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(shí)代的主要內(nèi)容之一，是2l世紀(jì)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(cè)、識(shí)別與控制單個(gè)量子或量子波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，其發(fā)展動(dòng)力是持續(xù)不斷縮小的傳統(tǒng)硅技術(shù)已達(dá)到納米級(jí)，因此，發(fā)展可替代的新器件技術(shù)使電子器件最終達(dá)到分子級(jí)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(jìn)一步縮小，更重要的是它們的工作機(jī)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(jì)和制造方法：目前，基于新效應(yīng)、新物理機(jī)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(duì)現(xiàn)代信息化社會(huì)和人類的進(jìn)步起到廣泛而深遠(yuǎn)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(zhēng)的事實(shí)。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(fù)微分電阻等特性，其電壓一電流呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性特性。針對(duì)納電子器件這些特點(diǎn)展開深入研究，掌握它們的基本工作機(jī)理，建立適合準(zhǔn)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(shí)，能夠盡快進(jìn)行集成電路硬件實(shí)現(xiàn)提供可借鑒的理論基礎(chǔ)，這是我們每個(gè)集成電路理論研究者需要進(jìn)行探討的工作。　　本書的構(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(shí)用性。介紹了一些新興的納電子器件，并將重點(diǎn)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(qiáng)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(duì)本書編寫的貢獻(xiàn)。作者所在的“微納電子器件研究小組”多年科技活動(dòng)日的研討和多項(xiàng)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(gè)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(diǎn)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(jí)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(xiàn)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(yùn)    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(yùn)的主方程  2.4 庫侖臺(tái)階和庫侖振蕩    2.4.1 引言    2.4.2 庫侖臺(tái)階    2.4.3 庫侖振蕩  參考文獻(xiàn)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(jī)理  3.2 共振隧穿器件輸運(yùn)理論    3.2.1 量子力學(xué)基礎(chǔ)    3.2.2 雙勢(shì)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(duì)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(jì)  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(xì)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(xiàn)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(diǎn)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(hào)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(zhēng)的事實(shí)。然而，納電子器件的運(yùn)行機(jī)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(jī)背景電荷，前兩者在實(shí)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(jī)背景電荷對(duì)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(gè)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(xì)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(huì)導(dǎo)致QCNN系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤。鑒于這些考慮，本章將對(duì)一些納電子器件在應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行探討，以求對(duì)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?！　?.1　單電子晶體管隨機(jī)背景電荷影響　　噪聲對(duì)于納米尺度的量子器件的影響遠(yuǎn)比對(duì)傳統(tǒng)的器件大得多。因?yàn)榧{米器件不再像傳統(tǒng)器件那樣以大量載流子統(tǒng)計(jì)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(yùn)動(dòng)。所以微弱的噪聲，甚至一個(gè)到幾個(gè)電子電量的起伏都會(huì)引起某個(gè)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(jī)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(duì)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(shí)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(jī)背景電荷的產(chǎn)生　　單電子學(xué)最嚴(yán)重的缺陷就是所謂的隨機(jī)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(gè)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(gè)因素不同，但所產(chǎn)生的背景電荷對(duì)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(shí)間而發(fā)生改變，且具有很強(qiáng)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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