納電子器件及其應(yīng)用

前言

　　納米科學(xué)技術(shù)是科學(xué)發(fā)展跨時代的主要內(nèi)容之一，是2l世紀高新科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。納米科學(xué)技術(shù)的核心是納電子學(xué)，它是研究納電子器件及集成納電路系統(tǒng)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)。納電子學(xué)涉及的研究領(lǐng)域非常廣泛，主要是指在納米尺度的結(jié)構(gòu)中，探測、識別與控制單個量子或量子波的運動規(guī)律等，其發(fā)展動力是持續(xù)不斷縮小的傳統(tǒng)硅技術(shù)已達到納米級，因此，發(fā)展可替代的新器件技術(shù)使電子器件最終達到分子級的極限是非常有必要的：納電子器件不僅僅是微電子器件尺寸的進一步縮小，更重要的是它們的工作機理將依賴于器件的量子效應(yīng)特性，而且其功能也有很多突破。納電子學(xué)的研究將從根本上改變電子科學(xué)技術(shù)的面貌，超越目前集成電路發(fā)展中遇到的物理和T藝技術(shù)極限，發(fā)展全新的集成電路設(shè)計和制造方法：目前，基于新效應(yīng)、新物理機制的新電子器件還在不斷涌現(xiàn)，微納電子器件產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展將對現(xiàn)代信息化社會和人類的進步起到廣泛而深遠的影響?！　〖{電子器件是微電子器件的下一代新器件，是電子器件發(fā)展的重大變革，是納電子學(xué)的重要組成部分，它在未來的應(yīng)用將是不爭的事實。納電子器件與傳統(tǒng)的微電子器件相比有很多不同之處，如納電子器件具有量子隧道效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、庫侖振蕩和負微分電阻等特性，其電壓一電流呈現(xiàn)很強的非線性特性。針對納電子器件這些特點展開深入研究，掌握它們的基本工作機理，建立適合準確的電路模型和分析的基本方法，以便于為不久的將來在條件成熟時，能夠盡快進行集成電路硬件實現(xiàn)提供可借鑒的理論基礎(chǔ)，這是我們每個集成電路理論研究者需要進行探討的工作?！　”緯臉?gòu)思企圖是立足于突出納電子器件、電路與系統(tǒng)，以及潛在應(yīng)用等方面，著重闡述納電子器件的理論性和實用性。介紹了一些新興的納電子器件，并將重點放在這些新器件的理論及其電路應(yīng)用方面。將最新的研究成果（包括作者課題組多年的工作）盡可能多地體現(xiàn)在本書中，為這一新興學(xué)科的發(fā)展提供新血液?！　⑴c本書編寫的還有康強副教授、王森博士、李芹博士和博士研究生吳剛、馮朝文、曾凡喜，感謝研究生孫鐵署、陳學(xué)軍、史黨院的研究工作對本書編寫的貢獻。作者所在的“微納電子器件研究小組”多年科技活動日的研討和多項研究課題的成果都為本書提供了極大的支撐。

內(nèi)容概要

納電子器件是微電子器件的下一代新器件，是電子器件發(fā)展的重大變革，是納電子學(xué)的重要組成部分。全書主要分為三個部分：（1）概述納電子學(xué)的發(fā)展和基礎(chǔ)理論；（2）介紹納電子器件理論、由納電子器件構(gòu)成的電路及其應(yīng)用；（3）納電子器件應(yīng)用中的問題。全書共分8章，包括：納電子學(xué)和納電子器件發(fā)展概述；納電子學(xué)基礎(chǔ)；共振隧穿器件；單電子器件；量子點器件；SETMOS混合器件；碳納米管器件；納電子器件應(yīng)用中的問題。    本書可以作為從事納電子學(xué)、納電子器件和相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師及高校教師閱讀的參考書，也適合作為高等院校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)、應(yīng)用物理、電子工程等有關(guān)專業(yè)的碩士研究生、博士研究生或本科高年級學(xué)生參考用書。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 引言  1.2 微電子學(xué)向納電子學(xué)發(fā)展及限制    1.2.1 微電子學(xué)向納電子學(xué)發(fā)展    1.2.2 微納電子器件的技術(shù)限制    1.3 納電子學(xué)的研究與發(fā)展    1.3.1 納電子學(xué)研究    1.3.2 納電子學(xué)的發(fā)展  1.4 納電子器件    1.4.1 引言    1.4.2 納電子器件種類    1.4.3 納電子器件應(yīng)用  參考文獻第2章 納電子學(xué)基礎(chǔ)  2.1 納結(jié)構(gòu)中量子效應(yīng)    2.1.1 電導(dǎo)量子    2.1.2 彈道輸運    2.1.3 普適電導(dǎo)漲落    2.1.4 庫侖阻塞    2.1.5 量子相干效應(yīng)  2.2 Landauer-Bfittiker電導(dǎo)公式    2.2.1 兩端單通道Landauer電導(dǎo)公式     2.2.2 兩端多通道Bfittiker電導(dǎo)公式    2.2.3 彈道結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)系數(shù)  2.3 單電子隧穿    2.3.1 單電子隧穿現(xiàn)象及條件    2.3.2 電流偏置單隧道結(jié)    2.3.3 單電子島（雙隧道結(jié)）    2.3.4 電子輸運的主方程  2.4 庫侖臺階和庫侖振蕩    2.4.1 引言    2.4.2 庫侖臺階    2.4.3 庫侖振蕩  參考文獻第3章 共振隧穿器件  3.1 共振隧穿效應(yīng)    3.1.1 共振隧穿現(xiàn)象    3.1.2 共振隧穿機理  3.2 共振隧穿器件輸運理論    3.2.1 量子力學(xué)基礎(chǔ)    3.2.2 雙勢壘量子阱結(jié)構(gòu)共振隧穿二極管的兩種物理模型  3.3 共振隧穿二極管的特性分析    3.3.1 共振隧穿二極管的特性及參數(shù)    3.3.2 散射和材料結(jié)構(gòu)對器件特性的影響  3.4 共振隧穿二極管模型    3.4.1 電路模擬模型    3.4.2 物理基礎(chǔ)的RTD模型  3.5 RTD器件的數(shù)字電路    3.5.1 RTD的基本電路    3.5.2 單-雙穩(wěn)轉(zhuǎn)換邏輯單元的工作原理    3.5.3 單-雙穩(wěn)轉(zhuǎn)換邏輯單元構(gòu)成的數(shù)字電路    3.5.4 基于RTD的多值邏輯電路設(shè)計  3.6 RTD的模擬電路及其應(yīng)用    3.6.1 振蕩器電路    3.6.2 細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元電路    3.6.3 混沌振蕩器電路  參考文獻第4章 單電子器件  4.1 單電子盒  4.2 單電子陷阱  4.3 單電子晶體管    4.3.1 SET的結(jié)構(gòu)及原理  ……第5章 量子點器件第6章 SETMOS混合器件第7章 碳納米管器件第8章 納電子器件應(yīng)用中的問題參數(shù)符號縮略語

章節(jié)摘錄

　　納電子器件是微電子器件的下一代新器件，是電子器件發(fā)展的重大變革，它在未來的應(yīng)用將是不爭的事實。然而，納電子器件的運行機理、材料和加工技術(shù)，以及在集成電路與系統(tǒng)中的應(yīng)用都將不同于微電子器件。納電子器件在應(yīng)用中存在一些非理想因素，比如，在單電子晶體管（SET）的應(yīng)用中遇到的突出問題是其低增益、高輸出阻抗和隨機背景電荷，前兩者在實際應(yīng)用中可以通過與CMOS器件適當(dāng)結(jié)合得以解決（參見第6章中的SETMOS混合器件），而隨機背景電荷對SET的性能有著顯著的影響，它使得庫侖島上的電子數(shù)目發(fā)生改變，而庫侖島上一個電子的增減就可使SET的導(dǎo)通或庫侖阻塞狀態(tài)發(fā)生改變；另外，量子細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（QCNN）中的QCA元胞排列位置偏差和丟失，都將會導(dǎo)致QCNN系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤。鑒于這些考慮，本章將對一些納電子器件在應(yīng)用中存在的問題進行探討，以求對未來納電子器件在集成電路與系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。　　8.1　單電子晶體管隨機背景電荷影響　　噪聲對于納米尺度的量子器件的影響遠比對傳統(tǒng)的器件大得多。因為納米器件不再像傳統(tǒng)器件那樣以大量載流子統(tǒng)計平均結(jié)果作為工作基礎(chǔ)，而納米器件僅需要少量的電子運動。所以微弱的噪聲，甚至一個到幾個電子電量的起伏都會引起某個特征尺寸以下的器件性能明顯惡化，從而破壞器件的穩(wěn)定性。隨機背景電荷是影響單電子晶體管（SET）工作的主要原因，特別是對SET的性能影響尤為顯著，它可以改變庫侖島上的電子數(shù)目，從而影響到SET的導(dǎo)通以及庫侖阻塞狀態(tài)的變化。因此，實際應(yīng)用中欲使SET能夠可靠工作，必須采取相應(yīng)的措施來解決背景電荷問題?！　?.1.1單電子晶體管隨機背景電荷的產(chǎn)生　　單電子學(xué)最嚴重的缺陷就是所謂的隨機背景電荷問題。庫侖島極易受到鄰近電荷的影響。而這些背景電荷主要由四個方面的因素引起：①材料中雜質(zhì)引起的電荷；②表面缺陷和邊界微粒引起的電荷；③相鄰導(dǎo)體電荷；④電離輻射。雖然產(chǎn)生背景電荷的四個因素不同，但所產(chǎn)生的背景電荷對SET伏安特性的影響結(jié)卻是一致的。這些背景電荷均隨著時間而發(fā)生改變，且具有很強的破壞力，以至于它們可以完全抑制庫侖阻塞的發(fā)生，也即破壞了器件的行為。

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