單電子學

《單電子學》是一部有明確的學術觀點、理論體系及很強應用背景的學術著作，系統地論述了以半經典理論為基礎的單電子器件物理，包括網路分析理論、正統理論和超正統理論；傳統概念下單電子電路的原理以及非傳統概念單電子電路的研究；單電子系統的模擬方法，包括單電子器件和電路蒙特卡羅模擬法，單電子器件和電路主方程模擬法，單電子器件和電路與集成電路通用模擬程序(SPICE)兼容模擬法。

單電子學是納電子學最重要的分支之一，它是有可能部分替代發展至終極時的納米MOS電子學的最重要候選者之一。

本書系統地論述了以半經典理論為基礎的單電子器件物理，包括網路分析理論、正統理論和超正統理論；傳統概念下單電子電路的原理以及非傳統概念單電子電路的研究；單電子系統的模擬方法，包括單電子器件和電路蒙特卡羅模擬法，單電子器件和電路主方程模擬法，單電子器件和電路與集成電路通用模擬程序(SPICE)兼容模擬法。本書是一部有明確的學術觀點、理論體系及很強應用背景的學術著作。

本書可以作為納米科學技術和相關學科的科學家、工程師、教師的參考書，也可供電子科學技術一級學科和交叉學科(計算機學、物理學、化學、生物學、材料學等)從事納米科學技術學習和研究的高年級本科生、碩士研究生、博士研究生參考閱讀。

前言

基本符號表

第一章緒論

1.1引言

1.2單電子器件物理

1.3單電子電路原理

1.4單電子器件和電路模擬器

參考文獻

第二章單電子器件的網路理論和靜電學

2.1單電子器件的網路理論

2.1.1等效電源定理

2.1.2單電子隧道結的網路模型

2.1.3柵控一維單電子隧道結陣列的網路模型

2.1.4單電子箱的網路模型

2.1.5電容耦合單電子晶體管的網路模型

2.1.6等效電流源模型

2.2單電子系統靜電學

2.2.1靜電勢的多極展開

2.2.2靜電能

2.2.3球形庫侖島

2.2.4超薄圓盤庫侖島

2.2.5環形納米線庫侖島

2.2.6納米線庫侖島

2.2.7橢球庫侖島

2.2.8碳納米管庫侖島

2.2.9單電子系統的自由能

2.3電容耦合單電子晶體管極限性能的估計

參考文獻

第三章金屬基單電子器件的半經典理論

3.1金屬基單電子隧道結的半經典理論

3.1.1費米黃金定律

3.1.2隧穿率

3.2單電子隧道結的主方程：半經典動力學推導法

3.3單電子隧道結的主方程：密度算符推導法

3.3.1密度算符及其運動方程

3.3.2單電子隧道結主方程的密度算符推導法

3.3.3庫侖阻塞和庫侖振蕩的主方程解釋

3.4單電子晶體管的正統理論

3.4.1電容耦合單電子晶體管

3.4.2電阻耦合單電子晶體管

3.4.3電阻和電容串聯耦合單電子晶體管

3.5一維單電子隧道結陣列的電荷孤子和反孤子輸運

3.5.1單電子電荷孤子和反孤子

3.5.2一維單電子隧道結陣列作為電阻耦合單電子晶體管的柵電阻

參考文獻

第四章金屬基單電子器件的電磁環境效應

4.1經典電荷弛豫

4.2LC迴路的量子原理

4.3考慮電磁環境效應的單電子隧道結的系統哈密頓

4.3.1電磁環境哈密頓

4.3.2隧道哈密頓

4.3.3准粒子哈密頓

4.3.4系統哈密頓

4.4考慮電磁環境效應的單電子隧道結的隧穿率

4.4.1微擾理論

4.4.2探究電磁環境態

4.4.3相位一相位相關函數

4.4.4隧穿率公式

4.4.5相位一相位相關函數和環境阻抗

4.4.6能量交換概率P(E)的一般性質

4.4.7電流一電壓特性的一般性質

4.4.8低阻抗電磁環境

4.4.9高阻抗電磁環境

4.5單電子隧道結電磁環境效應的實例

4.5.1以集中電感作為電磁環境：集中L模型

4.5.2以集中電阻作為電磁環境：集中R模型

4.5.3以集中電感和電阻相串聯作為電磁環境：集中LR模型

4.5.4以分佈電感、電阻和電容傳輸線作為電磁環境：分佈LoRoCo傳輸線模型

4.5.5以分佈電感和電容傳輸線作為電磁環境：分佈LoCo傳輸線模型

4.5.6以分佈電阻和電容傳輸線作為電磁環境：分佈RoCo傳輸線模型

4.6考慮電磁環境效應的單電子晶體管的隧穿率

4.6.1隧穿率

4.6.2低阻抗電磁環境

4.6.3高阻抗電磁環境

4.7考慮電磁環境效應的多結系統的隧穿率

參考文獻

第五章金屬基單電子器件的共隧道效應

5.1彈性和非彈性共隧道效應

5.2單電子晶體管共隧道的半經典理論

5.3一維單電子隧道結陣列的共隧道半經典理論

5.3.1隧穿率

5.3.2O近似

5.3.3=一△F/2n”的近似

5.4無柵電荷偏置的1DSETJA的電流一電壓特性分析

5.5柵電荷偏置的1DsETJA的簡化網路分析模型

5.6單電子電荷泵的精度分析

5.6.1優化偏置

5.6.2單個隧道結的單電子隧穿

5.6.3初態的衰減

5.6.4共隧道隧穿率

5.6.5泄漏和轉換誤差

5.6.6共隧道誤差

5.6.7熱誤差

5.6.8頻率誤差

5.6.9誤差的近似估算

參考文獻

第六章金屬基單電子器件的雜訊

6.1一般經典雜訊機制

6.1.1散粒雜訊

6.1.2熱雜訊

6.1.3閃爍雜訊(1/f雜訊)

6.2單電子晶體管的熱雜訊和散粒雜訊

6.2.1經典雜訊的一般公式

6.2.2主方程的頻域解

6.2.3譜密度的矩陣形式

6.2.4低頻雜訊

6.2.5直流雜訊

6.2.6超靈敏度單電子靜電計的雜訊

6.3一維單電子隧道結陣列中的散粒雜訊

6.3.1電荷傳輸的離散性

6.3.2譜密度的計算

6.3.3接地1I).SETJA散粒雜訊

6.3.4不接地1I).SETJA散粒雜訊

6.3.5考慮背景電荷時1D-SETJA的散粒雜訊

參考文獻

第七章介觀超導隧道結理論

7.1二次量子隧道效應

7.2q的量子Langevin方程

7.3布洛赫波振蕩和電流一電壓特性

7.4漲落效應

7.5密度矩陣分析法

7.6單電子現象和磁通量子化之間的對偶性

7.6.1對偶性的法則

7.6.2經典器件和電路的對偶性

7.6.3介觀器件和電路的對偶性

參考文獻

第八章半導體基和人造原子單電子器件理論

8.1半導體人造原子中的單電子效應

8.2線性響應理論

8.2.1基本關係式

8.2.2線性響應

8.2.3電導公式的極限形式

8.2.4非彈性散射效應

8.2.5對庫侖陽塞振蕩效應的應用

8.3非線性響應理論

8.3.1模型和基本方程

8.3.2大面積量子阱

8.3.3小面積量子阱

參考文獻

第九章納機電單電子器件理論

9.1實驗型納機電單電子晶體管

9.2穿梭輸運的類型

9.3粒子的經典穿梭模型

9.3.1本徵模型

9.3.2電荷傳輸的太空梭制

9.3.3耗散系統的模型

9.3.4隧穿區和穿梭區

9.3.5非理想模型

9.3.6柵控納機電單電子晶體管

9.3.7范德瓦耳斯力的作用

9.3.8三維本徵模型

9.4電子波的經典穿梭模型

9.5粒子的量子穿梭模型

參考文獻

第十章單電子電路原理

10.1單電子模擬電路

10.1.1單電子數/模轉換器

10.1.2單電子模/數轉換器

10.2單電子邏輯電路

10.2.1電壓態單電子邏輯

10.2.2電荷態單電子邏輯

10.2.3單電子和cMOS混合邏輯電路

10.3單電子存儲器

10.3.1單電子陷阱存儲器原理

10.3.2單電子存儲器的讀出單元

10.3.3多晶硅Mos管浮點單電子存儲器

參考文獻

第十一章單電子器件和電路模擬器

11.1模擬器類型和層次結構

11.2蒙特卡羅模擬法

11.2.1理論原理

11.2.2演演算法流程圖

11.2.3模擬器應用實例

11.3主方程模擬器

11.3.1主方程模擬器的構建原理

11.3.2模擬器的應用實例

11.3.3主方程模擬器簡介

11.4SETHSPICE模擬器

11.4.1SET-SPICE模擬器簡介

11.4.2C-SET穩態主方程模型

11.4.3C-SET精簡穩態主方程模型

11.4.4C-SET宏模型

11.4.5GSET模型的SPICE實現

11.4.6模擬器應用實例

11.5納機電單電子器件和電路模擬

11.5.1經典牛頓方程的數值模擬

11.5.2主方程模擬法

11.5.3蒙特卡羅模擬法

11.5.4NEM-SET單元電路設計例

參考文獻