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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5

1.3 纳电子学的研究与发展8

1.3.1 纳电子学研究8

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13

1.4.3 纳电子器件应用18

参考文献23

第2章 纳电子学基础34

2.1 纳结构中量子效应34

2.1.1 电导量子34

2.1.2 弹道输运35

2.1.3 普适电导涨落36

2.1.4 库仑阻塞37

2.1.5 量子相干效应38

2.2 Landauer-Büttiker电导公式39

2.2.1 两端单通道Landauer电导公式39

2.2.2 两端多通道Büttiker电导公式40

2.2.3 弹道结构的电导系数41

2.3 单电子隧穿42

2.3.1 单电子隧穿现象及条件42

2.3.2 电流偏置单隧道结44

2.3.3 单电子岛（双隧道结）47

2.3.4 电子输运的主方程49

2.4 库仑台阶和库仑振荡50

2.4.1 引言51

2.4.2 库仑台阶51

2.4.3 库仑振荡53

参考文献54

第3章 共振隧穿器件57

3.1 共振隧穿效应58

3.1.1 共振隧穿现象58

3.1.2 共振隧穿机理58

3.2 共振隧穿器件输运理论60

3.2.1 量子力学基础60

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63

3.3 共振隧穿二极管的特性分析66

3.3.1 共振隧穿二极管的特性及参数67

3.3.2 散射和材料结构对器件特性的影响68

3.4 共振隧穿二极管模型70

3.4.1 电路模拟模型70

3.4.2 物理基础的RTD模型72

3.5 RTD器件的数字电路74

3.5.1 RTD的基本电路75

3.5.2 单-双稳转换逻辑单元的工作原理77

3.5.3 单-双稳转换逻辑单元构成的数字电路79

3.5.4 基于RTD的多值逻辑电路设计80

3.6 RTD的模拟电路及其应用82

3.6.1 振荡器电路82

3.6.2 细胞神经网络神经元电路83

3.6.3 混沌振荡器电路83

参考文献87

第4章 单电子器件91

4.1 单电子盒91

4.2 单电子陷阱93

4.3 单电子晶体管93

4.3.1 SET的结构及原理93

4.3.2 SET的特性95

4.3.3 多栅极SET的结构及原理96

4.3.4 多栅极SET的I-V特性96

4.3.5 SET的数值模拟方法和仿真模型98

4.4 单电子旋转门105

4.5 单电子泵106

4.6 单电子器件的模拟电路应用106

4.6.1 超高灵敏静电计106

4.6.2 单电子能谱仪108

4.6.3 计量标准应用108

4.6.4 红外辐射探测器109

4.6.5 基于SET的模拟滤波器110

4.6.6 基于SET的细胞神经网络112

4.7 单电子器件的数字电路应用115

4.7.1 基于SET的逻辑电路115

4.7.2 单电子存储器118

4.7.3 基于SET的数字滤波器120

参考文献123

第5章 量子点器件127

5.1 量子元胞自动机127

5.1.1 量子元胞自动机的结构127

5.1.2 量子元胞自动机的原理128

5.1.3 量子元胞自动机的特性129

5.2 量子元胞自动机基本电路130

5.3 量子元胞自动机的仿真方法131

5.3.1 元胞间哈特里逼近法131

5.3.2 模拟退火法132

5.3.3 遗传模拟退火法133

5.3.4 QCADesigner软件仿真136

5.3.5 SPICE模型仿真137

5.4 量子细胞神经网络及其应用138

5.4.1 量子细胞神经网络的机理138

5.4.2 量子细胞神经网络的非线性特性140

5.4.3 QCNN的追踪控制应用146

5.4.4 QCNN的图像处理应用153

5.5 量子元胞自动机逻辑电路及应用165

5.5.1 基于量子元胞自动机的异或门和加法器设计165

5.5.2 量子元胞自动机移位寄存器168

5.5.3 量子元胞自动机存储器设计171

5.5.4 量子元胞自动机数字电路设计方法174

参考文献179

第6章 SETMOS混合器件184

6.1 SETMOS混合器件结构及特性184

6.1.1 SETMOS混合器件的结构184

6.1.2 SETMOS混合器件的工作原理及特性186

6.2 SETMOS混合器件的模型188

6.2.1 SETMOS混合器件的模型建立189

6.2.2 SETMOS混合器件的仿真190

6.3 SETMOS混合器件模拟电路应用192

6.3.1 SETMOS积分器192

6.3.2 SETMOS滤波器194

6.3.3 基于SETMOS混合器件的细胞神经网络196

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212

参考文献217

第7章 碳纳米管器件220

7.1 碳纳米管的结构、电特性及制备方法220

7.1.1 碳纳米管的结构220

7.1.2 碳纳米管的电特性222

7.1.3 碳纳米管的制备224

7.2 碳纳米管场效应管225

7.2.1 CNTFET的I-V特性曲线225

7.2.2 P型和N型CNTFET226

7.2.3 接触势垒228

7.2.4 局部栅CNTFET228

7.2.5 双极型CNTFET230

7.3 碳纳米管场效应管建模方法231

7.3.1 基于弹道输运的建模方法231

7.3.2 肖特基势垒建模方法232

7.4 碳纳米管器件的应用234

7.4.1 基于CNTFET的二极管234

7.4.2 基于CNTFET的逻辑电路236

7.4.3 基于CNTFET的振荡器237

7.4.4 基于双栅极CNTFET的可重配置逻辑电路238

7.4.5 基于CNTFET的多值逻辑电路239

参考文献241

第8章 纳电子器件应用中的问题243

8.1 单电子晶体管随机背景电荷影响243

8.1.1 单电子晶体管随机背景电荷的产生243

8.1.2 背景电荷对单电子晶体管的影响244

8.1.3 单电子晶体管背景电荷的解决方法244

8.2 影响SETMOS混合器件工作的因素246

8.2.1 CMOS器件噪声分析与抑制246

8.2.2 SETMOS混合电路设计中偏置电流源的影响248

8.2.3 泄漏能耗的影响与控制248

8.3 量子细胞神经网络的非理想因素249

8.3.1 QCNN中的非理想因素的类型249

8.3.2 非理想因素对QCNN的影响250

8.3.3 非理想因素影响的结果分析255

8.4 其他器件的非理想因素影响256

8.4.1 散射对RTD的影响256

8.4.2 RTD的集成技术257

8.4.3 RTD应用电路的发展展望259

8.4.4 碳纳米管场效应管制备及特性中的问题260

参考文献261

参数符号263

缩略语266