纳电子器件及其应用

第1章绪论
1.1 引言
1.2 微电子学向纳电子学发展及限制
1.2.1 微电子学向纳电子学发展
1.2.2 微纳电子器件的技术限制
l.3 纳电子学的研究与发展
1.3.1 纳电子学研究
1.3.2 纳电子学的发展
1.4 纳电子器件
1.4.1 引言
1.4.2 纳电子器件种类
1.4.3 纳电子器件应用.
参考文献

第2章纳电子学基础
2.1 纳结构中量子效应
2.1.1 电导量子
2.1.2 弹道输运
2.1.3 普适电导涨落
2.1.4 库仑阻塞
2.1.5 量子相干效应
2.2 Landauer－Btittiker电导公式
2.2.1 两端单通道Landauer电导公式
2.2.2 两端多通道Bfittiker电导公式
2.2.3 弹道结构的电导系数
2.3 单电子隧穿
2.3.1 单电子隧穿现象及条件
2.3.2 电流偏置单隧道结
2.3.3 单电子岛(双隧道结)
2.3.4 电子输运的主方程
2.4 库仑台阶和库仑振荡
2.4.1 引言
2.4.2 库仑台阶
2.4.3 库仑振荡
参考文献

第3章共振隧穿器件
3.1 共振隧穿效应
3.1.1 共振隧穿现象
3.1.2 共振隧穿机理
3.2 共振隧穿器件输运理论
3.2.1 量子力学基础
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
3.3 共振隧穿二极管的特性分析
3.3.1 共振隧穿二极管的特性及参数
3.3.2 散射和材料结构对器件特性的影响
3.4 共振隧穿二极管模型
3.4.1 电路模拟模型
3.4.2 物理基础的RTD模型
3.5 RTD器件的数字电路
3.5.1 RTD的基本电路
3.5.2 单一双稳转换逻辑单元的工作原理
3.5.3 单一双稳转换逻辑单元构成的数字电路
3.5.4 基于RTD的多值逻辑电路设计
3.6 RTD的模拟电路及其应用
3.6.1 振荡器电路
3.6.2 细胞神经网络神经元电路
3.6.3 混沌振荡器电路
参考文献

第4章单电子器件
4.1 单电子盒
4.2 单电子陷阱
4.3 单电子晶体管
4.3.1 SET的结构及原理
4.3.2 SET的特性
4.3.3 多栅极SET的结构及原理
4.3.4 多栅极SET的L－V特性
4.3.5 SET的数值模拟方法和仿真模型
44单电子旋转门
4.5 单电子泵
4.6 单电子器件的模拟电路应用
4.6.1 超高灵敏静电计
4.6.2 单电子能谱仪
4.6.3 计量标准应用
4.6.4 红外辐射探测器
4.6.5 基于SET的模拟滤波器
4.6.6 基于SET的细胞神经网络
4.7 单电子器件的数字电路应用
4.7.1 基于SET的逻辑电路
4.7.2 单电子存储器
4.7.3 基于SET的数字滤波器
参考文献

第5章量子点器件
5.1 量子元胞自动机
5.1.1 量子元胞自动机的结构
5.1.2 量子元胞自动机的原理
5.1.3 量子元胞自动机的特性
5.2 量子元胞自动机基本电路
5.3 量子元胞自动机的仿真方法
5.3.1 元胞间哈特里逼近法
5.3.2 模拟退火法
5.3.3 遗传模拟退火法
5.3.4 QCADesignei软件仿真
5.3.5 SPICE模型仿真
5.4 量子细胞神经网络及其应用
5.4.1 量子细胞神经网络的机理
5.4.2 量子细胞神经网络的非线性特性
5.4.3 QCNN的追踪控制应用
5.4.4 QCNN的图像处理应用
5.5 量子元胞自动机逻辑电路及应用
5.5.1 基于量子元胞自动机的异或门和加法器设计
5.5.2 量子元胞自动机移位寄存器
5.5.3 量子元胞自动机存储器设计
5.5.4 量子元胞自动机数字电路设计方法
参考文献

第6章SETMOS混合器件
6.1 SETMOs混合器件结构及特性
6.1.1 SETMOS混合器件的结构
6.1.2 SElMOS混合器件的工作原理及特性
6.2 sETMOS混合器件的模型
6.2.1 SETM0s混合器件的模型建立
6.2.2 SETMOS混合器件的仿真
6.3 SETMOS混合器件模拟电路应用
6.3.1 SETMOS积分器
6.3.2 SElMOS滤波器
6.3.3 基于SETMOS混合器件的细胞神经网络
6.4 SETMOS混合器件数字电路应用
6.4.1 多值逻辑
6.4.2 逻辑门电路
6.4.3 sETMOS混合器件的数字电路应用
参考文献

第7章碳纳米管器件
7.1 碳纳米管的结构、电特性及制备方法
7.1.1 碳纳米管的结构
7.1.2 碳纳米管的电特性
7.1.3 碳纳米管的制备
7.2 碳纳米管场效应管
7.2.1 CNTFET的L－V特性曲线
7.2.2 P型和N型CNTFET
7.2.3 接触势垒
7.2.4 局部栅CNTFET
7.2.5 双极CNTFET
……
第8章 纳电子器件应用中的问题

插图：


纳电子器件是微电子器件的下一代新器件，是电子器件发展的重大变革，它在未来的应用将是不争的事实。然而，纳电子器件的运行机理、材料和加工技术，以及在集成电路与系统中的应用都将不同于微电子器件。纳电子器件在应用中存在一些非理想因素，比如，在单电子晶体管（SET）的应用中遇到的突出问题是其低增益、高输出阻抗和随机背景电荷，前两者在实际应用中可以通过与CMOS器件适当结合得以解决（参见第6章中的SETMOS混合器件），而随机背景电荷对SET的性能有着显著的影响，它使得库仑岛上的电子数目发生改变，而库仑岛上一个电子的增减就可使SET的导通或库仑阻塞状态发生改变；另外，量子细胞神经网络（QCNN）中的QCA元胞排列位置偏差和丢失，都将会导致QCNN系统产生错误。鉴于这些考虑，本章将对一些纳电子器件在应用中存在的问题进行探讨，以求对未来纳电子器件在集成电路与系统中的应用提供参考。
8.1 单电子晶体管随机背景电荷影响
噪声对于纳米尺度的量子器件的影响远比对传统的器件大得多。因为纳米器件不再像传统器件那样以大量载流子统计平均结果作为工作基础，而纳米器件仅需要少量的电子运动。所以微弱的噪声，甚至一个到几个电子电量的起伏都会引起某个特征尺寸以下的器件性能明显恶化，从而破坏器件的稳定性。随机背景电荷是影响单电子晶体管（SET）工作的主要原因，特别是对SET的性能影响尤为显著，它可以改变库仑岛上的电子数目，从而影响到SET的导通以及库仑阻塞状态的变化。因此，实际应用中欲使SET能够可靠工作，必须采取相应的措施来解决背景电荷问题。
8.1.1单电子晶体管随机背景电荷的产生
单电子学最严重的缺陷就是所谓的随机背景电荷问题。库仑岛极易受到邻近电荷的影响。而这些背景电荷主要由四个方面的因素引起：①材料中杂质引起的电荷；②表面缺陷和边界微粒引起的电荷；③相邻导体电荷；④电离辐射。虽然产生背景电荷的四个因素不同，但所产生的背景电荷对SET伏安特性的影响结却是一致的。这些背景电荷均随着时间而发生改变，且具有很强的破坏力，以至于它们可以完全抑制库仑阻塞的发生，也即破坏了器件的行为。