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目录1

第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2　微电子技术现状和极限3

1.2.1　微电子技术的发展3

1.2.2　传统器件的基本极限4

1.2.3　传统集成电路进一步小型化的技术障碍5

1.3　纳米结构中的新现象6

1.3.1　弹道输运8

1.3.2　相位干涉12

1.3.3　普适电导涨落16

1.3.4　弱局域化18

1.3.5　载流子热化22

1.3.6　隧穿现象23

1.3.7　单电子现象与库仑阻断24

1.4　特征时间、空间尺度28

1.4.1　特征长度28

1.4.2　系统尺度与半导体材料特征参数33

参考文献35

第2章 纳米电子结构及其电子态37

2.1 引言37

2.2　低维限制系统44

2.2.1　二维电子气44

2.2.2　一维限制系统45

2.2.3　零维系统46

2.2.4　量子点接触49

2.2.5　反点格子50

2.2.6　超小隧道结51

2.3.1　引言52

2.3　低维系统中电子态描述方法52

2.3.2　包络函数方法53

2.3.3　量子阱与准二维系统中的电子态55

2.3.4　耦合量子阱与超晶格59

2.3.5　掺杂异质结系统与自洽解62

2.4　纳米限制结构中的电子态67

2.4.1　量子线中的电子态67

2.4.2　量子点中的电子态68

2.4.3　量子点中的电子统计78

2.5 磁场对纳米结构电子态的影响79

2.5.1 磁场中的2DEG79

2.5.2　处于磁场中的1D波导：边沿态82

2.5.3　磁场中的量子点86

2.5.4　量子点的能谱88

参考文献94

3.1 引言96

第3章 纳米电子器件输运理论96

3.2　隧穿理论97

3.2.1　隧穿的波函数描述方法97

3.2.2　隧穿时间109

3.2.3　隧穿电流111

3.2.4　量子化电荷隧穿121

3.3 Landauer公式124

3.3.1　单通道形式125

3.3.2　多通道Landauer公式128

3.3.3　Büttiker公式131

3.3.4　Landauer公式讨论134

3.4　纳米结构中的量子化电导152

3.4.1　实验结果与定性解释152

3.4.2　绝热输运模型154

3.4.3　温度的效应157

3.4.4　非均匀效应158

3.4.5　非线性输运162

3.4.6　应用Landauer公式的条件164

3.5　复杂纳米结构中的输运167

3.5.1　引言167

3.5.2　S矩阵组合方法168

3.5.3　格林函数172

3.5.4　模式匹配方法178

3.5.5　拐弯波导的输运183

3.5.6　横向共振隧穿185

3.5.7　耦合波导187

参考文献189

第4章　共振隧穿现象与器件191

4.1 引言191

4.2.1　结构与现象概述195

4.2　半导体异质结构中的共振隧穿现象195

4.2.2　共振隧穿机理196

4.2.3　负微分电阻起源199

4.3　共振隧穿器件输运理论199

4.3.1　引言199

4.3.2 RTD相干隧穿理论200

4.3.3　发射极态的量子化与2D-2D共振隧穿211

4.3.4　双势阱异质结构共振隧穿213

4.3.5　散射破坏相位干涉与相继隧穿218

4.4 RTD器件特性分析222

4.4.1　引言222

4.4.2　散射因素对器件性能的影响222

4.4.3　瞬态特性分析隧穿时间243

4.4.4　材料和结构对器件性能的影响248

4.5 RTD器件模型252

4.5.1 电路模拟RTD器件模型253

4.5.2　物理基础RTD模型259

4.6　共振隧穿器件的应用263

4.6.1 RTD在高速电路中的应用263

4.6.2 RTD在功能电路中的应用270

参考文献289

第5章 单电子现象与器件292

5.1 引言292

5.1.1 单电荷现象产生条件292

5.1.2　单电子系统的基本结构及类型293

5.2　单电荷输运的唯象理论295

5.2.1　单电子隧穿率295

5.2.2　相继隧穿的主方程297

5.2.3　高阶隧穿过程299

5.3　隧道结偏置方式302

5.3.1　电流偏置单个隧道结302

5.3.2　电压偏置单电荷隧道结308

5.3.3　充电能309

5.3.4　单隧道结的局部与整体观点310

5.4　环境描述方法310

5.4.1　经典描述方法310

5.4.2 LC电路的量子力学312

5.4.3　与环境耦合隧道结系统的哈密顿量313

5.5　单隧道结的电子隧穿率314

5.5.1　隧穿哈密顿量314

5.5.2　隧穿率计算316

5.5.3　相位—相位相关函数和环境阻抗319

5.5.4 P（E）的普遍性质320

5.5.5　电流—电压特性322

5.5.6　低阻抗环境323

5.5.7　高阻抗环境324

5.6.1　单模式环境耦合325

5.6　环境耦合例子325

5.6.2　欧姆阻抗329

5.6.3　具有有限品质因子的模型331

5.6.4　传输线333

5.6.5 LC传输线335

5.6.6 RC传输线335

5.7　双隧道结系统337

5.7.1　岛电荷模式337

5.7.2　网络分析方法338

5.7.3　双隧道结系统隧穿率341

5.7.4　低阻抗环境中的双隧道结系统343

5.7.5　高阻抗环境中的双隧道结系统344

5.7.6　双隧道结系统的电流—电压特性345

5.7.7　库仑台阶347

5.8.1　小隧道结电路描述方法351

5.8　单电子器件351

5.8.2　单电子盒356

5.8.3　单电子陷阱361

5.8.4　单电子晶体管362

5.8.5　单电子旋转门368

5.8.6　单电子泵371

5.8.7　多隧道结电路375

5.9　单电子器件在模拟电路中的应用379

5.9.1　超灵敏电表379

5.9.2　单电子能谱仪382

5.9.3　直流电流标准383

5.9.4　温度标准385

5.9.5 红外辐射探测器386

5.10　单电子器件在数字电路中的应用387

5.10.1　逻辑电路387

5.10.2　单电子存储器390

参考文献400

第6章　半导体量子点器件406

6.1 引言406

6.2　量子点系统的共振隧穿407

6.2.1　低维共振隧穿结构407

6.2.2　三维S矩阵理论411

6.2.3　横向模式守恒与不守恒共振隧穿415

6.2.4　面积可变共振隧穿器件423

6.2.5 三维限制对于隧穿特性的影响427

6.2.6　通过单杂质态的隧穿431

6.2.7　一维共振隧穿二极管435

6.3　量子点系统的单电子现象436

6.3.1　能级量子化对于单电子隧穿的影响437

6.3.2　量子点库仑振荡周期440

6.3.3　量子点库仑振荡幅值与线型443

6.3.4　量子点非线性输运446

6.3.5　量子点其他输运理论工作综述447

6.3.6　库仑振荡的线性响应448

6.3.7　单个横向量子点非线性输运区451

6.3.8　共振隧穿与库仑阻塞的互相影响454

6.4　耦合量子点系统455

6.4.1　静电耦合量子点456

6.4.2　隧道耦合量子点458

6.4.3　耦合量子点的谱技术464

6.4.4　通过多量子点的相干隧穿465

6.5　量子点输运的交流特性468

6.5.1　半导体量子点电子旋转门468

6.5.2　非绝热区；Tien-Gordon理论469

6.5.3　量子点的光电流谱471

6.5.4　双量子点中的Rabi谐振471

6.6.1 引言476

6.6 量子点计算［77］476

6.6.2　QCA的量子模拟480

6.6.3　QCA阵列开关484

6.6.4　流水线（Pipelining）操作绝热开关电路494

6.6.5 QCA的可能实现方法498

6.6.6　结论499

参考文献499

第7章 纳米CMOS技术504

7.1 引言504

7.2 纳米CMOS器件面临的挑战505

7.2.1 电源电压和阈值电压505

7.2.2　栅氧化层507

7.2.3　高场效应508

7.2.4　杂质随机分布效应510

7.2.5　互连线延迟513

7.3.1　SOI CMOS514

7.3　纳米CMOS的新器件结构514

7.3.2　SiGe CMOS518

7.3.3　低温CMOS520

7.3.4　双栅CMOS521

7.3.5　环栅CMOS525

7.3.6　动态阈值CMOS526

7.4　小结527

参考文献528

第8章 纳米电子结构与器件的噪声529

8.1　引言529

8.1.1　纳米器件稳固性529

8.1.2　介观系统中的噪声［2］529

8.2　纳米器件中的散粒噪声及其抑制［6］530

8.2.1　电流涨落530

8.2.2　散粒噪声的散射理论531

8.2.3　简单纳米结构中的散粒噪声534

8.2.4　散粒噪声的动力学理论536

8.2.5　相位破坏、热化和非弹性散射537

8.2.6　传导电荷统计539

8.2.7　双势垒结构的散粒噪声抑制540

8.2.8　量子点中的散粒噪声抑制543

8.2.9　无序金属中的散粒噪声抑制544

8.3　纳米器件中的1/f噪声547

8.3.1　介观系统中的1/f噪声547

8.3.2　单电子器件1/fα噪声产生机理550

8.4 单电子晶体管背景电荷噪声控制［65］551

8.4.1　引言551

8.4.2　BCN的一般特性552

8.4.3　利用改变晶体管设计降低噪声553

8.4.4　讨论554

8.5 噪声用于单电子电路可靠性表征［70］555

8.5.1　引言555

8.5.2 Eb/N0-BET特征555

8.5.3 Eb/N0-BER表征单电子电路可靠性556

8.6　单电子器件低噪声化技术［69］560

8.6.1　低噪声化设计561

8.6.2　噪声分析与结论563

8.7　单电子器件优化设计技术［63］564

8.7.1　纳米结构自加热模型565

8.7.2　单电子器件的电流特性566

8.7.3　单电子器件中的电荷噪声568

8.7.4　单电子器件岛尺寸综合优化技术570

参考文献572

主要参考书目575