了得網工業技術_納電子器件及其應用（第2版）

內容簡介

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混合器件；碳納米管器件；納電子電路及應用中的問題。

作者簡介

蔡理，空軍工程大學理學院教授，博士生導師，微電子學與固體電子學學科帶頭人。*高等學校電工電子基礎課程教學指導委員會委員，全軍優秀教師、軍隊院校育纔獎金獎和空軍高層次科技人纔，陝西省電工電子課程體繫優秀教學團隊帶頭人；主持建設的軍隊重點網絡課程《電工學》入選軍隊院校精品網絡課程庫；指導博士學位論文獲陝西省優秀博士學位論文獎和全軍優秀博士學位論文提名獎，並獲陝西省優秀博士學位論文導師獎杯；主持完成了國家自然科學基金項目、863創新項目和陝西省自然科學基礎研究重點和面上項目等*、軍隊和省部級項目十多項；出版專著2部，出版教材3部，其中1部獲全國優秀暢銷書獎；在國際和國內重要學術期刊發表論文150餘篇，其中SCI 50餘篇，EI 60餘篇。

第1章緒論1
1.1 引言1
1.2 微電子學向納電子學發展及限制3
1.2.1 微電子學向納電子學發展3
1.2.2 微納電子器件的技術限制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第1章緒論1

1.1 引言1

1.2 微電子學向納電子學發展及限制3

1.2.1 微電子學向納電子學發展3

1.2.2 微納電子器件的技術限制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 量子相干效應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 彈道結構的電導繫數39

2.3 單電子隧穿40

2.3.1 單電子隧穿現像及條件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 庫侖臺階和庫侖振蕩48

2.4.1 引言48

2.4.2 庫侖臺階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 共振隧穿現像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-雙穩轉換的工作原理75

3.5.3 單-雙穩轉換構成的數字電路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SET95

4.3.3 SET的數值模擬法及模型97

4.4 單電子旋轉門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 胞自動機125

5.1.1 胞自動機的結構125

5.1.2 胞自動機的原理126

5.1.3 胞自動機的特性127

5.1.4 胞自動機基本電路128

5.2 胞自動機的仿真方法129

5.2.1 &nb胞間哈特裡逼近法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 胞自動機數字電路136

5.3.1 基胞自動機的組合邏輯電路136

5.3.2 基胞自動機的時序邏輯電路139

5.3.3 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線性特性149

5.4.3 量子細胞神經網絡的混沌控制、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混合器件180

6.1 SETMOS混合器件結構及特性180

6.1.1 SETMOS混合器件的結構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混合器件的細胞神經網絡191

6.3.4 基於SETMOS混合結構的多渦卷混沌繫統201

6.4 SETMOS混合器件數字電路應用206

6.4.1 多值邏輯206

6.4.2 邏輯門電路209

6.4.3 SETMOS混合器件的數字電路應用211

6.4.4 SETMOS混合結構在離散混沌繫統中的應用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、電特性及制備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 碳納米管的制備231

7.2 碳納米管場效應管231

7.2.1 CNTFET的I-V特性曲線231

7.2.2 P型和N型CNTFET233

7.2.3 接觸勢壘235

7.2.4 局部柵CNTFET236

7.2.5 雙極型CNTFET237

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 基於線性回歸的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產生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混合器件工作的因素260

8.2.1 CMOS器件噪聲分析與抑制260

8.2.2 SETMOS混合電路設計中偏置電流源的影響261

8.2.3 洩漏能耗的影響與控制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 碳納米管場效應管制備及特性中的問題274

參考文獻275

參數符號277

縮略語280

前言

前言
納電子學是納米科學和技術重要的分支和核心，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繫統理論和技術的基礎。微納電子器件方面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了一些新的研究成果，考慮到這些緣由，作者針對2009年5月出版的《納電子器件及其應用》進行了重新修訂。新版書在結構體繫上是保留了原書的風格和特色，立足於突出納電子器件、電路與繫統，以及潛在應用等方面，著重闡述納電子器件的理論性和實用性。側重介紹了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面。將本課題組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。前言

納電子學是納米科學和技術重要的分支和核心，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繫統理論和技術的基礎。微納電子器件方面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了一些新的研究成果，考慮到這些緣由，作者針對2009年5月出版的《納電子器件及其應用》進行了重新修訂。新版書在結構體繫上是保留了原書的風格和特色，立足於突出納電子器件、電路與繫統，以及潛在應用等方面，著重闡述納電子器件的理論性和實用性。側重介紹了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面。將本課題組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面的發展和研究現狀相適應，同時，將的研究成果(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了部分的刪減和增添。主要為，結合微納電子器件領域的發展動態，以及新版國際半導體技術發展路線圖(ITRS，2013年版)，對第1章的部分內容進行修改和重新撰寫，提供的研究現狀和數據。結合課題組近幾年承擔的國家自然科學基金和陝西省自然科學基礎研究計劃重點項目，做了一些新的研究工作，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合理和連貫性，對第4章和第5章部分小節進行了刪減、重新組合和增添新內容，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了部分的增修和改寫；第5章各節進行重新組合，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制內容，增添了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章中刪去了相位自動控制的二進制SETMOS混合等效電路，增添了基於SETMOS混合結構的多渦卷混沌繫統和在離散混沌繫統中的應用等相關內容；第7章中刪去了原來碳納米管場效應管建模方法，增添了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、王森和馮朝文參加了新版書的撰寫工作。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表示感謝。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了極大的支撐。

在本書出版之際，作者要衷心感謝國家自然科學基金(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了強有力的保障。還要感謝電子工業出版社高等教育分社的李秦華編輯，從本書的選題到策劃出版都付出了大量的時間和精力，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，作者參閱了大量的文獻和專著，吸取了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表示誠摯的謝意。

本書在修訂中參照各方面的意見，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，書中難免會出現一些錯誤和不妥之處，懇請讀者批評指正。

作者

2015年9月

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