纳电子器件及其应用

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 微电子学向纳电子学发展及限制 3

1.2.1 微电子学向纳电子学发展 3

1.2.2 微纳电子器件的技术限制 6

1.3 纳电子学的研究与发展 8

1.3.1 纳电子学研究 9

1.3.2 纳电子学的发展 10

1.4 纳电子器件 13

1.4.1 引言 13

1.4.2 纳电子器件种类 14

1.4.3 纳电子器件应用 18

参考文献 22

第2章 纳电子学基础 32

2.1 纳结构中的量子效应 32

2.1.1 电导量子 32

2.1.2 弹道输运 33

2.1.3 普适电导涨落 34

2.1.4 库仑阻塞 34

2.1.5 量子相干效应 35

2.2 Landauer-Büttiker电导公式 36

2.2.1 两端单通道Landauer电导公式 37

2.2.2 两端多通道Büttiker电导公式 38

2.2.3 弹道结构的电导系数 39

2.3 单电子隧穿 40

2.3.1 单电子隧穿现象及条件 40

2.3.2 电流偏置单隧道结 42

2.3.3 单电子岛(双隧道结) 45

2.3.4 电子输运的主方程 47

2.4 库仑台阶和库仑振荡 48

2.4.1 引言 48

2.4.2 库仑台阶 49

2.4.3 库仑振荡 51

参考文献 52

第3章 共振隧穿器件 55

3.1 共振隧穿效应 55

3.1.1 共振隧穿现象 55

3.1.2 共振隧穿机理 56

3.2 共振隧穿器件输运理论 58

3.2.1 量子力学基础 58

3.2.2 双势垒量子阱结构共振隧穿二极管的两种物理模型 61

3.3 共振隧穿二极管的特性分析 65

3.3.1 共振隧穿二极管的特性及参数 65

3.3.2 散射和材料结构对器件特性的影响 67

3.4 共振隧穿二极管模型 68

3.4.1 电路模拟模型 68

3.4.2 物理基础的RTD模型 70

3.5 RTD器件的数字电路 72

3.5.1 RTD的基本电路 73

3.5.2 单-双稳转换逻辑单元的工作原理 75

3.5.3 单-双稳转换逻辑单元构成的数字电路 78

3.5.4 基于RTD的多值逻辑电路设计 79

3.6 RTD的模拟电路及其应用 81

3.6.1 振荡器电路 81

3.6.2 细胞神经网络神经元电路 82

3.6.3 混沌振荡器电路 83

参考文献 86

第4章 单电子器件 90

4.1 单电子盒 90

4.2 单电子陷阱 91

4.3 单电子晶体管 92

4.3.1 SET的结构及特性 92

4.3.2 多栅极SET 95

4.3.3 SET的数值模拟法及模型 97

4.4 单电子旋转门 102

4.5 单电子泵 103

4.6 单电子器件的模拟电路应用 104

4.6.1 超高灵敏静电计 104

4.6.2 单电子能谱仪 104

4.6.3 计量标准应用 105

4.6.4 红外辐射探测器 106

4.6.5 基于SET的模拟滤波器 106

4.6.6 基于SET的细胞神经网络 109

4.7 单电子器件的数字电路应用 112

4.7.1 基于SET的逻辑电路 112

4.7.2 单电子存储器 116

4.7.3 基于SET的数字滤波器 118

参考文献 121

第5章 量子点器件 125

5.1 量子元胞自动机 125

5.1.1 量子元胞自动机的结构 125

5.1.2 量子元胞自动机的原理 126

5.1.3 量子元胞自动机的特性 127

5.1.4 量子元胞自动机基本电路 128

5.2 量子元胞自动机的仿真方法 129

5.2.1 元胞间哈特里逼近法 129

5.2.2 模拟退火法 130

5.2.3 遗传模拟退火法 131

5.2.4 QCADesigner软件仿真 134

5.2.5 PSpice模型仿真 135

5.3 量子元胞自动机数字电路 136

5.3.1 基于量子元胞自动机的组合逻辑电路 136

5.3.2 基于量子元胞自动机的时序逻辑电路 139

5.3.3 量子元胞自动机数字电路设计方法 143

5.4 量子细胞神经网络及其应用 147

5.4.1 量子细胞神经网络的机理 148

5.4.2 量子细胞神经网络的非线性特性 149

5.4.3 量子细胞神经网络的混沌控制、同步及保密通信应用 154

5.4.4 量子细胞神经网络的图像处理应用 161

参考文献 175

第6章 SETMOS混合器件 180

6.1 SETMOS混合器件结构及特性 180

6.1.1 SETMOS混合器件的结构 180

6.1.2 SETMOS混合器件的工作原理及特性 181

6.2 SETMOS混合器件的模型 183

6.2.1 SETMOS混合器件的模型建立 183

6.2.2 SETMOS混合器件的仿真 185

6.3 SETMOS混合器件模拟电路应用 187

6.3.1 SETMOS积分器 187

6.3.2 SETMOS滤波器 189

6.3.3 基于SETMOS混合器件的细胞神经网络 191

6.3.4 基于SETMOS混合结构的多涡卷混沌系统 201

6.4 SETMOS混合器件数字电路应用 206

6.4.1 多值逻辑 206

6.4.2 逻辑门电路 209

6.4.3 SETMOS混合器件的数字电路应用 211

6.4.4 SETMOS混合结构在离散混沌系统中的应用 216

参考文献 223

第7章 碳纳米管器件 227

7.1 碳纳米管的结构、电特性及制备 227

7.1.1 碳纳米管的结构 227

7.1.2 碳纳米管的电特性 229

7.1.3 碳纳米管的制备 231

7.2 碳纳米管场效应管 231

7.2.1 CNTFET的I-V特性曲线 231

7.2.2 P型和N型CNTFET 233

7.2.3 接触势垒 235

7.2.4 局部栅CNTFET 236

7.2.5 双极型CNTFET 237

7.3 碳纳米管场效应管仿真模型 238

7.3.1 基于弹道输运理论的CNTFET半经典改进模型 238

7.3.2 基于线性回归的CNTFET的HSpice模型 243

7.4 碳纳米管器件的应用 246

7.4.1 基于CNTFET的二极管 246

7.4.2 基于CNTFET的逻辑电路 248

7.4.3 基于CNTFET的振荡器 249

7.4.4 基于双栅极CNTFET的可重配置逻辑电路 250

7.4.5 基于CNTFET的多值逻辑电路 251

参考文献 253

第8章 纳电子器件应用中的问题 256

8.1 单电子晶体管的非理想因素 256

8.1.1 单电子晶体管随机背景电荷的产生 256

8.1.2 背景电荷对单电子晶体管的影响 257

8.1.3 单电子晶体管背景电荷的解决方法 257

8.1.4 单电子晶体管其他非理想因素的影响 259

8.2 影响SETMOS混合器件工作的因素 260

8.2.1 CMOS器件噪声分析与抑制 260

8.2.2 SETMOS混合电路设计中偏置电流源的影响 261

8.2.3 泄漏能耗的影响与控制 262

8.3 量子细胞神经网络的非理想因素 262

8.3.1 QCNN中的非理想因素的类型 263

8.3.2 非理想因素对QCNN的影响 263

8.3.3 非理想因素影响的结果分析 270

8.4 其他器件的非理想因素影响 270

8.4.1 散射对RTD的影响 271

8.4.2 RTD的集成技术 271

8.4.3 RTD应用电路的发展展望 273

8.4.4 碳纳米管场效应管制备及特性中的问题 274

参考文献 275

参数符号 277

缩略语 280

全书主要分为三个部分:(1) 主要概述纳电子学的发展和基础理论;(2) 主要介绍纳电子器件(包括:共振隧穿器件、单电子器件、量子点电子器件、纳米CMOS器件和碳纳米管器件等);(3) 由纳电子器件构成的电路及其应用。

全书共分八章，包括:纳米电子学和纳电子器件发展概述;纳电子学基础理论;共振隧穿器件;单电子器件;量子点电子器件;SET/MOS混合器件;碳纳米管器件;纳电子电路及应用中的问题。