物理基础的RTD模型 70
3．5 RTD器件的数字电路 72
3．5．1 RTD的基本电路 73
3．5．2 单-双稳转换逻辑单元的工作原理 75
3．5．3 单-双稳转换逻辑单元构成的数字电路 78
3．5．4 基于RTD的多值逻辑电路设计 79
3．6 RTD的模拟电路及其应用 81
3．6．1 振荡器电路 81
3．6．2 细胞神经网络神经元电路 82
3．6．3 混沌振荡器电路 83
参考文献 86
第4章 单电子器件 90
4．1 单电子盒 90
4．2 单电子陷阱 91
4．3 单电子晶体管 92
4．3．1 SET的结构及特性 92
4．3．2 多栅极SET 95
4．3．3 SET的数值模拟法及模型 97
4．4 单电子旋转门 102
4．5 单电子泵 103
4．6 单电子器件的模拟电路应用 104
4．6．1 超高灵敏静电计 104
4．6．2 单电子能谱仪 104
4．6．3 计量标准应用 105
4．6．4 红外辐射探测器 106
4．6．5 基于SET的模拟滤波器 106
4．6．6 基于SET的细胞神经网络 109
4．7 单电子器件的数字电路应用 112
4．7．1 基于SET的逻辑电路 112
4．7．2 单电子存储器 116
4．7．3 基于SET的数字滤波器 118
参考文献 121
第5章 量子点器件 125
5．1 量子元胞自动机 125
5．1．1 量子元胞自动机的结构 125
5．1．2 量子元胞自动机的原理 126
5．1．3 量子元胞自动机的特性 127
5．1．4 量子元胞自动机基本电路 128
5．2 量子元胞自动机的仿真方法 129
5．2．1 元胞间哈特里逼近法 129
5．2．2 模拟退火法 130
5．2．3 遗传模拟退火法 131
5．2．4 QCADesigner软件仿真 134
5．2．5 PSpice模型仿真 135
5．3 量子元胞自动机数字电路 136
5．3．1 基于量子元胞自动机的组合逻辑电路 136
5．3．2 基于量子元胞自动机的时序逻辑电路 139
5．3．3 量子元胞自动机数字电路设计方法 143
5．4 量子细胞神经网络及其应用 147
5．4．1 量子细胞神经网络的机理 148
5．4．2 量子细胞神经网络的非线性特性 149
5．4．3 量子细胞神经网络的混沌控制、同步及保密通信应用 154
5．4．4 量子细胞神经网络的图像处理应用 161
参考文献 175
第6章 SETMOS混合器件 180
6．1 SETMOS混合器件结构及特性 180
6．1．1 SETMOS混合器件的结构 180
6．1．2 SETMOS混合器件的工作原理及特性 181
6．2 SETMOS混合器件的模型 183
6．2．1 SETMOS混合器件的模型建立 183
6．2．2 SETMOS混合器件的仿真 185
6．3 SETMOS混合器件模拟电路应用 187
6．3．1 SETMOS积分器 187
6．3．2 SETMOS滤波器 189
6．3．3 基于SETMOS混合器件的细胞神经网络 191
6．3．4 基于SETMOS混合结构的多涡卷混沌系统 201
6．4 SETMOS混合器件数字电路应用 206
6．4．1 多值逻辑 206
6．4．2 逻辑门电路 209
6．4．3 SETMOS混合器件的数字电路应用 211
6．4．4 SETMOS混合结构在离散混沌系统中的应用 216
参考文献 223
第7章 碳纳米管器件 227
7．1 碳纳米管的结构、电特性及制备 227
7．1．1 碳纳米管的结构 227
7．1．2 碳纳米管的电特性 229
7．1．3 碳纳米管的制备 231
7．2 碳纳米管场效应管 231
7．2．1 CNTFET的I-V特性曲线 231
7．2．2 P型和N型CNTFET 233
7．2．3 接触势垒 235
7．2．4 局部栅CNTFET 236
7．2．5 双极型CNTFET 237
7．3 碳纳米管场效应管仿真模型 238
7．3．1 基于弹道输运理论的CNTFET半经典改进模型 238
7．3．2 基于线性回归的CNTFET的HSpice模型 243
7．4 碳纳米管器件的应用 246
7．4．1 基于CNTFET的二极管 246
7．4．2 基于CNTFET的逻辑电路 248
7．4．3 基于CNTFET的振荡器 249
7．4．4 基于双栅极CNTFET的可重配置逻辑电路 250
7．4．5 基于CNTFET的多值逻辑电路 251
参考文献 253
第8章 纳电子器件应用中的问题 256
8．1 单电子晶体管的非理想因素 256
8．1．1 单电子晶体管随机背景电荷的产生 256
8．1．2 背景电荷对单电子晶体管的影响 257
8．1．3 单电子晶体管背景电荷的解决方法 257
8．1．4 单电子晶体管其他非理想因素的影响 259
8．2 影响SETMOS混合器件工作的因素 260
8．2．1 CMOS器件噪声分析与抑制 260
8．2．2 SETMOS混合电路设计中偏置电流源的影响 261
8．2．3 泄漏能耗的影响与控制 262
8．3 量子细胞神经网络的非理想因素 262
8．3．1 QCNN中的非理想因素的类型 263
8．3．2 非理想因素对QCNN的影响 263
8．3．3 非理想因素影响的结果分析 270
8．4 其他器件的非理想因素影响 270
8．4．1 散射对RTD的影响 271
8．4．2 RTD的集成技术 271
8．4．3 RTD应用电路的发展展望 273
8．4．4 碳纳米管场效应管制备及特性中的问题 274
参考文献 275
参数符号 277
缩略语 280

前言/序言

　　前 言

　　纳电子学是纳米科学和技术最重要的分支和核心，其发展研究已成为一个前沿热点领域，而纳电子器件是纳电子学重要的组成部分，它的理论和潜在应用研究必将成为关注的焦点。纳电子学也是研究纳电子器件及集成纳电路系统理论和技术的基础。微纳电子器件方面的技术进步和发展之迅速，都使作者深切感受到该学科领域日新月异的变化，加之作者所在的微纳电子器件研究团队这几年又有了一些新的研究成果，考虑到这些缘由，作者针对2009年5月出版的《纳电子器件及其应用》进行了重新修订。新版书在结构体系上是保留了原书的风格和特色，立足于突出纳电子器件、电路与系统，以及潜在应用等方面，着重阐述纳电子器件的理论性和实用性。侧重介绍了几种新兴的纳电子器件，并将重点放在这些新器件的理论及其电路应用方面。将本课题组最新的研究成果尽可能多地体现在本书中，为这一新兴学科的发展提供新贡献。

　　新版书力图与当前微纳电子器件方面的发展和研究现状相适应，同时，将最新的研究成果（包括作者课题组近几年的新工作）尽可能多地体现在本版书中。新版书保持原版书的8章标题，但各节标题和具体内容做了部分的删减和增添。主要为，结合微纳电子器件领域的最新发展动态，以及新版国际半导体技术发展路线图（ITRS，2013年版），对第1章的部分内容进行修改和重新撰写，提供最新的研究现状和数据。结合课题组近几年承担的国家自然科学基金和陕西省自然科学基础研究计划重点项目，做了一些新的研究工作，将取得研究成果补充到书中相应的章节中。考虑到每章中各节内容编排更趋合理和连贯性，对第4章和第5章部分小节进行了删减、重新组合和增添新内容，第4章对单电子器件仿真方法和单电子晶体管的逻辑电路做了部分的增修和改写；第5章各节进行重新组合，将原有的5节变为现在的4节，删去原来的三维信号追踪控制内容，增添了量子细胞神经网络混沌同步和保密通信应用等相关内容。对第6章和第7章进行部分删减、改写并增添新研究成果内容，第6章中删去了相位自动控制的二进制SETMOS混合等效电路，增添了基于SETMOS混合结构的多涡卷混沌系统和在离散混沌系统中的应用等相关内容；第7章中删去了原来碳纳米管场效应管建模方法，增添了碳纳米管场效应管仿真模型等。对第2章、第3章和第8章进行部分文字修改和完善。

　　蔡理、王森和冯朝文参加了新版书的撰写工作。感谢康强副教授对本版书的润色和审校所做的工作。感谢李芹博士、吴刚博士和曾凡喜硕士对本书第1版编写的贡献。对研究生赵晓辉博士、孙铁署硕士、陈学军硕士和史党院硕士的研究工作对本书的贡献表示感谢。作者所在的微纳电子器件研究小组多年科技活动日的研讨和多项研究课题的成果都为本版书提供了极大的支撑。

　　在本书出版之际，作者要衷心感谢国家自然科学基金（61172043）和陕西省自然科学基础研究计划重点项目（2011JZ015）多年来对本课题组的资助，使我们课题组能够毫无顾忌、心无旁骛的在纳电子学这一前沿领域自由地遨游和探索，也为培养高层次人才提供了强有力的保障。还要感谢电子工业出版社高等教育分社的李秦华编辑，从本书的选题到策划出版都付出了大量的时间和精力，感谢谭海平社长和王羽佳编辑给予的关心和帮助。

　　在本书编写过程中，作者参阅了大量的文献和专著，吸取了很多宝贵的新观点和研究成果，在此对这些参考文献和著作的作者表示最诚挚的谢意。

　　本书在修订中参照各方面的意见，经过认真考虑和修改，努力使新版书尽可能做到完善，但由于本学科领域涉及内容新和范围广，加之作者水平有限，书中难免会出现一些错误和不妥之处，恳请读者批评指正。

　　作 者

　　2015年9月

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