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第一章　绪论1

1.1　引言1

1.2　单电子器件物理5

1.3　单电子电路原理6

1.4　单电子器件和电路模拟器8

参考文献11

第二章　单电子器件的网络理论和静电学17

2.1　单电子器件的网络理论17

2.1.1　等效电源定理17

2.1.2　单电子隧道结的网络模型20

2.1.3　栅控一维单电子隧道结阵列的网络模型22

2.1.4　单电子箱的网络模型24

2.1.5　电容耦合单电子晶体管的网络模型26

2.1.6　等效电流源模型30

2.2　单电子系统静电学35

2.2.1　静电势的多极展开35

2.2.2　静电能37

2.2.3　球形库仑岛40

2.2.4　超薄圆盘库仑岛45

2.2.5　环形纳米线库仑岛46

2.2.6　纳米线库仑岛47

2.2.7　椭球库仑岛48

2.2.8　碳纳米管库仑岛50

2.2.9　单电子系统的自由能54

2.3　电容耦合单电子晶体管极限性能的估计59

参考文献65

第三章　金属基单电子器件的半经典理论66

3.1　金属基单电子隧道结的半经典理论66

3.1.1　费米黄金定律66

3.1.2　隧穿率69

3.2　单电子隧道结的主方程：半经典动力学推导法73

3.3　单电子隧道结的主方程：密度算符推导法77

3.3.1　密度算符及其运动方程77

3.3.2　单电子隧道结主方程的密度算符推导法79

3.3.3　库仑阻塞和库仑振荡的主方程解释82

3.4　单电子晶体管的正统理论90

3.4.1　电容耦合单电子晶体管90

3.4.2　电阻耦合单电子晶体管94

3.4.3　电阻和电容串联耦合单电子晶体管100

3.5　一维单电子隧道结阵列的电荷孤子和反孤子输运108

3.5.1　单电子电荷孤子和反孤子109

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118

参考文献120

第四章　金属基单电子器件的电磁环境效应121

4.1　经典电荷弛豫121

4.2　LC回路的量子原理122

4.3　考虑电磁环境效应的单电子隧道结的系统哈密顿123

4.3.1　电磁环境哈密顿123

4.3.2　隧道哈密顿125

4.3.3　准粒子哈密顿126

4.3.4　系统哈密顿126

4.4　考虑电磁环境效应的单电子隧道结的隧穿率126

4.4.1　微扰理论126

4.4.2　探究电磁环境态128

4.4.3　相位－相位相关函数128

4.4.4　隧穿率公式129

4.4.5　相位－相位相关函数和环境阻抗130

4.4.6　能量交换概率P（E）的一般性质132

4.4.7　电流－电压特性的一般性质133

4.4.8　低阻抗电磁环境134

4.4.9　高阻抗电磁环境135

4.5　单电子隧道结电磁环境效应的实例136

4.5.1　以集中电感作为电磁环境：集中L模型136

4.5.2　以集中电阻作为电磁环境：集中R模型140

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142

4.5.4　以分布电感、电阻和电容传输线作为电磁环境：分布L0R0C0传输线模型144

4.5.5 以分布电感和电容传输线作为电磁环境：分布L0C0传输线模型146

4.5.6　以分布电阻和电容传输线作为电磁环境：分布R0C0传输线模型147

4.6　考虑电磁环境效应的单电子晶体管的隧穿率148

4.6.1　隧穿率148

4.6.2　低阻抗电磁环境150

4.6.3　高阻抗电磁环境152

4.7　考虑电磁环境效应的多结系统的隧穿率154

参考文献159

第五章　金属基单电子器件的共隧道效应160

5.1　弹性和非弹性共隧道效应160

5.2　单电子晶体管共隧道的半经典理论161

5.3　一维单电子隧道结阵列的共隧道半经典理论166

5.3.1　隧穿率166

5.3.2　εi→0近似168

5.3.3　εi＝—△Fn/2n的近似170

5.4　无栅电荷偏置的1D-SETJA的电流－电压特性分析171

5.5　栅电荷偏置的1D-SETJA的简化网络分析模型175

5.6　单电子电荷泵的精度分析177

5.6.1　优化偏置178

5.6.2　单个隧道结的单电子隧穿179

5.6.3　初态的衰减180

5.6.4　共隧道隧穿率181

5.6.5　泄漏和转换误差186

5.6.6　共隧道误差188

5.6.7　热误差192

5.6.8　频率误差194

5.6.9　误差的近似估算195

参考文献197

第六章　金属基单电子器件的噪声198

6.1　一般经典噪声机制198

6.1.1　散粒噪声198

6.1.2　热噪声199

6.1.3　闪烁噪声（1/f噪声）199

6.2　单电子晶体管的热噪声和散粒噪声199

6.2.1　经典噪声的一般公式200

6.2.2　主方程的频域解203

6.2.3　谱密度的矩阵形式203

6.2.4　低频噪声205

6.2.5　直流噪声207

6.2.6　超灵敏度单电子静电计的噪声212

6.3　一维单电子隧道结阵列中的散粒噪声222

6.3.1　电荷传输的离散性223

6.3.2　谱密度的计算225

6.3.3　接地1D-SETJA散粒噪声227

6.3.4　不接地1D-SETJA散粒噪声229

6.3.5　考虑背景电荷时1D-SETJA的散粒噪声230

参考文献231

第七章　介观超导隧道结理论233

7.1　二次量子隧道效应233

7.2　q的量子Langevin方程241

7.3　布洛赫波振荡和电流－电压特性244

7.4　涨落效应249

7.5　密度矩阵分析法250

7.6　单电子现象和磁通量子化之间的对偶性252

7.6.1　对偶性的法则252

7.6.2　经典器件和电路的对偶性253

7.6.3　介观器件和电路的对偶性256

参考文献269

第八章　半导体基和人造原子单电子器件理论271

8.1　半导体人造原子中的单电子效应271

8.2　线性响应理论273

8.2.1　基本关系式274

8.2.2　线性响应277

8.2.3　电导公式的极限形式279

8.2.4　非弹性散射效应281

8.2.5　对库仑阻塞振荡效应的应用283

8.3　非线性响应理论288

8.3.1　模型和基本方程288

8.3.2　大面积量子阱291

8.3.3　小面积量子阱293

参考文献304

第九章　纳机电单电子器件理论306

9.1　实验型纳机电单电子晶体管307

9.2　穿梭输运的类型308

9.3　粒子的经典穿梭模型310

9.3.1　本征模型310

9.3.2　电荷传输的穿梭机制312

9.3.3　耗散系统的模型316

9.3.4　隧穿区和穿梭区318

9.3.5　非理想模型322

9.3.6　栅控纳机电单电子晶体管324

9.3.7　范德瓦耳斯力的作用325

9.3.8　三维本征模型327

9.4　电子波的经典穿梭模型332

9.5　粒子的量子穿梭模型337

参考文献343

第十章　单电子电路原理345

10.1　单电子模拟电路345

10.1.1　单电子数／模转换器345

10.1.2　单电子模／数转换器355

10.2　单电子逻辑电路367

10.2.1　电压态单电子逻辑367

10.2.2　电荷态单电子逻辑397

10.2.3　单电子和CMOS混合逻辑电路422

10.3　单电子存储器422

10.3.1　单电子陷阱存储器原理422

10.3.2　单电子存储器的读出单元429

10.3.3　多晶硅MOS管浮点单电子存储器431

参考文献436

第十一章　单电子器件和电路模拟器438

11.1　模拟器类型和层次结构438

11.2　蒙特卡罗模拟法441

11.2.1　理论原理441

11.2.2　算法流程图443

11.2.3　模拟器应用实例444

11.3　主方程模拟器449

11.3.1　主方程模拟器的构建原理449

11.3.2　模拟器的应用实例452

11.3.3　主方程模拟器简介468

11.4　SET-SPICE模拟器470

11.4.1　SET-SPICE模拟器简介470

11.4.2　C-SET稳态主方程模型471

11.4.3　C-SET精简稳态主方程模型475

11.4.4　C-SET宏模型483

11.4.5　C-SET模型的SPICE实现488

11.4.6　模拟器应用实例490

11.5　纳机电单电子器件和电路模拟493

11.5.1　经典牛顿方程的数值模拟494

11.5.2　主方程模拟法494

11.5.3　蒙特卡罗模拟法496

11.5.4　NEM-SET单元电路设计例497

参考文献502