納米電子學基礎 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030343826

商品編碼：29489086454

包裝：平裝

齣版時間：2012-06-01

圖書基本信息
圖書名稱	納米電子學基礎
作者	〔美〕George W.Hanson
定價	80.00元
齣版社	科學齣版社
ISBN	9787030343826
齣版日期	2012-06-01
字數
頁碼
版次	1
裝幀	平裝
開本	16開
商品重量	0.640Kg

內容簡介

納米電子學基礎分三個部分，分彆在納米物理學、單電子效應和多電子效應方麵進行介紹，內容豐富、論述詳實。書中有很多實驗結果用來支持文中描述的物理概念，這使讀者能夠看到概念的真實性以及在實際技術中的重要應用，還有大量的章末問題能加強讀者解決問題的能力。納米電子學基礎是本真正適用於大學工程和應用科學學生的納米電子學教科書。

作者簡介

目錄

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

編輯推薦

文摘

序言

《微觀世界的奇跡：半導體器件的奧秘與應用》 引言 在科技飛速發展的今天，我們身邊的許多電子設備，從智能手機到高性能計算機，再到精密醫療儀器，其核心都離不開那一顆顆渺小卻蘊含巨大能量的半導體器件。它們如同信息時代的基石，支撐著現代社會的運轉。然而，這些微觀世界的奇跡是如何被創造齣來的？它們又蘊藏著怎樣的物理原理和工程智慧？《微觀世界的奇跡：半導體器件的奧秘與應用》一書，將帶領讀者穿越時空的界限，深入探尋半導體世界的精彩紛呈，揭示那些支撐起我們數字生活的底層技術。 本書並非一本枯燥的教科書，而是一次引人入勝的探索之旅。我們將從最基礎的材料科學齣發，瞭解哪些物質擁有“半導體”的獨特屬性，為何它們能在導電與絕緣之間巧妙切換，從而實現對電流的精妙控製。隨後，我們將一步步揭示這些神奇的轉換是如何在微觀尺度上實現的，窺探電子在晶體材料中的奇妙旅程。 第一部分：半導體材料的基石 在踏入半導體器件的殿堂之前，我們必須先認識它們的“身體”——半導體材料。本書的第一部分將詳細介紹構成半導體器件的物質基礎。 元素周期錶中的明星： 我們將聚焦於最常見的半導體材料，如矽（Si）和鍺（Ge）。你會瞭解到，這些元素並非普通的金屬或絕緣體，它們擁有獨特的原子結構和電子排布，這正是它們具備半導體特性的關鍵。我們將深入探討它們的晶體結構，例如金剛石立方結構，以及原子之間共價鍵的形成，解釋為何在常溫下它們導電性有限，但通過特定方式又能變得非常導電。 摻雜的魔力： 純淨的半導體材料，即“本徵半導體”，其導電性相對較低，難以滿足實際應用的需求。本書將重點講解“摻雜”（Doping）這一革命性的技術。我們將詳細介紹P型半導體和N型半導體的製備過程，以及摻雜元素（如磷、砷形成N型，硼、鎵形成P型）如何在晶格中引入多餘的電子或“空穴”，從而極大地改變半導體的導電能力。你將理解，摻雜並非簡單的“添加雜質”，而是一種精密的原子工程，它為後續器件的設計提供瞭可能性。 電子與空穴的共舞： 在半導體材料中，電流的流動不再僅僅依賴於自由電子。本書將深入闡述“空穴”（Hole）的概念，它並非真實的粒子，而是電子缺失所留下的“位置”，卻能像正電荷一樣移動。我們將解析電子和空穴在電場作用下的運動機製，以及它們如何協同作用，形成半導體材料中的載流子。 能量的階梯： 為瞭更深入地理解半導體的導電機製，我們將引入“能帶理論”（Band Theory）。這部分內容將以相對通俗易懂的方式，解釋晶體材料中電子的能量狀態如何形成“價帶”（Valence Band）和“導帶”（Conduction Band），以及它們之間的“禁帶”（Band Gap）寬度如何決定瞭材料的導電性。你將理解，半導體的導電性介於導體和絕緣體之間，正是因為它們擁有一個適中且可調的禁帶寬度。 第二部分：半導體器件的基本單元 掌握瞭半導體材料的特性後，我們將進入半導體器件的核心部分，瞭解它們是如何被設計和製造齣來的。 PN結的傳奇： PN結是所有半導體器件的“元老”和基石。本書將詳細講解PN結的形成過程，當P型半導體與N型半導體緊密接觸時，會在界麵處形成一個“耗盡層”（Depletion Region），這個區域的載流子濃度極低，形成一個內建電場。我們將深入分析PN結在正嚮偏置（Forward Bias）和反嚮偏置（Reverse Bias）下的特性。在正嚮偏置下，PN結能夠導通電流，這是二極管實現單嚮導電性的原理；在反嚮偏置下，PN結阻斷電流，為許多電路的開關功能奠定基礎。 二極管的多種形態： 基於PN結，我們發展齣瞭各種各樣的二極管。本書將介紹常見的二極管類型，包括： 整流二極管： 如何將交流電轉換為直流電，廣泛應用於電源電路。 穩壓二極管（齊納二極管）： 利用反嚮擊穿特性實現電壓的穩定，是穩壓電路的關鍵元件。 發光二極管（LED）： 當PN結中的載流子復閤時會發光，是現代照明和顯示技術的重要組成部分。我們將探討不同材料和結構如何産生不同顔色的光。 光電二極管： 接收光信號並將其轉換為電信號，應用於光通信、光檢測等領域。 三極管：電流的放大器： 三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）是現代電子學的靈魂。本書將深入解析三極管的結構，包括NPN型和PNP型。我們將詳細講解三極管的工作原理，特彆是“電流放大”這一神奇功能。你將理解，微小的基極電流如何控製集電極的大電流，從而實現信號的放大。本書還將介紹三極管的各種工作狀態，如放大區、飽和區和截止區，以及它們在電路中的應用。 場效應晶體管（FET）：控製的另一維度： 與三極管基於電流控製不同，場效應晶體管（Field-Effect Transistor, FET）是通過電場來控製溝道中的載流子流動。本書將介紹兩種主要的FET類型： 結型場效應晶體管（JFET）： 利用PN結的結區來調製溝道的導電性。 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）： 這是目前應用最廣泛的晶體管類型，尤其在集成電路中占據主導地位。我們將詳細講解MOSFET的結構，包括柵極、源極、漏極和襯底，以及“閾值電壓”的概念。你將理解，改變柵極電壓如何在地層中形成或消失導電溝道，從而實現對電流的精妙控製。 第三部分：集成電路的智慧結晶 將海量半導體器件“集成”在一起，是人類智慧的偉大結晶，催生瞭我們今天所知的數字世界。 集成電路的基本概念： 本部分將從宏觀視角審視集成電路（Integrated Circuit, IC）。我們將介紹什麼是集成電路，以及其與分立元件電路的區彆。你將瞭解到，集成電路將大量的晶體管、電阻、電容等元件製作在同一塊半導體芯片上，大大減小瞭電子設備的體積和功耗，提高瞭性能和可靠性。 從簡單到復雜：IC的分類： 我們將介紹集成電路的兩種主要分類： 模擬集成電路： 處理連續變化的模擬信號，如運算放大器、濾波器等。 數字集成電路： 處理離散的數字信號，如邏輯門、微處理器、存儲器等。數字集成電路是現代計算機和通信係統的核心。 微處理器：芯片上的“大腦”： 作為數字集成電路的傑齣代錶，微處理器（Microprocessor）將是重點介紹的對象。我們將探討微處理器的基本組成，包括算術邏輯單元（ALU）、控製器、寄存器等，以及它們如何協同工作，執行指令，完成復雜的計算任務。你將對計算機的“心髒”有一個初步的認識。 存儲器：數字世界的記憶： 任何計算係統都離不開存儲信息的方式。本書將介紹不同類型的存儲器，如隨機存取存儲器（RAM）和隻讀存儲器（ROM），以及它們在集成電路中的實現方式。你將瞭解存儲單元的構建原理，以及為何它們能夠長時間地保存數據。 製造工藝的奇跡： 盡管本書不深入探討具體工藝流程，但我們將簡要介紹集成電路製造的一些關鍵技術，如光刻（Lithography）、刻蝕（Etching）、薄膜沉積（Thin Film Deposition）等。你將體會到，將微小的器件精確地製作在微米甚至納米級彆的芯片上，是一項何等精密的工程挑戰。 第四部分：半導體器件的應用前景與挑戰 半導體器件的進步永無止境，它們不斷推動著科技的邊界。 無處不在的應用： 本部分將展示半導體器件如何在各個領域發揮作用，從消費電子、通信網絡，到工業自動化、航空航天、醫療健康，再到人工智能和物聯網，半導體器件是這一切的驅動力。我們將通過一些生動的案例，讓讀者感受到半導體技術對我們生活和社會的影響。 未來的方嚮： 隨著摩爾定律的挑戰，半導體行業正不斷探索新的材料、新的結構和新的計算範式。本書將展望半導體技術未來的發展方嚮，例如： 更小的尺寸，更高的集成度： 納米技術的進一步發展，將使得器件尺寸不斷縮小。 新的半導體材料： 如第三代半導體材料（GaN, SiC）在新能源、高頻通信等領域的應用。 量子計算與新型計算架構： 探索顛覆性的計算方式，以及與半導體技術的結閤。 麵臨的挑戰： 盡管成就斐然，但半導體行業也麵臨著諸多挑戰，如功耗限製、散熱問題、製造精度要求、以及材料的物理極限等。本書將簡要提及這些挑戰，並鼓勵讀者思考如何剋服它們。 結語 《微觀世界的奇跡：半導體器件的奧秘與應用》旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，去理解支撐現代科技的半導體世界。本書將以清晰的邏輯、生動的闡述，帶領大傢從基礎的材料科學，一路探索到復雜的集成電路，並展望其光明的未來。希望通過這本書的閱讀，您能對那些小小的芯片産生更深的敬意，並感受到科技進步的無窮魅力。

評分☆☆☆☆☆

我個人對書籍的語言風格有著較高的要求，我傾嚮於那種充滿活力、能激發思考的文字，而不是教科書式的平鋪直敘。這本書的寫作風格極其剋製和嚴謹，幾乎到瞭冷酷的地步。它像是一個完美運作的機器，每一個句子都精確無誤，邏輯鏈條密不透風，絕對不會齣現任何模棱兩可的錶達或者富有激情的推測。這種嚴謹性在科學寫作中是優點，但在構建一種“探索未知”的氛圍時，卻顯得力不從心。我希望在閱讀前沿科學書籍時，能感受到作者那種探索真理的興奮感，看到一些關於“我們還不知道什麼”的坦誠討論，或者對未來可能齣現的悖論進行哲學層麵的思考。然而，這本書提供的是一套已經被驗證的知識體係，它的邊界清晰可見，沒有留給讀者任何想象或質疑的空間。讀完後，我腦中形成的是一個穩固的、但略顯僵硬的知識結構，缺乏那種能讓人産生“啊哈！”時刻的火花。

評分☆☆☆☆☆

坦白地說，這本書在理論深度和應用廣度之間的平衡上齣瞭問題。我感覺它像是一個中間地帶的産物，既沒有足夠地深入到純理論物理的高度去探討新奇的量子輸運現象（比如狄拉剋錐的奇異行為或者非厄米係統的特性），也沒有足夠地擴展到目前産業界正在熱炒的柔性電子、生物兼容電子或者基於新材料的傳感器應用。它停留在瞭一個非常“安全”的學術區域——經典的半導體器件物理的放大和再闡述。例如，在討論到器件的尺寸效應時，我期待看到關於量子隧穿或載流子散射機製在亞十納米尺度下的定量分析，甚至是與經典模型偏離的具體數據對比。但這本書更多是定性地指齣“尺寸縮小會帶來這些問題”，然後就草草收場，轉而討論下一代CMOS技術的製造限製。這種蜻蜓點水的處理方式，使得無論想深挖理論還是想瞭解應用前沿的讀者，都會感到意猶未盡，找不到一個真正能讓自己沉浸其中的知識高地。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事節奏簡直是一場視覺上的馬拉鬆，尤其是在描述材料科學和器件結構搭建的部分。我得承認，作者在對微納加工流程的細緻描繪上確實下瞭苦功，圖文並茂地展示瞭光刻、刻蝕、薄膜沉積等一係列步驟。但是，這種詳盡到瞭令人窒息的程度，仿佛作者深怕讀者遺漏任何一個工藝參數。每一個步驟都被拆解得支離破碎，從溫度控製到氣體流量，事無巨細地羅列齣來。我本來希望能夠理解這些工藝如何服務於某種特定的電學功能，或者如何通過精密的控製來剋服納米尺度下的隨機性。結果，我得到的是一份極其詳盡的“操作手冊”的文本版。對於一個習慣瞭高屋建瓴、注重物理機製而非工程細節的讀者來說，這種深入到原子層麵的描述，雖然技術上無可挑剔，但在閱讀的連貫性和思想的啓發性上卻大打摺扣。讀到後來，我開始感覺自己像是一個被睏在巨型工廠裏的工人，被要求熟悉每一颱機器的每一個螺絲釘，卻忘記瞭我們最終要製造的是什麼。

評分☆☆☆☆☆

購買這本書時，我最大的期望是它能提供一個清晰的路綫圖，指導我如何從現有的矽基技術，過渡到下一代基於新材料或新原理的電子係統。我期待看到關於二維材料（如石墨烯、二硫化鉬）作為晶體管溝道材料的優勢與挑戰的深入對比分析，或者對自鏇電子學、光電子學在集成電路中協同工作的未來藍圖的探討。然而，這本書的視野似乎被限製在瞭成熟的CMOS框架內，討論的優化策略也大多是圍繞如何讓現有的技術路徑走得更遠。這種保守的態度，使得這本書的內容相較於近幾年飛速發展的材料科學和器件物理領域，顯得有些滯後。它更像是一本內容紮實的“典籍”，而非一本充滿前瞻性的“指南”。對於希望站在行業前沿、預測下一個十年技術拐點的讀者而言，這本書提供的是堅實的迴望，卻未能指嚮清晰的遠方。

評分☆☆☆☆☆

這本書，老實說，給我的感覺挺矛盾的。我本來是衝著對未來科技的無限遐想去的，希望能看到一些關於量子計算、拓撲絕緣體或者室溫超導這些前沿概念的深度剖析，畢竟書名聽起來就帶著一股“未來已來”的科技範兒。然而，讀完之後，我發現大部分篇幅似乎更專注於傳統的半導體物理基礎，比如PN結的形成、晶體管的工作原理，以及集成電路製造工藝的初級介紹。這就像你走進一傢號稱賣最新款跑車的展廳，結果發現裏麵陳列的都是打磨得鋥亮的經典老爺車。當然，老爺車本身也很有價值，它們的工程美學和設計理念至今仍是經典，對於理解現代電子學的根基至關重要。但是，對於一個期待深入瞭解納米尺度下量子效應如何重塑信息處理範式的讀者來說，這種“迴溯”顯得有些過於冗長和基礎。我花瞭大量時間在理解那些我已經通過其他渠道接觸過的概念上，期待的突破性洞察和對下一代器件物理的展望，在書中卻寥寥無幾。這種內容上的偏差，讓閱讀體驗像是在進行一次紮實的、但非我所願的“基礎知識復習課”。