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蒋建飞著 著

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• 纳米电子学
• 电子输运
• 库仑阻塞
• 隧道效应
• 半导体物理
• 低温物理
• 物理学

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030198822

商品编码：29774383137

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

作者：蒋建飞著

出版社：科学出版社

出版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：

商品重量：0.763kg

编辑推荐

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内容提要

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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

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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

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文摘

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序言

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《单电子学》：潜入微观世界的奇妙之旅 在这个日新月异的时代，科技的进步如同奔腾的河流，不断冲刷着我们对世界的认知边界。从宏观的宇宙星辰到微观的原子粒子，人类对物质本质的探索从未停止。而在这波涛汹涌的探索浪潮中，有一个领域正以其独特的魅力和颠覆性的潜力，悄然占据着越来越重要的位置——那就是“单电子学”。 《单电子学》这本书，顾名思义，将带领我们踏上一场深入微观世界的奇妙旅程，去探索那些构成我们物质世界最基本、最微小的“砖块”——电子的单粒子行为。这本书并非只是枯燥的物理定律罗列，而是一次引人入胜的叙事，它将科学的严谨与人文的关怀巧妙地结合，揭示了“单电子”这一概念背后蕴含的深刻物理原理，以及它在未来科技发展中所能扮演的关键角色。 想象一下，我们早已习惯了电流是由亿万电子组成的宏大“洪流”，它们汇聚成一股力量，驱动着我们的生活。然而，当我们把目光聚焦到单个电子身上时，又会发现怎样一番景象？《单电子学》将为你一一解答。它将从量子力学的基本原理出发，循序渐进地解释电子的波粒二象性，为何在微观尺度下，电子的行为会如此“乖张”和难以捉摸。你会了解到，电子不再是经典物理学中那个简单的小球，而是同时拥有波的弥散性和粒子的局域性，这种奇特的性质是理解单电子行为的关键。 本书将深入探讨“量子隧穿”这一令人着迷的现象。你将有机会理解，在一个普通的宏观世界里，一个物体想要越过一道“墙”，必须拥有足够的能量。然而，在量子世界中，单个电子却可以“穿墙而过”，即使它的能量不足以翻越。这种看似违背常理的现象，在《单电子学》中将被生动地阐释，并揭示其背后深刻的概率论和量子态演化的机制。这不仅是理论上的奇观，更是许多现代电子设备工作的基础。 《单电子学》还将重点介绍“库仑阻塞”效应。在极小的尺度下，当我们将电子一个个地注入到一个非常小的导体中时，每个电子的电荷都会对后续电子的注入产生排斥作用，阻止下一个电子的进入。这种“阻塞”效应，就像在一条狭窄的通道里，一个人的出现会让后面的人难以挤入一样，精确地控制着电子的流动，从而实现对单个电子的精确操控。本书将详细阐述这一原理，并给出相关的实验证据，让你直观地感受到微观世界中的“秩序”和“规则”。 本书的另一大亮点在于，它将详细介绍多种实现“单电子器件”的关键技术和实验装置。你将了解到，科学家们是如何通过精密的工程技术，例如制造出纳米尺度的“量子点”或“量子线”，来“囚禁”住单个电子，并对其进行精确的控制和测量。这些技术，如纳米加工、超低温制冷、高灵敏度探测器等，本身就是科技发展的尖端体现，而《单电子学》将为你揭示它们在实现单电子操控中的重要作用。 更重要的是，《单电子学》不会止步于理论的探讨，而是将目光投向了单电子学在未来科技领域的广阔应用前景。本书将深入剖析单电子学如何为下一代信息技术、计算科学以及精密测量等领域带来革命性的变革。 在计算领域，《单电子学》将为你展现“单电子晶体管”的可能性。这种新型晶体管，相较于传统的晶体管，在能量消耗和集成密度上有着巨大的优势。想象一下，未来的计算机，将不再是依靠成千上万的电子“洪流”来处理信息，而是通过精确操控每一个独立的电子来实现运算，这将极大降低能耗，并大幅提升计算效率，为解决更复杂的问题、实现更强大的计算能力提供可能。 在存储领域，《单电子学》将为你揭示“单电子存储器”的潜力。通过精确地存储单个电子，我们可以实现密度极高、速度极快的数据存储。这对于满足日益增长的数据存储需求，以及开发更高效的数据处理系统，具有不可估量的价值。 在精密测量领域，《单电子学》将为你展现其在超高精度传感器方面的应用。由于能够精确探测到单个电子的微小信号，单电子学有望制造出能够测量极其微弱物理量的传感器，例如磁场、电场甚至生物分子信号，这将为科学研究和医疗诊断带来全新的突破。 此外，《单电子学》还将探讨单电子学在量子计算领域的重要地位。单电子的量子态，例如其自旋，可以作为量子比特（qubit）的基本载体，为实现大规模、稳定的量子计算机奠定基础。这本书将帮助读者理解，为什么精确操控单电子的量子态，是迈向通用量子计算的关键一步。 《单电子学》的写作风格力求通俗易懂，即使没有深厚的物理学背景，读者也能在作者的引导下，一步步理解其中的奥秘。书中将穿插大量的类比、图示和生动的实验案例，帮助读者将抽象的物理概念具象化，从而更深刻地体会微观世界的奇妙。同时，本书也为有志于深入研究的读者提供了进一步学习的参考资料和研究方向。 这本书不仅仅是一本科普读物，更是一扇通往未来的窗口。它让我们看到，人类对微观世界的理解越发深入，就越能创造出令人惊叹的技术。从宏观到微观，从“量”到“质”，《单电子学》所描绘的不仅仅是物理学的进步，更是人类智慧的闪光。它邀请每一位对科学充满好奇的读者，一起潜入电子的微观世界，感受那份独特而强大的力量。 阅读《单电子学》，你将不仅仅是了解一个科学概念，更将开启一段关于创新、关于未来、关于我们自身是如何由这些渺小的粒子构成的思考。这是一次知识的启迪，也是一次思维的拓展，让你在理解科技发展的同时，也能感受到科学探索本身的无穷魅力。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，这本书的文字风格非常具有“学者气质”，它严谨、精确，每一个术语的选用都经过了深思熟虑，绝不含糊其辞。对于我这种追求完美表达的人来说，这无疑是一种享受。特别是书中对某些经典物理模型进行“解构”的部分，作者展现了惊人的洞察力。他们不仅展示了模型的数学形式，更深入挖掘了该模型在特定假设条件下成立的物理根源。比如，在讨论晶格振动与电子相互作用时，作者并没有满足于简单的声子概念，而是细致地剖析了不同声子模式对电子输运性质的复杂影响，甚至引用了早期文献中关于电子-声子散射的经典争论。这种对历史和细节的尊重，让阅读过程充满了回溯真理的乐趣。它迫使你停下来，不仅仅是接受结论，更是要去审视那些被我们习以为常的“基本假设”。这本书的好处在于，它训练的不仅仅是你的计算能力，更是你的批判性思维。读完之后，你会发现自己看待任何物理问题的方式都变得更加审慎和深入，不再轻易满足于表面的解释。

评分☆☆☆☆☆

从实用性的角度来看，这本书的参考价值也是无可替代的。我将其放在案头，不仅仅是为了查阅公式，更多的是作为一种解决问题的思维框架的参考。书中在每一章的末尾，都附带了大量精心设计的习题，这些习题的难度跨度极大，从基础概念的巩固到复杂系统的分析都有覆盖。更难能可贵的是，书的附录部分收录了大量关键材料的物理常数表和常用模型的解析解，这些都是科研人员在日常工作中经常需要快速查阅的宝贵资源，作者将其整理得井井有条，极大地提高了工作效率。与市面上其他侧重于某一特定应用（比如聚焦于磁性或拓扑性质）的专著不同，这本书的视野更为全面和基础，它覆盖了构成“单电子系统”的几乎所有基本物理单元和现象。因此，无论你是准备进入这个领域的新手，还是已经在该领域深耕多年的专家，都能从中找到属于自己的那份价值。它就像一本工具书和一本学术著作的完美结合体，既能教你如何思考，又能为你提供解决实际问题所需的精确数据和理论工具。

评分☆☆☆☆☆

说实话，刚开始翻看这本书时，我的内心是有些许忐忑的。毕竟，这类涉及纳米尺度和极低温环境的物理学分支，往往需要极强的专业背景作为支撑。然而，这本书成功地将学术的深度和科普的广度结合得恰到好处。作者在引入新概念时，总会先设定一个清晰的物理场景，勾勒出问题的轮廓，然后再逐步深入到微观的量子力学层面。例如，书中在解释库仑阻塞效应时，并没有直接给出繁复的势垒模型，而是通过一个极其形象的“收费站”的比喻，描述了电子在通过微小结定时所遇到的能量障碍，这种由具象到抽象的过渡，极大地降低了初学者的阅读门槛。更让我印象深刻的是，它对实验仪器和制备工艺的描述。书中穿插了大量关于电子束光刻、分子束外延等尖端技术在构建特定结构时的操作细节，这对于那些更偏向工程应用的研究人员来说，简直是如获至宝。它让你知道，理论上的美好构想，在现实中需要克服何种艰巨的制造难题。这本书的价值就在于，它构建了一座坚实的桥梁，连接了抽象的理论物理与具体的微纳器件制造实践。

评分☆☆☆☆☆

这本书，拿到手的时候，就被它那厚重的质感和精美的装帧吸引了。封面设计简洁大气，黑底白字，透露出一种严谨又不失深邃的学术气息。我原本以为这会是一本晦涩难懂的纯理论著作，毕竟“单电子学”这个名字听起来就充满了高深的物理概念。然而，翻开第一页，作者的叙述方式却异常平易近人。他似乎有一种魔力，能将那些看似遥不可及的量子现象，用日常生活中可以类比的语言娓娓道来。比如，在讲解量子隧穿效应时，作者没有直接抛出复杂的薛定谔方程，而是设想了一个微小的球体如何穿过一道比它自身还要高的“能量墙”，这种生动的比喻瞬间打通了我对这个概念的认知壁垒。阅读的过程，与其说是在学习知识，不如说是在进行一场智力上的探险。作者对细节的把握极其到位，每一个公式的推导都清晰可见，注释详尽，对于那些历史上的关键实验，也给予了充分的背景介绍，让人能真切地感受到这门学科是如何一步步发展至今的。尤其值得称赞的是，书中的插图质量极高，不仅美观，而且功能性极强，很多复杂的能带结构图和器件剖面图，仅凭一图便胜过千言万语的文字描述。这本书无疑是为严肃的科研工作者和有志于深入研究的本科生量身定制的精品教材。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，用“酣畅淋漓”来形容或许有些夸张，但绝对是近年来我接触到的最令人兴奋的技术书籍之一。它在内容的选择上展现出一种令人敬佩的平衡感——既没有陷入纯粹的数学推导的泥沼，也没有流于表面化的概念罗列。作者对于前沿研究的洞察力，是这本书的灵魂所在。我尤其欣赏其中关于量子计算基础构架的讨论部分。书中详细分析了不同物理体系下实现量子比特的优势与劣势，从超导环路到半导体量子点，作者都进行了客观且深入的比较。这种宏观的视野，使得读者能够跳出单一技术的局限，站在更广阔的物理学和工程学的角度去思考未来信息处理的可能性。书中对于实验技术的要求和挑战的描述，也极其写实，没有粉饰太平，直接点出了当前在退相干时间、操控精度等方面存在的瓶颈，这对于渴望投身该领域的年轻学者来说，是极为宝贵的“避坑指南”。读完这部分内容，我感觉自己对这个领域的研究热点和潜在方向有了更加清晰的地图。它不仅仅是知识的传递者，更像是一位经验丰富的导师，在你探索未知的道路上为你指明方向，让你少走许多弯路。