Circuits at the Nanoscale pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Iniewski, Kris (EDT)

出品人:

页数:602

译者:

出版时间:

价格:1258.00 元

装帧:

isbn号码:9781420070620

丛书系列:

图书标签:

• 纳米电路
• 电路设计
• 纳米技术
• 电子器件
• 固态电子
• 半导体
• 集成电路
• 纳米材料
• 量子力学
• 器件物理

纳米尺度电路：从材料到器件的极限探索 本书深入探讨了在纳米尺度下，电子元件和集成电路所面临的根本性物理、材料科学及工程学挑战，旨在为读者提供一个全面且深入的理解框架。我们关注的焦点在于，当特征尺寸逼近原子尺度时，经典半导体物理学的局限性，以及新颖的物理现象如何驱动下一代计算范式的演进。 第一部分：纳米尺度下的基础物理与材料 本部分首先奠定了理解纳米电子学的基础。我们详细阐述了经典电磁学在纳米尺度上的失效，并引入了量子力学在描述电子输运中的核心作用。 1. 量子尺寸效应与电子的波粒二象性： 深入分析了当结构尺寸远小于电子的德布罗意波长时，能带结构如何被调制。讨论了量子阱、量子线和量子点中电子能量量子化的具体表现形式，以及这对器件的导电性、光学特性和热学性质产生的深刻影响。特别是，我们会详细解析量子限制效应（Quantum Confinement Effect），它是现代纳米器件性能优化的关键。 2. 载流子输运机制的变革： 在微米尺度下，欧姆定律和漂移-扩散模型是主流。但在纳米尺度，弹道输运（Ballistic Transport）和低维电子气（2DEG）的特性占据主导。本书详尽考察了电子在纳米结构中经历的散射机制：声子散射、杂质散射、表面散射以及电子-电子相互作用。通过分析这些机制，我们构建了适用于亚10纳米节点晶体管的输运模型，包括漂移-扩散模型的修正和量子隧穿概率的精确计算。 3. 新型功能材料的崛起： 传统硅基材料的性能已接近理论极限。因此，本部分将大量的篇幅投入到对二维材料（2D Materials）的深入研究上，特别是石墨烯（Graphene）、二硫化钼（MoS2）和氮化硼（h-BN）。我们不仅分析了它们的独特电子结构（如零带隙或大带隙的特性），更重要的是，探讨了如何将这些材料集成到实际的场效应晶体管（FET）结构中。讨论了它们在提高开关速度、降低功耗方面的潜力，以及界面工程（Interface Engineering）在优化这些异质结器件中的关键作用。此外，我们还触及了拓扑绝缘体（Topological Insulators）在无耗散输运方面的潜在应用。 第二部分：纳米器件的结构设计与性能优化 本部分从材料层面转向器件层面，探讨了如何将这些新材料和量子效应转化为功能性的电子器件。 4. 突破硅CMOS极限的晶体管架构： 经典的平面MOSFET已无法有效控制短沟道效应。本书系统地回顾了FinFET（鳍式场效应晶体管）的设计原理、制造挑战及性能优势。在此基础上，我们详细介绍了下一代架构——全环绕栅极（GAAFET），特别是纳米片（Nanosheet）和纳米线（Nanowire）结构。通过精确的电场分布仿真和工艺参数分析，展示了如何通过多栅极设计实现对沟道电流的精细调控，从而克服阈值电压波动和亚阈值摆幅过大的问题。 5. 隧穿效应器件的复兴： 随着晶体管尺寸的缩小，栅氧化层漏电流成为主要功耗来源。本书重新审视了基于量子隧穿效应的器件，如隧穿场效应晶体管（TFET）。我们详细分析了带间隧穿（BTBT）机制，并讨论了如何设计具有陡峭亚阈值摆幅（SS < 60 mV/decade）的TFET，以实现超低电压操作。这部分内容包含了对材料带隙工程和能带对齐的深入讨论。 6. 存储技术的纳米化： 存储器是集成电路的关键组成部分。我们分析了相变存储器（PCM）、电阻随机存取存储器（RRAM）以及磁阻随机存取存储器（MRAM）在纳米尺度下的工作原理。重点讨论了器件的可靠性问题，如耐久性、数据保持时间和开关统计变异性（Cycle-to-Cycle Variation）。特别是对自旋转移矩（STT）和自旋轨道矩（SOT）驱动的磁性随机存取存储器（MRAM）的物理机制进行了详细阐述，强调了其高密度和非易失性的结合优势。 第三部分：制造工艺、可靠性与新兴范式 成功制造纳米电路不仅是材料科学的胜利，更是精密工程的体现。本部分关注实际制造中的挑战，以及超越冯·诺依曼架构的计算可能性。 7. 极紫外光刻（EUV）与先进工艺集成： 描述了当前半导体制造中最尖端的极紫外光刻（EUV Lithography）技术，包括光源、掩模版（Mask）设计和光刻胶的挑战。同时，本书也探讨了原子层沉积（ALD）在实现超薄、高介电常数栅极氧化物（High-k/Metal Gate Stack）中的不可替代作用，以及对薄膜均匀性和界面缺陷控制的要求。 8. 纳米器件的可靠性与变异性： 随着尺寸的缩小，随机缺陷和统计涨落（Stochastic Fluctuations）对电路性能的影响急剧增大。我们详细分析了阈值电压波动（Vth Variation）的来源——包括随机掺杂效应和有限的器件尺寸效应。此外，对电迁移（Electromigration）、介质击穿（Dielectric Breakdown）和热管理在纳米互连和晶体管中的演化进行了深入探讨，并提出了提高器件长期可靠性的工程对策。 9. 后CMOS计算的展望： 展望未来，本书最后探讨了基于新型物理现象的非传统计算范式。内容涵盖自旋电子学（Spintronics）中信息的传递和处理，忆阻器（Memristor）在模拟计算和神经形态工程中的应用潜力，以及量子计算（特别是基于半导体量子点的方案）的集成挑战，为读者描绘出未来十年内计算技术可能跨越的方向。 通过对这些前沿主题的系统性梳理，本书力求为从事半导体物理、纳米电子器件设计、以及先进工艺开发的科研人员和工程师，提供一个深入理解纳米尺度下一切可能与不可能的知识蓝图。

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