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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030343826

商品编码：29489086454

包装：平装

出版时间：2012-06-01

图书基本信息
图书名称	纳米电子学基础
作者	〔美〕George W.Hanson
定价	80.00元
出版社	科学出版社
ISBN	9787030343826
出版日期	2012-06-01
字数
页码
版次	1
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.640Kg

内容简介

纳米电子学基础分三个部分，分别在纳米物理学、单电子效应和多电子效应方面进行介绍，内容丰富、论述详实。书中有很多实验结果用来支持文中描述的物理概念，这使读者能够看到概念的真实性以及在实际技术中的重要应用，还有大量的章末问题能加强读者解决问题的能力。纳米电子学基础是本真正适用于大学工程和应用科学学生的纳米电子学教科书。

作者简介

目录

PREFACE PHOTO CREDITS PART Ⅰ FUNDAMNTALS OF NANOSCOPIC PHYSICS 1 INTRODUCTION TO NANOELECTRONICS 1.1 The'Top-Down'Approach 1.1.1 Lithography 1.2 The 'Bottom-Up'Approach 1.3 Why Nanoelectronics 1.4 Nanotechnology Potential 1.5 Main Points 1.6 Problems 2 CLASSICAL PARTICLES,CLASSICAL WAVES,AND QUANTUM PARTICLES 2.1 Comparison of Classical and Quantum Systems 2.2 Origins of Qnantum Mechanics 2.3 Lighl as Wave,Light as a Partic1e 2.3.1 Light as a Particle,or Perhaps a Wave-The Early Years 2.3.2 A Little Later-Light as a Wave 2.3.3 Finally,Light as Quantum Particle 2.4 Electrons as Particles.Electrons as Waves 2.4.1 Electrons as Particles-The Early Years 2.4.2 A Little Later-Electrons(and Everything Else)as Quantum Particles 2.4.3 Further Development of Quantum Mechanics 2.5 Wavepacket and Uncertainty 2.6 Main Points 2.7 Problems 3 QUANTUM MECHANIS OF ELECTRONS 3.1 General Postu1ates of Quantum Mechanics 3.1.1 Operators 3.1.2 Eigenvalues and Eigenfunctions 3.1.3 Hermitian Operators 3.1.4 Operators for Quantum Mechanics 3.1.5 Measurement Probability 3.2 Time-Independent Schrdinger's Equation 3.2.1 Boundary Conditions on the Wavefunction 3.3 Analogies Between Quantum Mechanics and Classical Electromagics 3.4 Probabilistic Current Density 3.5 Multiple Particle Systems 3.6 Spin and AnguIar Momentum 3.7 Main Points 3.8 Problems 4 FREE AND CONFINED ELECTRONS 4.1 Free E1ectrons 4.1.1 One-Dimensional Space 4.1.2 Three-Dimensional Space 4.2 The Free Electron Gas Theory of Metals 4.3 Electrons Confined to a Bounded Region of Space and Quantum Numbers 4.3.1 One-Dimensional Space 4.3.2 Three-Dimensional Space 4.3.3 Periodic Boundary Conditions 4.4 Fermi Level and Chenmical Potential 4.5 Partially Confined E1ectronsFinite Potential Wells 4.5.1 Finite Rectangular well 4.5.2 Parabolic WellHarmonic Oscillator 4.5.3 Triangular Well 4.6 Electrons Confined to AtomsThe Hydrogen Atom and the Periodic Table 4.6.1 The Hydrogen Atom and Quantum Numbers 4.6.2 Beyond HydrogenMultiple Electron Atoms and the Periodic Table 4.7 Quantum Dots,Wires,and Wells 4.7.1 Quantum Wells 4.7.2 Quantum Wires 4.7.3 Quantum Dots 4.8 Main Points 4.9 Problems 5 ELECTRONS SUBJECT TO A PERIODIC POTENTIAL-BAND THEORY OF SOLIDS 5.1 Crystalline Materials 5.2 Electrons in a Periodic Potential 5.3 Kronig-Penney Model of Band Structure 5.3.1 Effective Mass 5.4 Band Theory of Solids 5.4.1 Doping in Semiconductors 5.4.2 lnteracting Systems Model 5.4.3 The Effect of an Electric Field on Energy Bands 5.4.4 Bandstructures of Some Semiconductors 5.4.5 Electronic Band TransitionsInteraction of Electromagic Energy and Materials 5.5 Graphene and Carbon Nanotubes 5.5.1 Graphene 5.5.2 Carbon Nanotubes 5.6 Main Points 5.7 Problems PART Ⅱ SINGLE-ELECTRON AND FEW-ELECTRON PHENOMENA AND DEVICES 6 TUNNEL JUNCTIONS AND APPLICATIONS OF TUNNELING 6.1 Tunneling Through a Potentia1 Barrier 6.2 Potentia1 Energy Profiles for Materia1 Interfaces 6.2.1 Metal-Insulator, Metal-Semiconductor,and Metal-Insulator-Metal Junctions 6.3 Applications of Tunneling 6.3.1 Field Emission 6.3.2 Gate-Oxide Tunneling and Hot Electron Effects in MOSFETs 6.3.3 Scanning Tunneling Microscope 6.3.4 Double Barrier Tunneling and the Resonant Tunneling Diode 6.4 Main Points 6.5 Problems 7 COULOMB BLOCKADE AND THE SINGLE-ELECTRON TRANSISTOR 7.1 Coulomb Blockade 7.1.1 Coulomb Blockade in a Nanocapacitor 7.1.2 Tunnel Junctions 7.1.3 Tunnel Junctions Excited by a Current Source 7.1.4 Coulomb Blockade in a Quantum Dot Circuit 7.2 The Single-Electron Transistor 7.2.1 Single-Electron Transistor Logic 7.3 Other SET and FET Structures 7.3.1 Carbon Nanotube Transistors (FETs and SETs) 7.3.2 Semiconductor Nanowire FETs and SETs 7.3.3 Molecular SETs and Molecular Electronics 7.4 Main Points 7.5 Problems PART Ⅲ MANY ELECTRON PHENOMENA 8 PARTICLE STATISTICS AND DENSITY OF STATES 8.1 Density of States 8.1.1 Density of States in Lower Dimensions 8.1.2 Density of States in a Semiconductor 8.2 Classical and Quantum Statistics 8.2.1 Carrier Concentration in Materials 8.2.2 The Importance of the Fermi Electrons 8.2.3 Equilibrium Carrier Concentration and the Fermi Level in Semiconductors 8.3 Main Points 8.4 Problems 9 MODELS OF SEMICONDUCTOR QUANTUM WELLS,QUANTUM WIRES,AND QUANTUM DOTS 9.1 Semiconductor Heterostrures and Quantum Wells 9.1.1 Confinement Models and Two-Dimensional Electron Gas 9.1.2 Energy Band Transition in Quantum Wells 9.2 Quantum Wires and Nanowires 9.3 Quantum Dot and Nanoparticles 9.3.1 Applications of Semiconducting Quantum Dots 9.3.2 Plasmon Resonance and Metallic Nanoparticles 9.3.3 Functionalized Metallic Nanoparticles 9.4 Fabrication Techniques for Nanostructures 9.4.1 Lithography 9.4.2 Nanoimprint Lithography 9.4.3 Split-Gate Technology 9.4.4 Self-Assembly 9.5 Main Points 9.6 Ptoblems 10 NANOWIRES,BALLISTIC TRANSPORT,AND SPIN TRANSPORT 10.1 Classical and Semiclassical Transport 10.1.1 Classical Theory of ConductionFree Electron Gas Model 10.1.2 Semiclassical Theory of Electrical ConductionFermi Gas Model 10.1.3 Classical Resisance and Conductance 10.1.4 Conductivity of Metallic Nanowires-The Influence of Wire Radius 10.2 Ballistic Transport 10.2.1 Electron Collisions and Length Scales 10.2.2 Ballistic Transport Model 10.2.3 Quantum Resistance and Conductance 10.2.4 Origin of the Quantum Resistance 10.3 Carbon Nanotubes and Nanowires 10.3.1 The Effect of Nanoscale Wire Radius on Wave Velocity and Loss 10.4 Transport of Spin,and Spintronice 10.4.1 The Transport of Spin 10.4.2 Spintronic Devices and Applications 10.5 Main Points 10.6 Problems APPENDIX A SYMBOLS AND ACRONYMS APPENDIX B PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS APPENDIX C CONVENTIONAL MOSFETS APPENDIX D ANSWERS TO PROBLEMS Problems Chapter2:Classical Particles,Classical Waves,and Quantum Particles Problems Chapter3:Quantum Mechanics of Electrons Problems Chapter4:Free and Corifined Electrons Problems Chapter5:Electrons Subject to a Periodic PotentialBand Theory of Solids Prohlems Chapter6:Tunnel Junctions and Applications of Tunneling Problems Chapter7:Cou1omb Blockade and the Single-Electron Transistor Problems Chapter8:Particle Statistics and Density of States Problems Chapter9:Models of Semiconductor Quantum Wells, Quantum Wires,and Quantum Dots Problems Chapter10:Nanowires, Ballistic Transport,and Spin Transport REFERENCES INDEX

编辑推荐

文摘

序言

《微观世界的奇迹：半导体器件的奥秘与应用》 引言 在科技飞速发展的今天，我们身边的许多电子设备，从智能手机到高性能计算机，再到精密医疗仪器，其核心都离不开那一颗颗渺小却蕴含巨大能量的半导体器件。它们如同信息时代的基石，支撑着现代社会的运转。然而，这些微观世界的奇迹是如何被创造出来的？它们又蕴藏着怎样的物理原理和工程智慧？《微观世界的奇迹：半导体器件的奥秘与应用》一书，将带领读者穿越时空的界限，深入探寻半导体世界的精彩纷呈，揭示那些支撑起我们数字生活的底层技术。 本书并非一本枯燥的教科书，而是一次引人入胜的探索之旅。我们将从最基础的材料科学出发，了解哪些物质拥有“半导体”的独特属性，为何它们能在导电与绝缘之间巧妙切换，从而实现对电流的精妙控制。随后，我们将一步步揭示这些神奇的转换是如何在微观尺度上实现的，窥探电子在晶体材料中的奇妙旅程。 第一部分：半导体材料的基石 在踏入半导体器件的殿堂之前，我们必须先认识它们的“身体”——半导体材料。本书的第一部分将详细介绍构成半导体器件的物质基础。 元素周期表中的明星： 我们将聚焦于最常见的半导体材料，如硅（Si）和锗（Ge）。你会了解到，这些元素并非普通的金属或绝缘体，它们拥有独特的原子结构和电子排布，这正是它们具备半导体特性的关键。我们将深入探讨它们的晶体结构，例如金刚石立方结构，以及原子之间共价键的形成，解释为何在常温下它们导电性有限，但通过特定方式又能变得非常导电。 掺杂的魔力： 纯净的半导体材料，即“本征半导体”，其导电性相对较低，难以满足实际应用的需求。本书将重点讲解“掺杂”（Doping）这一革命性的技术。我们将详细介绍P型半导体和N型半导体的制备过程，以及掺杂元素（如磷、砷形成N型，硼、镓形成P型）如何在晶格中引入多余的电子或“空穴”，从而极大地改变半导体的导电能力。你将理解，掺杂并非简单的“添加杂质”，而是一种精密的原子工程，它为后续器件的设计提供了可能性。 电子与空穴的共舞： 在半导体材料中，电流的流动不再仅仅依赖于自由电子。本书将深入阐述“空穴”（Hole）的概念，它并非真实的粒子，而是电子缺失所留下的“位置”，却能像正电荷一样移动。我们将解析电子和空穴在电场作用下的运动机制，以及它们如何协同作用，形成半导体材料中的载流子。 能量的阶梯： 为了更深入地理解半导体的导电机制，我们将引入“能带理论”（Band Theory）。这部分内容将以相对通俗易懂的方式，解释晶体材料中电子的能量状态如何形成“价带”（Valence Band）和“导带”（Conduction Band），以及它们之间的“禁带”（Band Gap）宽度如何决定了材料的导电性。你将理解，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，正是因为它们拥有一个适中且可调的禁带宽度。 第二部分：半导体器件的基本单元 掌握了半导体材料的特性后，我们将进入半导体器件的核心部分，了解它们是如何被设计和制造出来的。 PN结的传奇： PN结是所有半导体器件的“元老”和基石。本书将详细讲解PN结的形成过程，当P型半导体与N型半导体紧密接触时，会在界面处形成一个“耗尽层”（Depletion Region），这个区域的载流子浓度极低，形成一个内建电场。我们将深入分析PN结在正向偏置（Forward Bias）和反向偏置（Reverse Bias）下的特性。在正向偏置下，PN结能够导通电流，这是二极管实现单向导电性的原理；在反向偏置下，PN结阻断电流，为许多电路的开关功能奠定基础。 二极管的多种形态： 基于PN结，我们发展出了各种各样的二极管。本书将介绍常见的二极管类型，包括： 整流二极管： 如何将交流电转换为直流电，广泛应用于电源电路。 稳压二极管（齐纳二极管）： 利用反向击穿特性实现电压的稳定，是稳压电路的关键元件。 发光二极管（LED）： 当PN结中的载流子复合时会发光，是现代照明和显示技术的重要组成部分。我们将探讨不同材料和结构如何产生不同颜色的光。 光电二极管： 接收光信号并将其转换为电信号，应用于光通信、光检测等领域。 三极管：电流的放大器： 三极管（Bipolar Junction Transistor, BJT）是现代电子学的灵魂。本书将深入解析三极管的结构，包括NPN型和PNP型。我们将详细讲解三极管的工作原理，特别是“电流放大”这一神奇功能。你将理解，微小的基极电流如何控制集电极的大电流，从而实现信号的放大。本书还将介绍三极管的各种工作状态，如放大区、饱和区和截止区，以及它们在电路中的应用。 场效应晶体管（FET）：控制的另一维度： 与三极管基于电流控制不同，场效应晶体管（Field-Effect Transistor, FET）是通过电场来控制沟道中的载流子流动。本书将介绍两种主要的FET类型： 结型场效应晶体管（JFET）： 利用PN结的结区来调制沟道的导电性。 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）： 这是目前应用最广泛的晶体管类型，尤其在集成电路中占据主导地位。我们将详细讲解MOSFET的结构，包括栅极、源极、漏极和衬底，以及“阈值电压”的概念。你将理解，改变栅极电压如何在地层中形成或消失导电沟道，从而实现对电流的精妙控制。 第三部分：集成电路的智慧结晶 将海量半导体器件“集成”在一起，是人类智慧的伟大结晶，催生了我们今天所知的数字世界。 集成电路的基本概念： 本部分将从宏观视角审视集成电路（Integrated Circuit, IC）。我们将介绍什么是集成电路，以及其与分立元件电路的区别。你将了解到，集成电路将大量的晶体管、电阻、电容等元件制作在同一块半导体芯片上，大大减小了电子设备的体积和功耗，提高了性能和可靠性。 从简单到复杂：IC的分类： 我们将介绍集成电路的两种主要分类： 模拟集成电路： 处理连续变化的模拟信号，如运算放大器、滤波器等。 数字集成电路： 处理离散的数字信号，如逻辑门、微处理器、存储器等。数字集成电路是现代计算机和通信系统的核心。 微处理器：芯片上的“大脑”： 作为数字集成电路的杰出代表，微处理器（Microprocessor）将是重点介绍的对象。我们将探讨微处理器的基本组成，包括算术逻辑单元（ALU）、控制器、寄存器等，以及它们如何协同工作，执行指令，完成复杂的计算任务。你将对计算机的“心脏”有一个初步的认识。 存储器：数字世界的记忆： 任何计算系统都离不开存储信息的方式。本书将介绍不同类型的存储器，如随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM），以及它们在集成电路中的实现方式。你将了解存储单元的构建原理，以及为何它们能够长时间地保存数据。 制造工艺的奇迹： 尽管本书不深入探讨具体工艺流程，但我们将简要介绍集成电路制造的一些关键技术，如光刻（Lithography）、刻蚀（Etching）、薄膜沉积（Thin Film Deposition）等。你将体会到，将微小的器件精确地制作在微米甚至纳米级别的芯片上，是一项何等精密的工程挑战。 第四部分：半导体器件的应用前景与挑战 半导体器件的进步永无止境，它们不断推动着科技的边界。 无处不在的应用： 本部分将展示半导体器件如何在各个领域发挥作用，从消费电子、通信网络，到工业自动化、航空航天、医疗健康，再到人工智能和物联网，半导体器件是这一切的驱动力。我们将通过一些生动的案例，让读者感受到半导体技术对我们生活和社会的影响。 未来的方向： 随着摩尔定律的挑战，半导体行业正不断探索新的材料、新的结构和新的计算范式。本书将展望半导体技术未来的发展方向，例如： 更小的尺寸，更高的集成度： 纳米技术的进一步发展，将使得器件尺寸不断缩小。 新的半导体材料： 如第三代半导体材料（GaN, SiC）在新能源、高频通信等领域的应用。 量子计算与新型计算架构： 探索颠覆性的计算方式，以及与半导体技术的结合。 面临的挑战： 尽管成就斐然，但半导体行业也面临着诸多挑战，如功耗限制、散热问题、制造精度要求、以及材料的物理极限等。本书将简要提及这些挑战，并鼓励读者思考如何克服它们。 结语 《微观世界的奇迹：半导体器件的奥秘与应用》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，去理解支撑现代科技的半导体世界。本书将以清晰的逻辑、生动的阐述，带领大家从基础的材料科学，一路探索到复杂的集成电路，并展望其光明的未来。希望通过这本书的阅读，您能对那些小小的芯片产生更深的敬意，并感受到科技进步的无穷魅力。

评分☆☆☆☆☆

坦白地说，这本书在理论深度和应用广度之间的平衡上出了问题。我感觉它像是一个中间地带的产物，既没有足够地深入到纯理论物理的高度去探讨新奇的量子输运现象（比如狄拉克锥的奇异行为或者非厄米系统的特性），也没有足够地扩展到目前产业界正在热炒的柔性电子、生物兼容电子或者基于新材料的传感器应用。它停留在了一个非常“安全”的学术区域——经典的半导体器件物理的放大和再阐述。例如，在讨论到器件的尺寸效应时，我期待看到关于量子隧穿或载流子散射机制在亚十纳米尺度下的定量分析，甚至是与经典模型偏离的具体数据对比。但这本书更多是定性地指出“尺寸缩小会带来这些问题”，然后就草草收场，转而讨论下一代CMOS技术的制造限制。这种蜻蜓点水的处理方式，使得无论想深挖理论还是想了解应用前沿的读者，都会感到意犹未尽，找不到一个真正能让自己沉浸其中的知识高地。

评分☆☆☆☆☆

这本书，老实说，给我的感觉挺矛盾的。我本来是冲着对未来科技的无限遐想去的，希望能看到一些关于量子计算、拓扑绝缘体或者室温超导这些前沿概念的深度剖析，毕竟书名听起来就带着一股“未来已来”的科技范儿。然而，读完之后，我发现大部分篇幅似乎更专注于传统的半导体物理基础，比如PN结的形成、晶体管的工作原理，以及集成电路制造工艺的初级介绍。这就像你走进一家号称卖最新款跑车的展厅，结果发现里面陈列的都是打磨得锃亮的经典老爷车。当然，老爷车本身也很有价值，它们的工程美学和设计理念至今仍是经典，对于理解现代电子学的根基至关重要。但是，对于一个期待深入了解纳米尺度下量子效应如何重塑信息处理范式的读者来说，这种“回溯”显得有些过于冗长和基础。我花了大量时间在理解那些我已经通过其他渠道接触过的概念上，期待的突破性洞察和对下一代器件物理的展望，在书中却寥寥无几。这种内容上的偏差，让阅读体验像是在进行一次扎实的、但非我所愿的“基础知识复习课”。

评分☆☆☆☆☆

我个人对书籍的语言风格有着较高的要求，我倾向于那种充满活力、能激发思考的文字，而不是教科书式的平铺直叙。这本书的写作风格极其克制和严谨，几乎到了冷酷的地步。它像是一个完美运作的机器，每一个句子都精确无误，逻辑链条密不透风，绝对不会出现任何模棱两可的表达或者富有激情的推测。这种严谨性在科学写作中是优点，但在构建一种“探索未知”的氛围时，却显得力不从心。我希望在阅读前沿科学书籍时，能感受到作者那种探索真理的兴奋感，看到一些关于“我们还不知道什么”的坦诚讨论，或者对未来可能出现的悖论进行哲学层面的思考。然而，这本书提供的是一套已经被验证的知识体系，它的边界清晰可见，没有留给读者任何想象或质疑的空间。读完后，我脑中形成的是一个稳固的、但略显僵硬的知识结构，缺乏那种能让人产生“啊哈！”时刻的火花。

评分☆☆☆☆☆

购买这本书时，我最大的期望是它能提供一个清晰的路线图，指导我如何从现有的硅基技术，过渡到下一代基于新材料或新原理的电子系统。我期待看到关于二维材料（如石墨烯、二硫化钼）作为晶体管沟道材料的优势与挑战的深入对比分析，或者对自旋电子学、光电子学在集成电路中协同工作的未来蓝图的探讨。然而，这本书的视野似乎被限制在了成熟的CMOS框架内，讨论的优化策略也大多是围绕如何让现有的技术路径走得更远。这种保守的态度，使得这本书的内容相较于近几年飞速发展的材料科学和器件物理领域，显得有些滞后。它更像是一本内容扎实的“典籍”，而非一本充满前瞻性的“指南”。对于希望站在行业前沿、预测下一个十年技术拐点的读者而言，这本书提供的是坚实的回望，却未能指向清晰的远方。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事节奏简直是一场视觉上的马拉松，尤其是在描述材料科学和器件结构搭建的部分。我得承认，作者在对微纳加工流程的细致描绘上确实下了苦功，图文并茂地展示了光刻、刻蚀、薄膜沉积等一系列步骤。但是，这种详尽到了令人窒息的程度，仿佛作者深怕读者遗漏任何一个工艺参数。每一个步骤都被拆解得支离破碎，从温度控制到气体流量，事无巨细地罗列出来。我本来希望能够理解这些工艺如何服务于某种特定的电学功能，或者如何通过精密的控制来克服纳米尺度下的随机性。结果，我得到的是一份极其详尽的“操作手册”的文本版。对于一个习惯了高屋建瓴、注重物理机制而非工程细节的读者来说，这种深入到原子层面的描述，虽然技术上无可挑剔，但在阅读的连贯性和思想的启发性上却大打折扣。读到后来，我开始感觉自己像是一个被困在巨型工厂里的工人，被要求熟悉每一台机器的每一个螺丝钉，却忘记了我们最终要制造的是什么。