Nanoscale Transistors pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Mark Lundstrom

出品人:

页数:218

译者:

出版时间:2005-12-21

价格:USD 139.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387280028

丛书系列:

图书标签:

• 纳米
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《宏观世界的智慧：从经典力学到复杂系统》 内容提要 本书旨在深入探讨人类认知中宏观尺度的物理学原理、工程应用以及由此衍生的复杂系统思维。我们聚焦于那些尺度远超纳米级别的现象，从经典的牛顿力学框架出发，逐步扩展到热力学、电磁学在宏观工程中的应用，并最终构建起理解复杂系统行为的理论工具箱。本书不涉及量子效应或半导体器件的微观物理机制，而是专注于材料的整体行为、能量的转化与耗散，以及大规模结构的设计与稳定性。 第一部分：经典力学的基石与扩展 本部分重温并深化了牛顿力学在工程实践中的应用，重点在于处理刚体动力学、振动与波的传播。 第一章：宏观系统的运动学与动力学 本章首先建立起描述宏观物体运动的坐标系、速度和加速度概念。重点在于惯性系和非惯性系（如旋转参考系）中的运动分析。我们将详细讨论刚体运动的欧拉角表示法，并引入动量和角动量的概念，阐述其在冲击、碰撞以及陀螺稳定系统中的应用。与纳米尺度下对单个粒子行为的关注不同，本章的出发点是物体整体的质心运动和绕质心的转动。 第二章：能量、功与保守场 能量守恒定律是理解任何物理系统的核心。本章侧重于宏观功的计算，包括线积分和面积分，并引入势能的概念，区分保守力和非保守力（如摩擦力、阻尼力）。我们将深入探讨不同类型的势能（引力势能、弹性势能），并利用能量法分析机械系统的平衡状态和稳定性。例如，通过拉格朗日力学这一更具普适性的表述方式，我们可以简洁地推导复杂多自由度机械装置的运动方程，而不必过多纠结于内部的约束力。 第三章：振动与波的宏观传播 本章将焦点转向周期性运动和能量的有效传输。首先分析单自由度和多自由度系统的自由振动和受迫振动，特别是共振现象及其在桥梁、建筑结构中的破坏性后果。接着，我们进入波动的世界，讨论弹性波（如声波、地震波）在连续介质中的传播特性，包括反射、折射、衍射和干涉。从拉伸弦的微小位移到大型声纳系统的设计，都需要对波的宏观方程有深刻理解。 第二部分：热力学与能量转化工程 本部分关注能量的宏观形态——热能，以及其如何通过热力学过程进行转化和利用。 第四章：热力学第一定律与状态变量 热力学第一定律（能量守恒的另一种表述）是理解所有热力学过程的基础。本章定义了宏观系统的热力学状态变量：温度、压力、体积和内能。我们将详细分析准静态过程（等温、等压、绝热、定容）下的功和热的传递，并结合工程实例，如蒸汽机和内燃机的工作循环（卡诺循环、朗肯循环），阐述如何量化能量转换的效率。 第五章：熵增定律与不可逆性 熵的概念是区分宏观世界与微观世界关键特征的标志之一。本章深入探讨热力学第二定律，即熵增原理，理解其对所有自然过程方向性的约束。我们将探讨不可逆过程带来的能量品质下降，并引入吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能，用于判断化学反应和物理相变的自发性。熵的宏观描述与信息论中的信息熵有着深刻的联系，但本章侧重于热力学中的能量耗散视角。 第六章：传热学基础 热量在宏观尺度上的传输是材料科学和结构工程中必须考虑的关键因素。本章系统地介绍三种主要的传热机制：热传导（基于傅里叶定律）、对流（自然对流与强制对流）和热辐射。我们将解决诸如建筑物隔热设计、热交换器优化以及高温结构的热应力分析等实际工程问题。 第三部分：宏观电磁学与场论 本部分从麦克斯韦方程组的宏观积分形式出发，探讨电磁场如何影响和驱动大型系统。 第七章：静电场与稳恒电流场 本章回顾高斯定律、库仑定律，并将其应用于计算具有复杂几何形状的电容器和导电体的电场分布。重点在于电势的概念以及电势能的计算。随后，我们转向稳恒电流，利用安培定律和欧姆定律，分析电阻网络、电缆传输中的能量损耗，以及电磁屏蔽的基本原理。 第八章：动态场与麦克斯韦方程组 本章的核心是对时变场的处理。法拉第电磁感应定律和麦克斯韦修正后的安培定律是本章的基石。我们将推导出电磁波的波动方程，并分析其在真空和介质中的传播特性，包括波阻抗、能量流密度（坡印廷矢量）等宏观量。这为理解无线电通信、雷达以及光学现象提供了理论基础。 第九章：电磁系统中的能量与力 本章将电磁场与机械运动联系起来。通过引入洛伦兹力定律（宏观集成形式），我们分析电动机、发电机和变压器的工作原理。重点在于如何通过磁场的设计来产生或控制宏观的机械力矩和电动势。 第四部分：从有序到混沌：复杂系统的涌现行为 本书的最后一部分超越了对线性、独立组件的分析，转向探索大量相互作用单元所产生的整体非预期行为。 第十章：连续介质力学与流动稳定性 本章将力学从刚体扩展到可形变的介质。我们将介绍流体力学的基本方程——纳维-斯托克斯方程，并分析其在不可压缩流动中的简化形式（如伯努利方程）。重点讨论雷诺数（Reynolds Number）在判断层流与湍流状态中的关键作用，湍流作为一种典型的宏观复杂现象，其能量级联和耗散机制将在本章被详细剖析。 第十一章：系统反馈与稳定性分析 反馈机制是复杂系统动态行为的核心驱动力。本章引入线性系统理论，探讨正反馈和负反馈回路对系统行为的影响。我们将使用传递函数和频率响应分析法，评估反馈系统的稳定性，例如在自动控制系统和生态系统模型中，一个小扰动可能如何通过反馈链放大为全局性的失稳。 第十二章：非线性动力学与混沌现象 宏观世界中普遍存在非线性关系。本章将介绍非线性系统的基本概念，如相空间、极限环。重点阐述混沌的特征，特别是对初始条件的极端敏感性（蝴蝶效应），并通过洛伦兹吸引子等经典模型，展示确定性系统如何产生看似随机的复杂行为。理解这种涌现的复杂性，对于建立可靠的大尺度预测模型至关重要。 结论 本书总结了宏观尺度的物理和工程原理，强调了这些原理如何共同作用，塑造了我们日常经验中的世界。它展示了从经典力学的确定性到复杂系统涌现的统计特性之间的桥梁，为理解更大尺度上的现象提供了坚实的理论框架。

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说实话，我对这本书的评价是爱恨交织的。一方面，作为一名资深工程师，我对书中对新型晶体管结构，比如GAA（Gate-All-Around）和TFET（隧道场效应晶体管）的未来发展趋势的预测感到非常兴奋。作者的远见卓识，将当前半导体工业面临的功耗墙和性能瓶颈看得一清二楚，并给出了极具创新性的解决方案。他详尽地分析了这些新兴器件的载流子注入机制和潜在的工艺挑战，这对于我们这些在一线做研发的人来说，无异于一份及时的“情报”。然而，另一方面，书中对于一些前沿的量子效应处理得略显保守和晦涩。比如，对于载流子在极窄沟道中的波函数重叠和退相干效应，感觉作者似乎没有完全展开探讨，这部分内容对于理解真正的极限器件行为至关重要。我希望作者能在后续版本中，增加更详细的数学建模和更具前瞻性的物理模拟结果，这样这本书的价值才能真正达到“圣经”的级别。目前看来，它更像是一本扎实的“高级参考手册”，而不是一本能引领未来十年的“宣言”。

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这本《Nanoscale Transistors》的书，拿到手的时候，我就有一种强烈的预感，它会是一本极具挑战性但又异常宝贵的资料。我记得我刚翻开第一章，里面的那些关于半导体物理和器件结构的基础概念就已经把我拉入了深入的思考之中。作者对于沟道长度调制效应、短沟道效应的阐述，可以说是深入骨髓的。他没有满足于教科书式的简单描述，而是引入了大量的现代实验数据和仿真结果来佐证每一个理论推导。尤其是关于FinFETs（鳍式场效应晶体管）的结构演变那一块，那简直是如数家珍。我花了整整一个下午，才勉强跟上作者的思路，理解了三维结构如何有效地解决了传统平面MOSFETs在亚微米尺度上面临的静电控制问题。书中对载流子输运机制在纳米尺度下的变化分析得尤其透彻，从漂移到扩散，再到量子隧穿效应的引入，逻辑层层递进，让人不得不佩服作者深厚的功底和严谨的治学态度。这本书绝不是那种快速扫一遍就能掌握的快餐读物，它更像是一份需要你投入时间去“啃”的硬骨头，但只要你啃下来了，收获绝对是巨大的，它能让你对晶体管这个最基础的电子元件产生全新的、更深层次的理解。

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这是一本能让人坐下来，静心思考数小时的学术著作。我读这本书的过程，与其说是“阅读”，不如说是“探索”。作者的行文风格非常沉稳，几乎没有使用任何夸张或煽情的词汇，所有的论点都建立在严密的物理定律和可靠的实验数据之上。它带给我最大的触动在于对“理想模型”的祛魅。我们总习惯于在教科书里看到完美的MOSFET模型，但这本书毫不留情地揭示了真实世界中，由于杂质、界面态、静电耦合以及工艺波动带来的巨大偏差。书中关于随机特性的分析，比如随机功耗（Random Dopant Fluctuation, RDF）如何影响器件的阈值电压均匀性，这部分内容极其现实且具有指导意义。它迫使读者跳出完美的仿真环境，去直面半导体制造的残酷现实。我个人觉得，如果能再增加一个关于高K/金属栅极工艺在纳米尺度下可靠性与寿命评估的专题分析，那就更完美了。总体而言，这本书的价值在于其对现实约束的深刻洞察力，它教我们如何在不完美的世界里设计出最好的器件。

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这本书的排版和图示设计，我个人觉得非常专业，但同时也带来了一些阅读上的小障碍。我特别欣赏作者对于每一个核心概念都配有高精度的能带图、电势分布图以及载流子流线图。这些图表质量极高，清晰地展示了物理现象的本质。特别是那张关于亚阈值摆幅（Subthreshold Swing）随栅极长度变化的曲线图，通过不同的工艺参数叠加，将短沟道效应的恶化过程展现得淋漓尽致，让人一眼就能明白为什么我们需要不断地寻找新的晶体管架构。但是，我注意到书中对于一些复杂公式的推导过程，跳步略大。比如，从泊松方程到肖克利方程的过渡，中间省略了大量的边界条件处理和积分过程。对于初次接触这个领域的学生来说，可能会感到非常吃力，需要频繁地查阅其他经典教材来补全这些细节。因此，这本书更适合那些已经有扎实半导体物理基础，希望深入钻研器件物理细节的进阶读者群体。它更像是给“行家”准备的，而不是给“入门者”铺路的。

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这本书给我的感觉，就像是走进了一个精密仪器的内部结构展示厅。作者对每一个细节的把握到了吹毛求疵的地步。我注意到书中对衬底掺杂浓度梯度、栅氧化层厚度不均匀性这些看似微不足道的参数，是如何量化影响最终晶体管性能的。这种对“细节决定成败”的深刻理解，是很多泛泛而谈的材料所不具备的。尤其让我印象深刻的是，作者引入了一种基于矩形模型（Rectangular Model）的自洽求解方法来评估短沟道效应，这种方法既保持了计算的可行性，又在一定程度上模拟了三维电场的影响，极大地提升了传统一维模型的精度。虽然这本书的篇幅不算小，但阅读起来却有一种非常流畅的节奏感，仿佛作者正亲自站在你面前，用清晰的逻辑和无可辩驳的证据，一步步引导你走过从传统CMOS到下一代纳米器件的整个演进链条。这本书无疑是半导体器件物理领域的一座坚实的里程碑，值得所有相关领域的专业人士案头常备，时不时翻阅，总能从中汲取新的智慧和对现有设计的改进灵感。

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