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蒋建飞著 著

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• 半导体物理
• 物理学
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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030198822

商品编码：29740671571

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

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版次：1

装帧：平装

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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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《量子纠缠的奥秘：超越经典物理的全新视野》 简介： 在宏观世界的日常经验中，我们习惯于用“因果律”和“局部性”来理解世界的运转。一个物体的运动，似乎总是由其直接的接触或可预见的力所决定，而遥远之处发生的事情，则不会瞬间影响到它。然而，在微观的量子层面，这种直观的认知被彻底颠覆。本书将带领读者踏上一段令人着迷的探索之旅，揭开量子纠缠这一奇异而强大的现象的神秘面纱，并深入阐述它如何挑战我们对现实本质的理解，为未来科技的发展勾勒出无限可能。 本书旨在： 深入浅出地解析量子纠缠的基本概念： 避免使用过于晦涩的物理学符号和术语，通过生动形象的比喻和思想实验，让读者能够直观地理解量子纠缠的核心原理。我们将从量子比特（qubit）的概念入手，介绍其叠加态的特性，进而引出纠缠态——一种两个或多个量子粒子之间形成的、无论相距多远都相互关联的特殊状态。本书将详尽解释，当处于纠缠态的粒子被测量时，无论它们之间隔着多大的空间距离，一个粒子的测量结果似乎会瞬间影响到另一个粒子的状态，这种“幽灵般的超距作用”是如何发生的。 回顾量子纠缠的理论发展历程： 从爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）提出的思想实验，到贝尔不等式的提出与实验检验，再到现代量子信息理论的蓬勃发展，本书将梳理量子纠缠研究的关键里程碑。我们将详细介绍EPR佯谬如何揭示了量子力学与经典物理的深刻矛盾，以及贝尔不等式如何提供了一种实验验证纠缠态真实性的方法。本书还将探讨量子力学中的非定域性（non-locality）和量子态的不可克隆定理（no-cloning theorem），这些概念与量子纠缠密不可分，共同构成了量子世界的奇特图景。 呈现量子纠缠的实验证据与前沿进展： 书中将介绍一系列具有里程碑意义的实验，例如Aspect的实验、GHZ态的实验等，这些实验不仅有力地证实了量子纠缠的真实存在，也排除了某些局域隐变量理论的可能性。我们将讨论当前量子纠缠研究的最新进展，包括多体纠缠、拓扑纠缠、以及在各种量子系统（如光子、超导量子比特、原子、离子阱等）中实现和操纵纠缠的技术。读者将了解到科学家们如何在实验室中创造和维持量子纠缠，以及如何利用这些纠缠态进行精密测量和信息处理。 展望量子纠缠在未来科技中的颠覆性应用： 量子纠缠并非仅仅是理论上的奇思妙想，它更是开启下一代颠覆性技术的钥匙。本书将详细探讨量子纠缠在以下领域的潜力： 量子计算： 量子计算机利用量子纠缠和叠加态的特性，能够以前所未有的速度解决经典计算机难以企及的复杂问题，例如大数分解（威胁现有加密体系）、药物分子模拟、材料设计、优化问题等。本书将解释量子算法（如Shor算法和Grover算法）如何利用纠缠实现指数级的加速。 量子通信与量子密码学： 量子纠缠可以实现绝对安全的通信。本书将介绍量子密钥分发（QKD）的原理，解释如何利用纠缠态来生成和分发一次性密钥，从而确保信息的绝对机密性，即使被窃听者截获，其行为也会被立即察觉。 量子传感： 利用量子纠缠态的极高灵敏度，我们可以开发出超越经典极限的量子传感器，用于探测微弱的磁场、引力波、温度变化等，在精密测量、导航、医疗诊断等领域具有广阔的应用前景。 量子网络： 构建一个由纠缠的量子节点组成的量子网络，将能够实现远距离的量子信息传输和分布式量子计算，为未来的全球量子互联网奠定基础。 本书的特点： 严谨的科学性与通俗的易读性并存： 我们力求在保持科学准确性的前提下，用最清晰、最生动的方式呈现复杂的概念，让不同背景的读者都能领略量子世界的魅力。 跨学科的视角： 本书不仅涵盖物理学理论，还触及计算机科学、信息科学、数学等相关领域，展现量子纠缠的广泛影响。 丰富的案例与图示： 通过大量的思想实验、历史故事以及精美的插图，增强阅读的趣味性和理解的深度。 面向未来： 本书不仅回顾过去，更着眼于未来，激发读者对量子时代可能性的思考和想象。 适合读者： 任何对现代物理学、量子力学、人工智能、未来科技发展充满好奇的读者。无论您是科学爱好者、学生、研究人员，还是对探索未知世界充满热情，本书都将为您打开一扇通往量子奥秘的窗口。 《量子纠缠的奥秘：超越经典物理的全新视野》 将是一次令人兴奋的认知旅程，它将挑战您对现实的固有观念，揭示宇宙最深层次的运作规律，并指引我们走向一个充满量子奇迹的未来。准备好迎接这场思维的革命吧！

评分☆☆☆☆☆

评价一 这本书的语言风格简直像是与一位智者在午后阳光下进行的深入哲学思辨，它没有直接铺陈技术细节，而是通过一系列精妙的比喻和历史的侧影，带领读者进入一个关于“极限”与“控制”的广阔思想领域。初读时，我甚至怀疑我是否拿错了书，因为它的开篇讨论了量子力学在宏观世界中的隐喻意义，以及人类对最小尺度的好奇心如何塑造了我们的认知框架。作者似乎更热衷于探讨物理学哲学层面的问题——当我们能真正操纵单个粒子时，我们对“确定性”的信仰会发生怎样的动摇？书中对费曼和其他早期物理学家的非正统观点进行了大量的引用和解读，这些解读角度刁钻，极富启发性，让人忍不住停下来，反复咀嚼那些看似平常却蕴含深意的句子。尤其是在讨论信息熵与物理实在的关系时，作者的论述如同迷宫般精巧，需要读者具备相当的专注力才能跟上其思想的跳跃。它更像是一部思想传记，而非教科书，记录的是人类探索微观世界时，精神层面所经历的蜕变与挣扎。

评分☆☆☆☆☆

评价二 不得不说，这本书的排版和插图设计充满了粗粝的工业美学，每一页的留白都像是经过精心计算的，让人感觉仿佛在翻阅一本上世纪七十年代的经典工程手册。内容上，它极其注重“实用性美学”，即如何将理论的优雅转化为可制造的器件。作者似乎对材料科学有着近乎偏执的关注，花费了大量的篇幅去剖析不同晶格结构在超低温环境下表现出的奇特行为。我尤其欣赏其中对于“噪声”处理的章节，书中没有使用教科书式的公式堆砌，而是通过一系列详尽的实验流程描述，展现了如何像驯服野兽一样，去驯服那些无处不在的热扰动和电磁干扰。那种沉浸式的叙述方式，仿佛能让人闻到实验室里液氦的冰冷气息。它传递出的信息是：在这一领域，细节决定成败，而真正的天才在于对这些看似微不足道的“边界条件”的极致掌控。对于想要深入了解实际搭建和调谐过程的工程师来说，这本书提供了宝贵的“内行人的视角”。

评分☆☆☆☆☆

评价五 我必须承认，这本书的学术野心达到了令人咋舌的高度，但其对读者群体的定位似乎有些模糊不清。它在前几章对量子场论的基础概念进行了非常深入的复习，那些公式的推导细节之繁复，足以让刚接触该领域的学生望而却步。然而，在接下来的章节中，作者又突然转入了对特定应用领域——比如超导量子计算中的“拓扑保护”机制——的详尽阐述，这部分内容又对读者有很高的先验知识要求。这种忽高忽低的难度曲线，使得全书的阅读体验非常不连贯。尽管如此，书中对“信息存储极限”的讨论部分，通过引入新的信息论视角来重新定义物理极限，确实提供了令人耳目一新的思路。它似乎想成为一本连接理论物理、信息科学与工程实践的桥梁，但最终呈现的效果更像是一系列高水平讲座的零散笔记，优点突出，但整体的连贯性和普适性却大打折扣。

评分☆☆☆☆☆

评价四 阅读这本书的过程，与其说是学习知识，不如说是一次对技术伦理边界的严肃审视。它很少涉及具体的器件参数，而是将焦点完全放在了“能力”与“责任”的对立统一上。作者以一种近乎悲观的历史主义视角，回顾了二十世纪技术进步对社会结构的冲击，并试图预言在下一个维度——微观尺度可控性大大增强后，可能出现的新的社会权力结构。书中对隐私权和个人数据在纳米尺度上可能被“物理入侵”的担忧，写得尤为深刻和令人不安。它大量引用了社会学和法学的案例来佐证其观点，这种将前沿物理学置于人文关怀的宏大框架下审视的做法，是这本书最大的特色，也使其区别于其他纯粹的技术手册。它迫使我思考，当我们掌握了前所未有的物理能力时，我们的道德指南针是否已经失灵。这是一本充满警示意义的“预言之书”。

评分☆☆☆☆☆

评价三 这本书的结构异常松散，更像是一本主题随笔集，缺乏传统科学著作应有的逻辑线性。每一章似乎都围绕着一个核心概念展开，但作者的论证路径却充满了跳跃性，时而转向天体物理学中的奇点讨论，时而又突然聚焦于生物膜上的离子通道模型。这种叙事方式，对于习惯了严谨推导的读者来说，可能会感到极度困惑和不耐烦。然而，如果以一种放松的心态去阅读，你会发现其中蕴含着对跨学科思维的极力倡导。作者似乎在不断地提醒我们，基础物理学的边界正在模糊，很多看似不相关的领域实际上共享着深层的数学结构。书中对古典数学工具在新兴物理学中的“复兴”进行了有趣的探讨，特别是对傅里叶分析在复杂系统建模中的巧妙应用，描述得非常生动，展示了老工具的新生命力。总体而言，这是一本需要读者主动去构建其内部逻辑关联的“解构式”读物。