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蒋建飞著 著

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• 单电子效应
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• 纳米电子学
• 电子输运
• 库仑阻塞
• 隧道效应
• 半导体物理
• 低温物理
• 物理学

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030198822

商品编码：29246039340

包装：平装

出版时间：2007-09-01

基本信息

书名：单电子学

定价：80.00元

作者：蒋建飞著

出版社：科学出版社

出版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

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商品重量：0.763kg

编辑推荐

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内容提要

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单电子学是纳电子学重要的分支之一，它是有可能部分替代发展至时的纳米MOS电子学的重要候选者之一。
本书系统地论述了以半经典理论为基础的单电子器件物理，包括网络分析理论、正统理论和超正统理论；传统概念下单电子电路的原理以及非传统概念单电子电路的研究；单电子系统的模拟方法，包括单电子器件和电路蒙特卡罗模拟法，单电子器件和电路主方程模拟法，单电子器件和电路与集成电路通用模拟程序(SPICE)兼容模拟法。本书是一部有明确的学术观点、理论体系及很强应用背景的学术著作。
本书可以作为纳米科学技术和相关学科的科学家、工程师、教师的参考书，也可供电子科学技术一级学科和交叉学科(计算机学、物理学、化学、生物学、材料学等)从事纳米科学技术学习和研究的高年级本科生、硕士研究生、博士研究生参考阅读。

目录

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前言
基本符号表
章 绪论
　1.1 引言
　1.2 单电子器件物理
　1.3 单电子电路原理
　1.4 单电子器件和电路模拟器
　参考文献
第二章 单电子器件的网络理论和静电学
　2.1 单电子器件的网络理论
　　2.1.1 等效电源定理
　　2.1.2 单电子隧道结的网络模型
　　2.1.3 栅控一维单电子隧道结阵列的网络模型
　　2.1.4 单电子箱的网络模型
　　2.1.5 电容耦合单电子晶体管的网络模型
　　2.1.6 等效电流源模型
　2.2 单电子系统静电学
　　2.2.1 静电势的多极展开
　　2.2.2 静电能
　　2.2.3 球形库仑岛
　　2.2.4 超薄圆盘库仑岛
　　2.2.5 环形纳米线库仑岛
　　2.2.6 纳米线库仑岛
　　2.2.7 椭球库仑岛
　　2.2.8 碳纳米管库仑岛
　　2.2.9 单电子系统的自由能
　2.3 电容耦合单电子晶体管极限性能的估计
　参考文献
第三章 金属基单电子器件的半经典理论
　3.1 金属基单电子隧道结的半经典理论
　　3.1.1 费米黄金定律
　　3.1.2 隧穿率
　3.2 单电子隧道结的主方程：半经典动力学推导法
　3.3 单电子隧道结的主方程：密度算符推导法
　　3.3.1 密度算符及其运动方程
　　3.3.2 单电子隧道结主方程的密度算符推导法
　　3.3.3 库仑阻塞和库仑振荡的主方程解释
　3.4 单电子晶体管的正统理论
　　3.4.1 电容耦合单电子晶体管
　　3.4.2 电阻耦合单电子晶体管
　　3.4.3 电阻和电容串联耦合单电子晶体管
　3.5 一维单电子隧道结阵列的电荷孤子和反孤子输运
　　3.5.1 单电子电荷孤子和反孤子
　　3.5.2 一维单电子隧道结阵列作为电阻耦合单电子晶体管的栅电阻
　参考文献
第四章 金属基单电子器件的电磁环境效应
　4.1 经典电荷弛豫
　4.2 LC回路的量子原理
　4.3 考虑电磁环境效应的单电子隧道结的系统哈密顿
　　4.3.1 电磁环境哈密顿
　　4.3.2 隧道哈密顿
　　4.3.3 准粒子哈密顿
　　4.3.4 系统哈密顿
　4.4 考虑电磁环境效应的单电子隧道结的隧穿率
　　4.4.1 微扰理论
　　4.4.2 探究电磁环境态
　　4.4.3 相位一相位相关函数
　　4.4.4 隧穿率公式
　　4.4.5 相位一相位相关函数和环境阻抗
　　4.4.6 能量交换概率P(E)的一般性质
　　4.4.7 电流一电压特性的一般性质
　　4.4.8 低阻抗电磁环境
　　4.4.9 高阻抗电磁环境
　4.5 单电子隧道结电磁环境效应的实例
　　4.5.1 以集中电感作为电磁环境：集中L模型
　　4.5.2 以集中电阻作为电磁环境：集中R模型
　　4.5.3 以集中电感和电阻相串联作为电磁环境：集中LR模型
　　4.5.4 以分布电感、电阻和电容传输线作为电磁环境：分布Lo RoCo传输线模型
　　4.5.5 以分布电感和电容传输线作为电磁环境：分布LoCo传输线模型
　　4.5.6 以分布电阻和电容传输线作为电磁环境：分布RoCo传输线模型
　4.6 考虑电磁环境效应的单电子晶体管的隧穿率
　　4.6.1 隧穿率
　　4.6.2 低阻抗电磁环境
　　4.6.3 高阻抗电磁环境
　4.7 考虑电磁环境效应的多结系统的隧穿率
　参考文献
第五章 金属基单电子器件的共隧道效应
　5.1 弹性和非弹性共隧道效应
　5.2 单电子晶体管共隧道的半经典理论
　5.3 一维单电子隧道结阵列的共隧道半经典理论
　　5.3.1 隧穿率
　　5.3.2 O近似
　　5.3.3 =一△F／2 n”的近似
　5.4 无栅电荷偏置的1DSETJA的电流一电压特性分析
　5.5 栅电荷偏置的1DsETJA的简化网络分析模型
　5.6 单电子电荷泵的精度分析
　　5.6.1 优化偏置
　　5.6.2 单个隧道结的单电子隧穿
　　5.6.3 初态的衰减
　　5.6.4 共隧道隧穿率
　　5.6.5 泄漏和转换误差
　　5.6.6 共隧道误差
　　5.6.7 热误差
　　5.6.8 频率误差
　　5.6.9 误差的近似估算
　参考文献
第六章 金属基单电子器件的噪声
　6.1 一般经典噪声机制
　　6.1.1 散粒噪声
　　6.1.2 热噪声
　　6.1.3 闪烁噪声(1 ／f噪声)
　6.2 单电子晶体管的热噪声和散粒噪声
　　6.2.1 经典噪声的一般公式
　　6.2.2 主方程的频域解
　　6.2.3 谱密度的矩阵形式
　　6.2.4 低频噪声
　　6.2.5 直流噪声
　　6.2.6 超灵敏度单电子静电计的噪声
　6.3 一维单电子隧道结阵列中的散粒噪声
　　6.3.1 电荷传输的离散性
　　6.3.2 谱密度的计算
　　6.3.3 接地1 I).SETJA散粒噪声
　　6.3.4 不接地1 I).SETJA散粒噪声
　　6.3.5 考虑背景电荷时1 D-SETJA的散粒噪声
　参考文献
第七章 介观超导隧道结理论
　7.1 二次量子隧道效应
　7.2 q的量子Langevin方程
　7.3 布洛赫波振荡和电流一电压特性
　7.4 涨落效应
　7.5 密度矩阵分析法
　7.6 单电子现象和磁通量子化之间的对偶性
　　7.6.1 对偶性的法则
　　7.6.2 经典器件和电路的对偶性
　　7.6.3 介观器件和电路的对偶性
　参考文献
第八章 半导体基和人造原子单电子器件理论
　8.1 半导体人造原子中的单电子效应
　8.2 线性响应理论
　　8.2.1 基本关系式
　　8.2.2 线性响应
　　8.2.3 电导公式的极限形式
　　8.2.4 非弹性散射效应
　　8.2.5 对库仑阳塞振荡效应的应用
　8.3 非线性响应理论
　　8.3.1 模型和基本方程
　　8.3.2 大面积量子阱
　　8.3.3 小面积量子阱
　参考文献
第九章 纳机电单电子器件理论
　9.1 实验型纳机电单电子晶体管
　9.2 穿梭输运的类型
　9.3 粒子的经典穿梭模型
　　9.3.1 本征模型
　　9.3.2 电荷传输的穿梭机制
　　9.3.3 耗散系统的模型
　　9.3.4 隧穿区和穿梭区
　　9.3.5 非理想模型
　　9.3.6 栅控纳机电单电子晶体管
　　9.3.7 范德瓦耳斯力的作用
　　9.3.8 三维本征模型
　9.4 电子波的经典穿梭模型
　9.5 粒子的量子穿梭模型
　参考文献
第十章 单电子电路原理
　10.1 单电子模拟电路
　　10.1.1 单电子数／模转换器
　　10.1.2 单电子模／数转换器
　10.2 单电子逻辑电路
　　10.2.1 电压态单电子逻辑
　　10.2.2 电荷态单电子逻辑
　　10.2.3 单电子和cMOS混合逻辑电路
　10.3 单电子存储器
　　10.3.1 单电子陷阱存储器原理
　　10.3.2 单电子存储器的读出单元
　　10.3.3 多晶硅Mos管浮点单电子存储器
　参考文献
第十一章 单电子器件和电路模拟器
　11.1 模拟器类型和层次结构
　11.2 蒙特卡罗模拟法
　　11.2.1 理论原理
　　11.2.2 算法流程图
　　11.2.3 模拟器应用实例
　11.3 主方程模拟器
　　11.3.1 主方程模拟器的构建原理
　　11.3.2 模拟器的应用实例
　　11.3.3 主方程模拟器简介
　11.4 SETHSPICE模拟器
　　11.4.1 SET-SPICE模拟器简介
　　11.4.2 C-SET稳态主方程模型
　　11.4.3 C-SET精简稳态主方程模型
　　11.4.4 C-SET宏模型
　　11.4.5 GSET模型的SPICE实现
　　11.4.6 模拟器应用实例
　11.5 纳机电单电子器件和电路模拟
　　11.5.1 经典牛顿方程的数值模拟
　　11.5.2 主方程模拟法
　　11.5.3 蒙特卡罗模拟法
　　11.5.4 NEM-SET单元电路设计例
　参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《单电子学》一书，顾名思义，聚焦于电子这一微观粒子最为基本、最为纯粹的运动形态——单电子的操控、测量与应用。它并非一本泛泛而谈的量子力学教科书，也不是对所有电子学器件进行概念的罗列，而是将目光精准地投射到对单个电子的精确调控这一前沿领域。这本书的价值在于，它系统地梳理了单电子学从理论构想到实验实现的整个发展脉络，深入剖析了实现单电子操控所面临的核心挑战，并展望了其在未来科技发展中所扮演的关键角色。 全书的写作视角十分独特，它将单电子学视为一个独立而蓬勃发展的学科分支，而非仅仅是其他学科的延伸。作者以一种严谨且富有洞察力的方式，为读者构建了一个清晰的知识体系。首先，书中会从最基础的物理原理出发，回顾量子力学中关于电子的本性，例如波粒二象性、量子隧穿效应等。但与传统的量子力学著作不同的是，这里的讨论并非为了建立宏观的物理模型，而是为了理解如何利用这些基本原理来实现对微观粒子——即单个电子——的精细控制。例如，书中会详细探讨如何利用库仑势阱、量子点、单电子晶体管等结构，将单个电子“囚禁”在特定的区域，并对其进行精确的定位。这部分内容的深入性体现在，它不仅仅停留在概念的介绍，而是会深入到不同囚禁机制的物理机制、能级结构以及可能存在的退相干效应等细节，为读者理解实际器件的设计提供理论基础。 接下来，本书的核心内容将围绕“单电子的操控”展开。这部分可以说是全书的灵魂所在。作者会详细阐述实现单电子传输的技术手段。例如，通过电场或磁场对电子进行加速、减速、偏转，甚至是“搬运”。书中会详细介绍利用量子点串联、介电栅极控制、单电子泵等不同机制实现电子的定向注入和传输。这里的“精确”是关键，本书会用大量的篇幅去探讨如何达到“一人一票”式的电子传输，即每次操作只精确地转移一个电子。这涉及到对电子之间库仑相互作用的抑制、对量子噪声的过滤以及对瞬态电流的精确测量等复杂问题。读者将了解到，如何通过优化器件结构、改进控制信号的波形、采用低噪声的读出电路等方法，来克服这些挑战。 “单电子测量”是本书的另一个重要组成部分。在实现单电子操控之后，如何准确地“看见”并“量化”每一个电子的出现和消失，是验证技术可行性的关键。本书会详细介绍多种先进的单电子探测技术。例如，电容耦合探测、场效应晶体管探测、量子点旁观者探测等。作者会深入分析不同探测技术的原理、灵敏度、响应时间以及它们在不同实验场景下的适用性。更重要的是，本书会探讨如何设计高效的读出电路，将微弱的单电子信号放大并转化为可识别的数据。这部分内容的深度体现在，它会详细讲解如何处理测量过程中不可避免的噪声，如何利用统计平均和信号处理技术来提取有效的单电子信息。对于那些希望进行实际实验的研究者来说，这部分内容具有极高的参考价值。 除了理论阐述和技术细节，本书还会花费相当篇幅来探讨单电子学在各个领域的潜在应用。这部分内容将极大地拓宽读者的视野，让他们认识到单电子学并非仅仅是一个理论研究方向，而是具有巨大实际价值的未来科技基石。 在量子计算领域，单电子的操控被视为实现量子比特（qubit）最基础也是最可靠的途径之一。本书会详细阐述如何利用单个电子的自旋或电荷状态作为量子比特的载体，以及如何通过单电子的操作实现量子门的构建。例如，利用单电子晶体管来实现对量子比特的精确读出和逻辑操作，以及如何通过多个单电子比特之间的耦合来实现多比特量子纠缠。书中会深入探讨不同量子比特架构在实现单电子操控方面的优劣，以及如何克服量子比特的退相干问题。 在量子通信方面，单电子源可以被看作是产生单光子脉冲的理想光源。本书会探讨如何利用单电子的跃迁过程产生单光子，以及如何将这些单光子脉冲用于量子密钥分发（QKD）等通信协议。书中会分析单电子源在产生高质量单光子方面的优势，以及如何将其集成到实际的通信系统中。 在精密测量领域，单电子学提供了前所未有的灵敏度和分辨率。本书会介绍如何利用单电子探测器来实现对微弱电荷、微小磁场甚至单个分子的探测。例如，在生物医学领域，单电子传感器可以用于检测极低浓度的生物标志物，为疾病的早期诊断提供新的手段。在材料科学领域，单电子显微镜可以实现原子尺度的成像和表征。 此外，本书还将触及新型电子器件的构想。例如，单电子存储器，其存储信息的最小单元是单个电子，具有极高的存储密度和能效。还有单电子逻辑电路，其运行速度和功耗都将超越现有传统电子器件。书中会详细分析这些新型器件的设计理念、工作原理以及实现它们所面临的技术瓶颈。 在写作风格上，本书力求严谨又不失可读性。它并非冰冷的公式堆砌，而是通过深入浅出的讲解，将复杂的物理概念和工程难题形象化。作者会引用大量的最新研究成果和实验数据，来佐证其理论推导和技术分析。同时，书中也会穿插一些关于单电子学发展历程的介绍，以及对未来发展趋势的展望，使得内容既有深度又不乏趣味性。 本书的读者群体将涵盖物理学、电子工程、材料科学等相关领域的科研人员、研究生以及对前沿科技充满兴趣的工程师和技术爱好者。对于初学者而言，书中清晰的逻辑和循序渐进的讲解能够帮助他们快速掌握单电子学的基本概念；对于资深研究者而言，书中深入的技术细节和前沿的应用探讨，则能为他们的研究提供新的思路和启发。 总而言之，《单电子学》是一部内容详实、视角独特、具有前瞻性的专业著作。它系统地梳理了单电子学这一新兴领域的理论基础、技术实现、测量方法以及广阔的应用前景，为读者打开了一扇通往微观世界精密操控的大门，必将对相关学科的发展产生深远的影响。

评分☆☆☆☆☆

说实话，读《单电子学》之前，我对“单电子”这个词汇的认知仅限于“组成物质的微小粒子”这个模糊的概念。这本书的出现，彻底刷新了我对它的认知。作者以一种近乎诗意的笔触，描绘了一个前所未有的微观世界，在那里，电子不再是机械的、可预测的，而是充满了奇幻色彩和不确定性。书中的每一个章节都像是一扇窗户，让我窥视到量子世界的独特魅力。特别是关于“电子自旋”的部分，作者通过一系列巧妙的类比，将这个抽象的量子属性具象化，让我能够理解电子是如何像一个小小的陀螺一样，拥有自己的“旋转方向”。我最震撼的是，作者在书中探讨了如何“操控”单个电子。这听起来像是科幻小说里的情节，但《单电子学》却用严谨的科学理论和实验证据，向我证明了这一切并非不可能。他详细介绍了目前科学家们在量子操控领域取得的突破，比如如何利用电场、磁场或者激光来精确地控制单个电子的运动轨迹和能量状态。这让我不禁联想到未来的科技发展，也许有一天，我们真的能够利用这些单个电子来构建全新的计算设备，解决目前人类面临的许多难题。这本书的语言风格非常独特，既有科学的严谨，又不乏哲学思辨的深度，读起来让人欲罢不能。它不仅仅是一本关于物理学的书，更像是一本关于探索未知、挑战极限的启示录。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，《单电子学》这本书的封面和标题并没有立刻吸引我，我通常会优先选择那些标题更具吸引力或封面设计更酷炫的书籍。但鬼使神差地，我还是翻开了它。没想到，这一翻，就彻底被它迷住了。作者在书中以一种非常“接地气”的方式，开始讲述“单电子”的故事。他不是直接抛出晦涩难懂的定义，而是从一个非常微观的视角出发，让我们仿佛能看到每一个单独的电子是如何“存在”的。我特别喜欢他对“量子态”的描述，他没有直接用那些拗口的术语，而是通过一系列生动的场景，比如一个电子同时存在于两个地方的“鬼魅”般的景象，来展现量子世界的奇特之处。书中关于“量子退相干”的解释也让我豁然开朗，作者用“记忆丢失”的比喻，形象地解释了为什么宏观世界里的量子效应如此难以观察到。我最深刻的印象是，作者在书中详细介绍了“单电子晶体管”的发展历程和工作原理。这个概念听起来非常高深，但作者却将其拆解成一个个易于理解的步骤，让我能够清晰地看到科学家们是如何一步步攻克技术难关，实现对单个电子的精确控制。这本书的写作风格非常个人化，作者仿佛在和我面对面交流，分享他对量子世界的理解和感悟。字里行间充满了智慧的光芒，也充满了对科学探索的敬畏之心。读完之后，我感觉自己对世界的认知又上了一个新的台阶。

评分☆☆☆☆☆

初次翻开《单电子学》这本书，我的期待值其实并不高。市面上关于量子物理的书籍汗牛充栋，大多数要么是高屋建瓴，理论推导让人望而却步；要么是浅尝辄止，讲些概念却缺乏深度。我抱着“或许能找到点新意”的心态，没想到这本书带给我的惊喜远超预期。从第一页开始，作者就用一种非常直观且易于理解的方式，将“单电子”这个抽象的概念一点点剥开，就像剥洋葱一样，层层递进。他没有上来就抛出复杂的数学公式，而是从一些我们日常生活中能够联想到的现象入手，比如光的粒子性，然后自然而然地引出了电子的量子特性。我特别喜欢作者对于“测量”这个概念的解读，他没有用生硬的物理语言，而是通过一些生动的比喻，比如“偷窥”粒子的行为，让我这个非专业人士也能深刻体会到量子世界里测量对粒子状态的不可避免的扰动。后续的章节里，他更是花了大量篇幅介绍了一些前沿的实验技术，比如量子点、量子比特等，这些内容在其他科普读物中往往一带而过，但在《单电子学》中，作者却详细地解析了它们的原理、构建方式以及潜在的应用。我尤其对书中关于“量子纠缠”的描述印象深刻，作者巧妙地利用了“孪生兄弟”的比喻，形象地展示了两个粒子之间即使相隔遥远，信息也能瞬间传递的奇妙现象。整本书读下来，感觉像是跟着一位经验丰富的向导，在神秘的量子大陆进行了一次酣畅淋漓的探索，既满足了我的好奇心，又在不知不觉中提升了我的科学素养。

评分☆☆☆☆☆

当我拿到《单电子学》这本书时，并没有抱太大的期望。市面上充斥着各种冠冕堂皇的科学著作，内容空洞，难以消化。然而，这本书却意外地给了我惊喜。作者以一种非常独特的方式，将“单电子”这个看似遥远的概念拉近到了我的身边。他没有直接进行枯燥的理论讲解，而是从一些我们日常生活中能够观察到的现象出发，循序渐进地引导读者进入量子世界的奇妙殿堂。我尤其欣赏作者在书中对于“叠加态”和“波粒二象性”的阐述，他用生动的比喻，将电子在不同状态之间的转换和其既像粒子又像波的特性解释得淋漓尽致，让我这个物理门外汉也能轻松理解。书中关于“量子隧穿效应”的描写更是让我惊叹不已，作者通过一个形象的“翻山越岭”的比喻，生动地展现了电子如何能够“穿过”一道原本无法逾越的能量壁垒，这简直颠覆了我对经典物理世界的认知。后续的章节里，作者还详细介绍了当前量子计算领域的一些热门概念，比如量子纠缠、量子门等，并对它们进行了深入浅出的解析。这些内容在许多其他科普读物中往往只是一笔带过，但在《单电子学》中，作者却花费了大量的笔墨，力求让读者能够真正理解其背后的原理和意义。这本书的行文流畅，逻辑清晰，充满了作者对科学的热情和对读者的关怀，让我仿佛置身于一场知识的盛宴之中，每一次阅读都受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

在众多的量子力学科普读物中，《单电子学》这本书脱颖而出，给我留下了深刻的印象。作者以一种非常独特且引人入胜的方式，将“单电子”这一复杂而迷人的概念呈现给了读者。他并没有一开始就堆砌大量的专业术语和公式，而是从一些更贴近我们生活，或者说是更为基础的物理现象出发，一点点地揭示量子世界的奥秘。我尤其赞赏作者在书中对于“量子比特”的介绍，他没有简单地停留在概念层面，而是深入地探讨了其作为量子计算核心单元的可能性，以及目前在实现过程中所面临的挑战。书中关于“量子纠缠”的章节，作者更是用了一种非常巧妙的比喻，将两个看似独立的粒子之间的奇特关联解释得清晰明了，让我这个对物理学了解不深的人也能产生强烈的共鸣。我个人最受启发的是，作者在书中还展望了单电子学在未来可能带来的颠覆性技术，比如更高效的传感器、更安全的通信方式，甚至是以单电子为基础的新型计算架构。这些内容不仅仅是理论的探讨，更让我看到了科学研究的强大生命力和无限可能性。这本书的语言风格既有科学的严谨，又不失文学的色彩，读起来没有任何枯燥感，反而充满了求知的乐趣。它不仅拓宽了我的知识视野，更激发了我对科学探索的热情。