單電子學 蔣建飛著 9787030198822 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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蔣建飛著 著

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030198822

商品編碼：29373418114

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

字數：

頁碼：

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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作者介紹

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文摘

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序言

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量子世界的微觀操控：單電子器件的原理與應用 在信息技術日新月異的今天，我們正麵臨著摩爾定律的物理極限。傳統矽基半導體器件的微縮化已趨於瓶頸，如何突破這一瓶頸，實現更小巧、更高速、更低功耗的電子設備，成為瞭科學界和工程界不懈的追求。在這場深刻的變革中，一個極具潛力的前沿領域——單電子學，正以前所未有的姿態展現在我們麵前。 單電子學，顧名思義，是指研究和利用單個電子的量子特性的科學。與我們日常接觸的宏觀電流由海量電子的集體運動組成不同，單電子學將目光聚焦於微觀世界中每一個孤立的電子。通過精確地控製單個電子的注入、傳輸和探測，科學傢們緻力於構建一係列全新的電子器件，這些器件有望在信息存儲、量子計算、高靈敏度傳感器等領域帶來顛覆性的突破。 量子隧穿效應：單電子器件的基石 要理解單電子器件的工作原理，首先需要掌握一個核心的量子力學概念——量子隧穿效應。在經典的物理世界裏，一個粒子如果能量不足以越過一個勢壘，它就無法穿過。然而，在微觀的量子世界中，電子錶現齣波粒二象性，它並非一個確定軌跡的點粒子，而是一個概率波。這意味著，即使電子的能量不足以“翻越”一個勢壘，它也有一定的概率“隧穿”過去，齣現在勢壘的另一側。 這種看似不可思議的現象，是實現單電子器件的關鍵。通過設計精巧的納米結構，科學傢們可以製造齣“量子點”或“庫侖阻塞島”等微小空間。當電子被引導至這些區域時，其運動會受到嚴格的限製。而“隧穿結”則扮演著控製電子注入和傳輸的“門”。通過巧妙地調控隧穿結的勢壘高度和寬度，我們可以精確地控製單個電子的隧穿過程，從而實現對電子流動的精細調控。 庫侖阻塞效應：量化電子流動的關鍵 在極小的尺寸下，單個電子所攜帶的電荷雖然微乎其微，但在一個微小空間內，這種電荷的積纍效應便會變得顯著。這就是庫侖阻塞效應。當一個電子進入一個非常小的導體（例如一個量子點）時，它會産生一個微小的電場，這個電場會排斥其他電子進入該導體。換句話說，為瞭讓第二個電子隧穿進入已經包含一個電子的量子點，需要額外的能量來剋服第一個電子産生的排斥力。 正是利用瞭這一效應，科學傢們可以設計齣能夠精確地一次隻允許一個電子通過的器件。通過改變偏置電壓或者量子點內部的電勢，可以控製庫侖阻塞效應的強弱，從而精細地調控電子的注入和傳輸。這種對電子數量的精準控製，是單電子學區彆於傳統電子學的根本所在。 核心器件：單電子晶體管 在眾多的單電子器件中，單電子晶體管（Single-Electron Transistor, SET）無疑是最具代錶性的一種。它通常由三個主要部分組成：源極（Source）、漏極（Drain）和柵極（Gate）。源極和漏極通過隧穿結與一個微小的導電區域（通常是量子點或庫侖阻塞島）相連。柵極則通過另一個隧穿結與該導電區域耦閤。 SET的工作原理可以形象地理解為：源極是電子的“供給端”，漏極是電子的“接收端”，而柵極則扮演著“控製閥”的角色。當源漏之間的偏置電壓足夠大時，電子會嘗試從源極隧穿到導電區域，然後再隧穿到漏極。然而，如果導電區域已經存在一個電子，那麼第二個電子的隧穿就會受到庫侖阻塞效應的阻礙，需要額外的能量纔能進入。 通過改變柵極電壓，我們可以有效地調控導電區域的電勢。當柵極電壓改變時，導電區域的電勢會發生變化，從而改變瞭第二個電子隧穿所需的能量。因此，通過精細地調節柵極電壓，我們可以精確地控製電子的注入和傳輸，甚至實現隻允許單個電子依次通過。這種極高的靈敏度和精確的控製能力，使得SET在許多應用中展現齣獨特的優勢。 單電子學的前沿探索與未來展望 單電子學並非一個停滯不前的領域，而是充滿瞭活躍的探索與無限的可能。科學傢們正不斷突破材料、製備工藝和理論理解的極限，朝著更穩定、更易於集成、性能更優越的單電子器件邁進。 新型量子材料與製備技術： 如何在更易於工業化生産的材料中實現高質量的量子點和隧穿結，是當前研究的熱點。例如，利用半導體量子點、金屬納米顆粒、碳納米管、石墨烯等材料，以及發展原子層沉積（ALD）、電子束光刻等高精度製造技術，為單電子器件的實用化奠定瞭基礎。 多功能單電子器件的設計： 除瞭基本的單電子晶體管，研究人員還在探索更多樣化的單電子器件，例如單電子存儲器（利用量子點的電荷狀態存儲信息）、單電子振蕩器（通過周期性地注入和輸運電子産生高頻信號）、以及用於精密測量的單電子探測器等。 與量子計算的融閤： 單電子學在量子計算領域具有巨大的潛力。單個電子的量子態（如自鏇）可以被用作量子比特（qubit），而對這些量子比特的精確控製和讀齣，恰恰是單電子器件所擅長的。構建基於單電子的量子計算架構，有望實現通用量子計算機的突破。 高靈敏度傳感器的開發： 由於單電子器件對單個電子電荷的敏感性極高，它們可以被用於開發前所未有的高靈敏度傳感器。例如，用於探測微弱電磁信號、極少量化學物質，甚至單個生物分子的傳感器。 低功耗信息處理的可能： 傳統的CMOS技術隨著器件尺寸的縮小，功耗問題日益突齣。單電子器件以其“事件驅動”的特性，隻在電子發生隧穿時纔消耗能量，理論上可以實現極低的功耗，為實現超低功耗的信息處理係統提供瞭新的途徑。 麵臨的挑戰與未來的方嚮 盡管單電子學前景廣闊，但要實現其大規模應用，仍需剋服諸多挑戰。 工作溫度的限製： 許多單電子效應在低溫下纔能清晰顯現，實現室溫下的穩定工作是關鍵的突破方嚮。 器件的穩定性與可靠性： 納米尺度的器件容易受到環境噪聲和材料缺陷的影響，提高器件的穩定性和可靠性至關重要。 集成與互聯： 如何將大量的單電子器件集成在一起，並與現有的半導體技術進行互聯，是實現復雜功能係統的難點。 理論模型的精確性： 隨著器件尺寸的不斷縮小，量子效應的復雜性也日益增加，需要更精確的理論模型來指導器件的設計和優化。 盡管挑戰重重，但單電子學作為量子信息科學的一個重要分支，正以前所未有的速度發展。隨著基礎研究的深入和工程技術的進步，我們有理由相信，單電子器件將不再僅僅是實驗室裏的新奇事物，而是將在未來的信息技術、科學探測乃至醫療健康等領域扮演越來越重要的角色，引領我們進入一個真正由單個電子所驅動的微觀操控時代。

評分☆☆☆☆☆

我必須承認，在閱讀這本書的過程中，我不得不經常停下來，重新查閱一些高等數學和電動力學的知識點，但奇怪的是，我對此毫不抱怨。這恰恰證明瞭這本書的“挑戰性”是恰到好處的——它推著你前進，而不是把你直接推到懸崖邊。它的專業性毋庸置疑，對於那些需要用這本書作為核心教材的研究生來說，這無疑是幸運的。它培養的不僅僅是計算能力，更是物理直覺。作者對於“為什麼”的追問，遠勝於對“是什麼”的簡單羅列。這種對物理學本質的深刻洞察，是任何一本流於錶麵的參考書都無法比擬的，它讓你真正開始“思考物理”，而不是僅僅“學習物理公式”。

評分☆☆☆☆☆

這套書真是讓我大開眼界，尤其是它對量子物理基礎的闡述，簡直是教科書級彆的嚴謹。作者仿佛是一位經驗豐富的老教授，用清晰的邏輯和層層遞進的方式，將那些原本看似深奧的概念剖析得淋灕盡緻。我記得有一次翻到其中一個關於費米子簡並壓力的章節，原以為會是一堆復雜的數學公式，結果作者竟然能用非常直觀的類比，讓我瞬間領悟瞭其中的物理圖像。整個閱讀過程就像是跟隨一位頂級嚮導在知識的迷宮中穿行，每一個轉角都有新的發現，每一個岔路口都有詳盡的指引。對於那些渴望深入理解凝聚態物理或者半導體器件底層原理的讀者來說，這本書無疑提供瞭一個堅實且可靠的知識基石。它不僅僅是知識的堆砌，更是一種思維方式的訓練，教會你如何用物理的眼光去看待世界中的微觀現象。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我以前對這方麵的內容一直有些畏懼，總覺得那需要極高的數學天賦纔能駕馭。然而，這本書的排版和圖示設計，徹底打破瞭我的固有印象。那些精心繪製的能帶結構圖、晶格振動模式圖，配閤簡潔明瞭的文字說明，仿佛都在邀請你一起參與這場智力遊戲。它的節奏把握得非常好，在適當的時候插入一些曆史背景或者某個關鍵理論的誕生故事，使得閱讀體驗非常流暢，完全不會讓人産生閱讀疲勞。我尤其喜歡它在討論對稱性破缺時所采用的圖形化錶達，比起厚厚的證明過程，這種視覺化的解釋更能抓住事物的本質。這本書不僅是知識的載體，更是一件優秀的“知識産品”，體現瞭齣版方對讀者體驗的重視。

評分☆☆☆☆☆

這本書的深度和廣度是令人印象深刻的。它似乎沒有放過任何一個與主題相關的關鍵概念，從基礎的量子力學公設到復雜的電子-電子相互作用模型，都有所涉獵，但最難能可貴的是，它在保持深度之餘，還能保持一種令人驚訝的平衡感。當涉及到前沿研究方嚮時，作者的錶述既嚴謹又不失前瞻性，讓人能清晰地看到該領域未來的發展脈絡。我常常閤上書本，盯著天花闆思考半晌，迴味那些被巧妙嵌入在腳注中的“彩蛋”信息——那些往往是資深專傢纔瞭解的行業內幕或未解決的難題。這本書更像是一份“畢業後的持續教育”材料，是每一個想要在該領域深耕的人案頭必備的參考。

評分☆☆☆☆☆

我最近在整理我的個人圖書館時，發現手邊有幾本關於材料科學的經典著作，但真正能讓我感到“醍醐灌頂”的，還是這本書的敘事風格。它沒有那種高高在上的學術腔調，反而更像是一位對自身研究領域充滿熱情的同行在分享他的研究心得。特彆贊賞作者在講解實驗方法論時的那種細緻入微，對於如何設計一個有效的測量方案，如何排除環境乾擾，甚至是對數據處理中的統計學考量，都有獨到的見解。這讓這本書的實用價值大大提升，不再是純粹的理論探討。讀完後，我立刻嘗試將書中的某些分析框架應用到我正在進行的一個小型課題上，效果立竿見影。這本書的價值在於它連接瞭理論與實踐的鴻溝，讓冰冷的物理公式充滿瞭生命力和可操作性。