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蔣建飛著 著

圖書標籤:

• 單電子效應
• 單電子器件
• 量子點
• 納米電子學
• 電子輸運
• 庫侖阻塞
• 隧道效應
• 半導體物理
• 低溫物理
• 物理學

店鋪： 北京愛讀者圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030198822

商品編碼：29774383137

包裝：平裝

齣版時間：2007-09-01

基本信息

書名：單電子學

定價：80.00元

作者：蔣建飛著

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

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版次：1

裝幀：平裝

開本：

商品重量：0.763kg

編輯推薦

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內容提要

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單電子學是納電子學重要的分支之一，它是有可能部分替代發展至時的納米MOS電子學的重要候選者之一。
本書係統地論述瞭以半經典理論為基礎的單電子器件物理，包括網絡分析理論、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；單電子係統的模擬方法，包括單電子器件和電路濛特卡羅模擬法，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、理論體係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傢、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。

目錄

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前言
基本符號錶
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 單電子器件的網絡理論和靜電學
　2.1 單電子器件的網絡理論
　　2.1.1 等效電源定理
　　2.1.2 單電子隧道結的網絡模型
　　2.1.3 柵控一維單電子隧道結陣列的網絡模型
　　2.1.4 單電子箱的網絡模型
　　2.1.5 電容耦閤單電子晶體管的網絡模型
　　2.1.6 等效電流源模型
　2.2 單電子係統靜電學
　　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 環形納米綫庫侖島
　　2.2.6 納米綫庫侖島
　　2.2.7 橢球庫侖島
　　2.2.8 碳納米管庫侖島
　　2.2.9 單電子係統的自由能
　2.3 電容耦閤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 電容耦閤單電子晶體管
　　3.4.2 電阻耦閤單電子晶體管
　　3.4.3 電阻和電容串聯耦閤單電子晶體管
　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閤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
　4.2 LC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係統哈密頓
　　4.3.1 電磁環境哈密頓
　　4.3.2 隧道哈密頓
　　4.3.3 準粒子哈密頓
　　4.3.4 係統哈密頓
　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 以分布電感、電阻和電容傳輸綫作為電磁環境：分布Lo RoCo傳輸綫模型
　　4.5.5 以分布電感和電容傳輸綫作為電磁環境：分布LoCo傳輸綫模型
　　4.5.6 以分布電阻和電容傳輸綫作為電磁環境：分布RoCo傳輸綫模型
　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係統的隧穿率
　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
　　5.3.2 O近似
　　5.3.3 =一△F／2 n”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的簡化網絡分析模型
　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噪聲
　6.1 一般經典噪聲機製
　　6.1.1 散粒噪聲
　　6.1.2 熱噪聲
　　6.1.3 閃爍噪聲(1 ／f噪聲)
　6.2 單電子晶體管的熱噪聲和散粒噪聲
　　6.2.1 經典噪聲的一般公式
　　6.2.2 主方程的頻域解
　　6.2.3 譜密度的矩陣形式
　　6.2.4 低頻噪聲
　　6.2.5 直流噪聲
　　6.2.6 超靈敏度單電子靜電計的噪聲
　6.3 一維單電子隧道結陣列中的散粒噪聲
　　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1 I).SETJA散粒噪聲
　　6.3.4 不接地1 I).SETJA散粒噪聲
　　6.3.5 考慮背景電荷時1 D-SETJA的散粒噪聲
　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
　7.2 q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 綫性響應理論
　　8.2.1 基本關係式
　　8.2.2 綫性響應
　　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 非綫性響應理論
　　8.3.1 模型和基本方程
　　8.3.2 大麵積量子阱
　　8.3.3 小麵積量子阱
　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 電荷傳輸的穿梭機製
　　9.3.3 耗散係統的模型
　　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 範德瓦耳斯力的作用
　　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混閤邏輯電路
　10.3 單電子存儲器
　　10.3.1 單電子陷阱存儲器原理
　　10.3.2 單電子存儲器的讀齣單元
　　10.3.3 多晶矽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 濛特卡羅模擬法
　　11.2.1 理論原理
　　11.2.2 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
　11.4 SETHSPICE模擬器
　　11.4.1 SET-SPICE模擬器簡介
　　11.4.2 C-SET穩態主方程模型
　　11.4.3 C-SET精簡穩態主方程模型
　　11.4.4 C-SET宏模型
　　11.4.5 GSET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 濛特卡羅模擬法
　　11.5.4 NEM-SET單元電路設計例
　參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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《單電子學》：潛入微觀世界的奇妙之旅 在這個日新月異的時代，科技的進步如同奔騰的河流，不斷衝刷著我們對世界的認知邊界。從宏觀的宇宙星辰到微觀的原子粒子，人類對物質本質的探索從未停止。而在這波濤洶湧的探索浪潮中，有一個領域正以其獨特的魅力和顛覆性的潛力，悄然占據著越來越重要的位置——那就是“單電子學”。 《單電子學》這本書，顧名思義，將帶領我們踏上一場深入微觀世界的奇妙旅程，去探索那些構成我們物質世界最基本、最微小的“磚塊”——電子的單粒子行為。這本書並非隻是枯燥的物理定律羅列，而是一次引人入勝的敘事，它將科學的嚴謹與人文的關懷巧妙地結閤，揭示瞭“單電子”這一概念背後蘊含的深刻物理原理，以及它在未來科技發展中所能扮演的關鍵角色。 想象一下，我們早已習慣瞭電流是由億萬電子組成的宏大“洪流”，它們匯聚成一股力量，驅動著我們的生活。然而，當我們把目光聚焦到單個電子身上時，又會發現怎樣一番景象？《單電子學》將為你一一解答。它將從量子力學的基本原理齣發，循序漸進地解釋電子的波粒二象性，為何在微觀尺度下，電子的行為會如此“乖張”和難以捉摸。你會瞭解到，電子不再是經典物理學中那個簡單的小球，而是同時擁有波的彌散性和粒子的局域性，這種奇特的性質是理解單電子行為的關鍵。 本書將深入探討“量子隧穿”這一令人著迷的現象。你將有機會理解，在一個普通的宏觀世界裏，一個物體想要越過一道“牆”，必須擁有足夠的能量。然而，在量子世界中，單個電子卻可以“穿牆而過”，即使它的能量不足以翻越。這種看似違背常理的現象，在《單電子學》中將被生動地闡釋，並揭示其背後深刻的概率論和量子態演化的機製。這不僅是理論上的奇觀，更是許多現代電子設備工作的基礎。 《單電子學》還將重點介紹“庫侖阻塞”效應。在極小的尺度下，當我們將電子一個個地注入到一個非常小的導體中時，每個電子的電荷都會對後續電子的注入産生排斥作用，阻止下一個電子的進入。這種“阻塞”效應，就像在一條狹窄的通道裏，一個人的齣現會讓後麵的人難以擠入一樣，精確地控製著電子的流動，從而實現對單個電子的精確操控。本書將詳細闡述這一原理，並給齣相關的實驗證據，讓你直觀地感受到微觀世界中的“秩序”和“規則”。 本書的另一大亮點在於，它將詳細介紹多種實現“單電子器件”的關鍵技術和實驗裝置。你將瞭解到，科學傢們是如何通過精密的工程技術，例如製造齣納米尺度的“量子點”或“量子綫”，來“囚禁”住單個電子，並對其進行精確的控製和測量。這些技術，如納米加工、超低溫製冷、高靈敏度探測器等，本身就是科技發展的尖端體現，而《單電子學》將為你揭示它們在實現單電子操控中的重要作用。 更重要的是，《單電子學》不會止步於理論的探討，而是將目光投嚮瞭單電子學在未來科技領域的廣闊應用前景。本書將深入剖析單電子學如何為下一代信息技術、計算科學以及精密測量等領域帶來革命性的變革。 在計算領域，《單電子學》將為你展現“單電子晶體管”的可能性。這種新型晶體管，相較於傳統的晶體管，在能量消耗和集成密度上有著巨大的優勢。想象一下，未來的計算機，將不再是依靠成韆上萬的電子“洪流”來處理信息，而是通過精確操控每一個獨立的電子來實現運算，這將極大降低能耗，並大幅提升計算效率，為解決更復雜的問題、實現更強大的計算能力提供可能。 在存儲領域，《單電子學》將為你揭示“單電子存儲器”的潛力。通過精確地存儲單個電子，我們可以實現密度極高、速度極快的數據存儲。這對於滿足日益增長的數據存儲需求，以及開發更高效的數據處理係統，具有不可估量的價值。 在精密測量領域，《單電子學》將為你展現其在超高精度傳感器方麵的應用。由於能夠精確探測到單個電子的微小信號，單電子學有望製造齣能夠測量極其微弱物理量的傳感器，例如磁場、電場甚至生物分子信號，這將為科學研究和醫療診斷帶來全新的突破。 此外，《單電子學》還將探討單電子學在量子計算領域的重要地位。單電子的量子態，例如其自鏇，可以作為量子比特（qubit）的基本載體，為實現大規模、穩定的量子計算機奠定基礎。這本書將幫助讀者理解，為什麼精確操控單電子的量子態，是邁嚮通用量子計算的關鍵一步。 《單電子學》的寫作風格力求通俗易懂，即使沒有深厚的物理學背景，讀者也能在作者的引導下，一步步理解其中的奧秘。書中將穿插大量的類比、圖示和生動的實驗案例，幫助讀者將抽象的物理概念具象化，從而更深刻地體會微觀世界的奇妙。同時，本書也為有誌於深入研究的讀者提供瞭進一步學習的參考資料和研究方嚮。 這本書不僅僅是一本科普讀物，更是一扇通往未來的窗口。它讓我們看到，人類對微觀世界的理解越發深入，就越能創造齣令人驚嘆的技術。從宏觀到微觀，從“量”到“質”，《單電子學》所描繪的不僅僅是物理學的進步，更是人類智慧的閃光。它邀請每一位對科學充滿好奇的讀者，一起潛入電子的微觀世界，感受那份獨特而強大的力量。 閱讀《單電子學》，你將不僅僅是瞭解一個科學概念，更將開啓一段關於創新、關於未來、關於我們自身是如何由這些渺小的粒子構成的思考。這是一次知識的啓迪，也是一次思維的拓展，讓你在理解科技發展的同時，也能感受到科學探索本身的無窮魅力。

評分☆☆☆☆☆

我必須承認，這本書的文字風格非常具有“學者氣質”，它嚴謹、精確，每一個術語的選用都經過瞭深思熟慮，絕不含糊其辭。對於我這種追求完美錶達的人來說，這無疑是一種享受。特彆是書中對某些經典物理模型進行“解構”的部分，作者展現瞭驚人的洞察力。他們不僅展示瞭模型的數學形式，更深入挖掘瞭該模型在特定假設條件下成立的物理根源。比如，在討論晶格振動與電子相互作用時，作者並沒有滿足於簡單的聲子概念，而是細緻地剖析瞭不同聲子模式對電子輸運性質的復雜影響，甚至引用瞭早期文獻中關於電子-聲子散射的經典爭論。這種對曆史和細節的尊重，讓閱讀過程充滿瞭迴溯真理的樂趣。它迫使你停下來，不僅僅是接受結論，更是要去審視那些被我們習以為常的“基本假設”。這本書的好處在於，它訓練的不僅僅是你的計算能力，更是你的批判性思維。讀完之後，你會發現自己看待任何物理問題的方式都變得更加審慎和深入，不再輕易滿足於錶麵的解釋。

評分☆☆☆☆☆

說實話，剛開始翻看這本書時，我的內心是有些許忐忑的。畢竟，這類涉及納米尺度和極低溫環境的物理學分支，往往需要極強的專業背景作為支撐。然而，這本書成功地將學術的深度和科普的廣度結閤得恰到好處。作者在引入新概念時，總會先設定一個清晰的物理場景，勾勒齣問題的輪廓，然後再逐步深入到微觀的量子力學層麵。例如，書中在解釋庫侖阻塞效應時，並沒有直接給齣繁復的勢壘模型，而是通過一個極其形象的“收費站”的比喻，描述瞭電子在通過微小結定時所遇到的能量障礙，這種由具象到抽象的過渡，極大地降低瞭初學者的閱讀門檻。更讓我印象深刻的是，它對實驗儀器和製備工藝的描述。書中穿插瞭大量關於電子束光刻、分子束外延等尖端技術在構建特定結構時的操作細節，這對於那些更偏嚮工程應用的研究人員來說，簡直是如獲至寶。它讓你知道，理論上的美好構想，在現實中需要剋服何種艱巨的製造難題。這本書的價值就在於，它構建瞭一座堅實的橋梁，連接瞭抽象的理論物理與具體的微納器件製造實踐。

評分☆☆☆☆☆

從實用性的角度來看，這本書的參考價值也是無可替代的。我將其放在案頭，不僅僅是為瞭查閱公式，更多的是作為一種解決問題的思維框架的參考。書中在每一章的末尾，都附帶瞭大量精心設計的習題，這些習題的難度跨度極大，從基礎概念的鞏固到復雜係統的分析都有覆蓋。更難能可貴的是，書的附錄部分收錄瞭大量關鍵材料的物理常數錶和常用模型的解析解，這些都是科研人員在日常工作中經常需要快速查閱的寶貴資源，作者將其整理得井井有條，極大地提高瞭工作效率。與市麵上其他側重於某一特定應用（比如聚焦於磁性或拓撲性質）的專著不同，這本書的視野更為全麵和基礎，它覆蓋瞭構成“單電子係統”的幾乎所有基本物理單元和現象。因此，無論你是準備進入這個領域的新手，還是已經在該領域深耕多年的專傢，都能從中找到屬於自己的那份價值。它就像一本工具書和一本學術著作的完美結閤體，既能教你如何思考，又能為你提供解決實際問題所需的精確數據和理論工具。

評分☆☆☆☆☆

這本書的閱讀體驗，用“酣暢淋灕”來形容或許有些誇張，但絕對是近年來我接觸到的最令人興奮的技術書籍之一。它在內容的選擇上展現齣一種令人敬佩的平衡感——既沒有陷入純粹的數學推導的泥沼，也沒有流於錶麵化的概念羅列。作者對於前沿研究的洞察力，是這本書的靈魂所在。我尤其欣賞其中關於量子計算基礎構架的討論部分。書中詳細分析瞭不同物理體係下實現量子比特的優勢與劣勢，從超導環路到半導體量子點，作者都進行瞭客觀且深入的比較。這種宏觀的視野，使得讀者能夠跳齣單一技術的局限，站在更廣闊的物理學和工程學的角度去思考未來信息處理的可能性。書中對於實驗技術的要求和挑戰的描述，也極其寫實，沒有粉飾太平，直接點齣瞭當前在退相乾時間、操控精度等方麵存在的瓶頸，這對於渴望投身該領域的年輕學者來說，是極為寶貴的“避坑指南”。讀完這部分內容，我感覺自己對這個領域的研究熱點和潛在方嚮有瞭更加清晰的地圖。它不僅僅是知識的傳遞者，更像是一位經驗豐富的導師，在你探索未知的道路上為你指明方嚮，讓你少走許多彎路。

評分☆☆☆☆☆

這本書，拿到手的時候，就被它那厚重的質感和精美的裝幀吸引瞭。封麵設計簡潔大氣，黑底白字，透露齣一種嚴謹又不失深邃的學術氣息。我原本以為這會是一本晦澀難懂的純理論著作，畢竟“單電子學”這個名字聽起來就充滿瞭高深的物理概念。然而，翻開第一頁，作者的敘述方式卻異常平易近人。他似乎有一種魔力，能將那些看似遙不可及的量子現象，用日常生活中可以類比的語言娓娓道來。比如，在講解量子隧穿效應時，作者沒有直接拋齣復雜的薛定諤方程，而是設想瞭一個微小的球體如何穿過一道比它自身還要高的“能量牆”，這種生動的比喻瞬間打通瞭我對這個概念的認知壁壘。閱讀的過程，與其說是在學習知識，不如說是在進行一場智力上的探險。作者對細節的把握極其到位，每一個公式的推導都清晰可見，注釋詳盡，對於那些曆史上的關鍵實驗，也給予瞭充分的背景介紹，讓人能真切地感受到這門學科是如何一步步發展至今的。尤其值得稱贊的是，書中的插圖質量極高，不僅美觀，而且功能性極強，很多復雜的能帶結構圖和器件剖麵圖，僅憑一圖便勝過韆言萬語的文字描述。這本書無疑是為嚴肅的科研工作者和有誌於深入研究的本科生量身定製的精品教材。