《电子科学与技术导论》是一本旨在介绍电子科学与技术前沿发展的综合性教材。《电子科学与技术导论》内容涵盖了电子科学与技术的概述、阻变存储器的研究及其性能提升、忆阻器的多种应用、基于新型二维材料及莫特绝缘体的忆阻器、柔性铁电器件的研究现状和应用、石墨烯场效应晶体管研究进展、氮化物激光器技术、太阳能电池技术的*新进展以及集成电路技术与仿真等内容。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 电子科学与技术的发展史 1
1.2 电子科学与技术的研究方向 3
1.3 电子科学与技术遭遇的瓶颈及解决方案 4
参考文献 7
第2章 阻变存储器研究及性能提升 8
2.1 引言 8
2.1.1 存储器的发展 8
2.1.2 阻变存储器的分类 10
2.2 阻变存储器的材料 12
2.2.1 氧化物阻变存储器 12
2.2.2 非氧化物无机材料阻变存储器 17
2.2.3 有机材料阻变存储器 19
2.2.4 二维材料阻变存储器 20
2.3 阻变存储器的阻变机制 24
2.3.1 电化学金属化导电细丝 24
2.3.2 价态变化存储器 24
2.3.3 相变阻变存储器 26
2.3.4 铁电阻变存储器 26
2.4 阻变存储器的性能提升 27
2.4.1 利用二维材料提升器件性能 27
2.4.2 利用量子点提升器件性能 28
2.4.3 利用外围电路提升器件性能 29
2.4.4 通过杂质掺杂提升器件性能 29
2.4.5 特殊器件形貌提升器件性能 30
2.5 小结 32
参考文献 32
第3章 忆阻器的应用 42
3.1 引言 42
3.2 忆阻器在神经仿生中的应用 44
3.2.1 生物突触和人工突触 44
3.2.2 导电丝忆阻器人工突触 46
3.2.3 相变忆阻器人工突触 46
3.2.4 光电忆阻器人工突触 46
3.3 忆阻器神经网络 49
3.3.1 人工神经网络 49
3.3.2 深度神经网络 52
3.3.3 脉冲神经网络 55
3.4 忆阻器的应用 57
3.4.1 忆阻器在生物学上的应用 57
3.4.2 忆阻器在模式识别中的应用 59
3.4.3 忆阻器在电路中的应用 62
3.5 小结 64
参考文献 65
第4章 基于新型二维材料的忆阻器 75
4.1 引言 75
4.2 基于二维材料的忆阻器 77
4.2.1 石墨烯和衍生物 77
4.2.2 过渡金属二硫化物 79
4.2.3 其他二维材料 84
4.3 基于二维材料忆阻器的开关机制 89
4.3.1 细丝 89
4.3.2 原子空位 92
4.3.3 电子的捕获和释放 96
4.4 现有的挑战 97
4.5 小结 98
参考文献 99
第5章 基于莫特绝缘体的忆阻器 119
5.1 引言.119
5.2 莫特绝缘体转变和莫特绝缘体材料 120
5.3 莫特转变的驱动方法 121
5.3.1 压力驱动的莫特转变 121
5.3.2 温度驱动的莫特转变 122
5.3.3 电压驱动的莫特转变 125
5.4 基于莫特绝缘体的忆阻器应用 126
5.4.1 非易失性特性 126
5.4.2 选择器和神经元的挥发性特性 130
5.5 小结 136
参考文献 138
第6章 柔性铁电器件的研究现状和应用 151
6.1 引言 151
6.2 制备柔性铁电器件的途径 152
6.2.1 通过范德瓦耳斯异质外延制备柔性钙钛矿铁电薄膜 152
6.2.2 通过蚀刻法制备柔性钙钛矿铁电薄膜 156
6.2.3 二维柔性铁电材料 163
6.3 柔性铁电器件的应用 169
6.3.1 柔性铁电存储器 169
6.3.2 柔性铁电传感器 175
6.3.3 柔性铁电光伏器件 177
6.3.4 柔性铁电能量采集器 178
6.4 柔性铁电器件应用的潜在研究领域 180
6.5 小结 182
参考文献 183
第7章 石墨烯场效应晶体管研究进展 198
7.1 石墨烯的发现、基本结构及性能 198
7.2 石墨烯的表征方法 200
7.2.1 显微镜法 200
7.2.2 光谱法 202
7.3 石墨烯的制备方法 206
7.4 石墨烯场效应晶体管基本结构及原理 215
7.4.1 背栅石墨烯场效应晶体管 215
7.4.2 顶栅石墨烯场效应晶体管 216
7.4.3 液栅石墨烯场效应晶体管 216
7.5 石墨烯场效应晶体管的制备工艺 217
7.6 石墨烯场效应晶体管中石墨烯的功能化方法 219
7.6.1 共价功能化方法 219
7.6.2 非共价功能化方法 220
7.7 石墨烯场效应晶体管在生化物质传感中的应用 222
7.7.1 石墨烯场效应晶体管生化传感基本理论 222
7.7.2 G-SgFET在生化物质传感领域的应用 223
参考文献 231
第8章 氮化物激光器技术新进展 238
8.1 引言 238
8.1.1 氮化物激光器的应用 238
8.1.2 氮化物激光器发展历程 239
8.2 氮化物激光器基本特性 241
8.2.1 氮化物激光器工作原理 241
8.2.2 氮化物激光器工作特性 243
8.2.3 氮化物激光器调制特性 248
8.3 氮化物白光激光技术 249
8.3.1 荧光转化激光白光技术 250
8.3.2 RGB三基色复合激光白光技术 253
8.3.3 白光LD光通信技术 256
参考文献 260
第9章 太阳能电池研究进展 267
9.1 引言 267
9.2 太阳能电池的种类和光伏原理 267
9.2.1 pn 结型太阳能电池 267
9.2.2 肖特基势垒太阳能电池 268
9.2.3 染料敏化太阳能电池 269
9.2.4 聚合物太阳能电池 270
9.2.5 新型太阳能电池 273
参考文献 275
第10章 集成电路设计与仿真 277
10.1 引言 277
10.1.1 集成电路的过去、现状和未来 277
10.1.2 集成电路的分类及主流工艺 280
10.2 数字集成电路 281
10.2.1 数字集成电路的设计方法 281
10.2.2 数字集成电路的基本单元电路 283
10.2.3 数字集成电路中的时序电路 295
10.3 模拟集成电路 301
10.3.1 模拟集成电路的设计方法 301
10.3.2 模拟集成电路的主要电路单元 302
10.4 Bi-CMOS型集成电路 318
10.4.1 Bi-CMOS型集成电路的设计方法 318
10.4.2 Bi-CMOS型集成电路的典型电路的设计及应用 319
10.5 能量回收型集成电路的设计 322
10.5.1 能量回收型集成电路的原理 322
10.5.2 能量回收型电路的结构分类 324
参考文献 328

第1章绪论
　　1.1电子科学与技术的发展史
　　电子科学与技术专业是***一流本科专业建设点、国家工程教育认证专业、国家“十二五”高等学校专业综合改革试点专业、国家特色专业建设点、***“卓越工程师教育培养计划”试点专业，下设了电路与系统、电磁场与微波技术、微电子学与固体电子学、物理电子学四个二级学科。其中，电路与系统主要研究电路与系统的理论、分析、测试、设计和物理实现；电磁场与微波技术主要研究天线与微波技术的理论与应用；微电子学与固体电子学主要研究各种微电子器件、集成电路、集成电子系统的分析、设计、制造、测试和应用；物理电子学主要研究电子工程和信息科学技术领域内的理论与应用。
　　电子科学与技术专业中微电子技术和光电子技术的前身是半导体专业和激光专业。
　　早在中国古代，我国就通过烽火台进行远程信号传输。1820年，奥斯特发表了著名的奥斯特实验，**次揭示了电流能够产生磁的现象；1831年，迈克尔？法拉第发现了电磁感应定律；1873年，麦克斯韦提出电磁场理论，预测了电磁波的存在；1888年，德国科学家赫兹成功地在导线周围测得电磁场，证实了电磁波的存在，成为无线电通信的先驱，为无线电通信奠定了坚实的理论基础。自赫兹证实了电磁波的存在之后，人们就产生了用电磁波传递信息的想法。1895年，亚历山大？斯捷潘诺维奇？波波夫发明了**台“雷电指示器”的无线电接收机；第二年，成功表演了250m的无线电通信，开创了无线电技术的新时代，意义深远。
　　随着第二次世界大战的爆发，在军事上对电子器件的要求逐步提高。1880年，爱迪生发现将加入到灯泡里的电极连接到钨丝的电源后，被加热的钨丝会向电极产生放电现象。1904年，英国科学家J.A.Fleming基于这一现象发明了用于无线电通信中检波器的真空二极管，将其取名为Bulb，或称Valve。1906年，美国科学家德福雷斯特发明了真空三极管。1946年，**台电子计算机ENIAC诞生，其共使用了18800个真空管，占地1500ft2（lft2=0.0929m2），重达30t。ENIAC标志着人类社会从此进入计算机时代。1948年，美国贝尔实验室威廉？肖克利、约翰？巴丁和沃尔特？布拉顿等发明了晶体三极管，开创了固体电子时代，真正地带来了“固态革命”，推动了全球范围内半导体事业的发展，标志着集成电路时代的到来。1958年，杰克？基尔比（Jack Kilby）在面积不超过4mm2的晶片上集成了20余个元件，并申请了专利，将这种由半导体元件构成的微型固体组合件称为“集成电路”。随后，罗伯特？诺伊斯（Robert Noyce）提出了一种“半导体器件与铅结构”模型，为集成电路的大规模生产提供了关键技术。1960年，仙童半导体公司采用罗伯特？诺伊斯的方案制造出**块可以实际使用的集成电路，杰克？基尔比和罗伯特？诺伊斯被人们公认为集成电路的共同发明者。1967年，大规模集成电路（LSI）出现，集成度迅速提高;1977年，超大规模集成电路面世，一个硅晶片中已经可以集成15万个以上的晶体管；1988年，16M动态随机存储器（DRAM）问世，lcm2大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成（VLSI）电路阶段；1997年，300MHz奔腾E问世，采用0.25pm工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹，至此，超大规模集成电路的发展又到了一个新的高度。2009年，Intel酷睿i系列全新推出，创纪录地采用了领先的32mn工艺，并且下一代22mn工艺正在研发。现如今，集成电路的发展已经经历了小规模集成（SSI），中规模集成（MSI）、大规模集成（LSI）以及超大规模集成等阶段。随着集成度的不断提高，器件尺寸也在持续减小，先进的半导体制造技术已经可以实现7mn甚至更小的制程。除此之外，在人工智能方面也有新的发展，2011年，IBM公司通过模拟大脑结构，*次研制出两个具有感知认知能力的硅芯片原型，可以像大脑一样具有学习和处理信息的能力。2014年8月，IBM公司推出名为“真北”的第二代类脑芯片，它采用28nm硅工艺制作，包括54亿个晶体管和4096个处理核，相当于100万个可编程神经元，以及2.56亿个可编程突触。
　　电子科学与技术对于国家经济发展、科技进步和国防建设具有重要的战略意义。今天，面对电子科学与技术的迅猛发展，世界上许多发达国家，像美国、德国、曰本、英国、法国等，都竞相将微电子技术和光电子技术引入国家发展计划。我国根据国外电子器件的进程，于1956年提出了“向科学进军”计划，将半导体技术列为重点发展的领域之一。至20世纪90年代，由于微型计算机、通信、家电等信息产业的发展和普及，对集成电路芯片的需求量越来越大，此外几场局部战争让全世界接受了电子战、信息战的高科技战争的理念。我国也越发重视集成电路的发展，先后在多项***战略性科技计划，如863计划、973计划、国家攻关计划中，微电子技术（集成电路技术）和光电子技术（激光技术丨均有立项；1995年，原电子工业部提出了“九五”集成电路发展战略，并实施了“909工程”；国家自然科学基金委员会在1996年底立项开展“光子学与光子技术发展战略研究”；在“九五”和“十五”期间，国家自然科学基金委员会在重大项目、重点项目和国家杰出青年科学基金中对电子科学与技术方面的立项给予了足够的重视和支持；近年，更是大力支持电子科学与集成电路，国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》来大力支持该领域的发展。国家的大力支持推动了我国在电子科学领域的快速发展。
　　1.2电子科学与技术的研究方向
　　电子科学与技术专业涵盖的学科范围极其广泛，它以电子和光电子器件为核心，由物理、材料、工艺、器件、系统构成一个完整的学科体系。器件的物理、材料和制作工艺构成了电子和光电子器件的技术支撑，形成了多个紧密关联的学科群，器件的封装工艺和测试技术的不断发展，确保了电子和光电子器件在器件应用、器件集成和系统集成等方面的应用不断提升，形成了以系统带动器件、以器件带动材料的良性循环发展。其主要分为以下几个研究方向。
　　微电子和光电子技术方向。微电子技术主要指的是以集成电路技术为核心的学科，它涉及微小型电子元器件和电路的设计、制造及封装。这些技术和工艺共同实现了电子系统的高级功能。1947年，美国贝尔实验室发明了晶体管，开创了固体电子技术时代。在随后的10年中，晶体管技术不断进步，德州仪器公司和贝尔实验室在1954年分别推出晶体管收音机和全晶体管计算机，并且1958年，美国**颗轨道卫星“探险者1号”也*次使用了晶体管技术。随着近几年通信产业的迅速发展，微电子技术成为热门方向，芯片技术也成为各国争相抢占的热门技术。现如今，5G、6G通信技术领域是各国研究的热点，芯片战争已经打响。因此，未来几年微电子方向的人才需求会进一步扩大。
　　在微电子技术蓬勃发展的同时，人们发现可以利用光电各自的优势来为我们服务，即通过光子激发电子或者电子跃迁产生光子，实现光能与电能的转换，比如激光器、光电探测器、太阳能电池等。这就是早期的光电子学。随着光电子学的发展，人们开始研究完全利用光来处理信息，于是诞生了光子学。所以可以说，先有了光电子学，又有了光子学。而*终的发展会是光电的再次统一，即更高一个层次上的光电子学。目前光电子技术涉及以下内容:激光技术、波导技术、光子检测技术、光计算和信息处理技术、光存储技术、光子显示技术、光子加工与光子生物技术等。国际公认：21世纪是光电子与微电子紧密结合发挥作用的时代，以光通信为龙头的信息光电子产业将成为21世纪的明星产业和支柱产业。信息产业已成为我国**支柱产业，光电子产品在信息产业中占有很大比重，未来光电子产业还将继续蓬勃发展。
　　半导体材料和电子器件方向。**代半导体是元素半导体，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。第二代半导体材料是化合物半导体，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。第三代半导体材料是宽禁带半导体（禁带宽度大于或等于2.3eV），以SiC、GaN、金刚石等为代表，与**代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以适应高温、高压、高功率、高频以及抗辐射等特殊环境，*大限度地提高了电子元器件的内在性能。随着第三代半导体材料的发展，宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，宽禁带半导体材料作为一种新型的半导体材料非常具有研究前景，其重要性将逐渐显现，在高端领域已经逐步取代**代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。
　　电磁场与电磁波方向。电磁场与微波专业方向是由20世纪70年代的无线电通信与电子系统学科演变而来的，该方向以电磁场理论、光导波理论、光器件物理及微波电路理论为基础，并与通信系统，微电子系统、计算机系统等相结合。随着当代物理、数学、技术科学的不断进步，电磁场和微波技术得到日新月异的发展，在通信、雷达、激光和光纤、遥感、卫星、微电子、高能技术、生物和医疗等高新技术领域中起着重要作用。
　　物理电子技术方向。物理电子技术专业起源于20世纪50年代清华大学、华中科技大学、西安电子科技大学等院校设立的电真空技术专业。1985年本科专业调整，物理电子技术整合了电子物理技术、真空电子技术、气体电子学与激光等11个专业。物理电子技术是一个宽口径的专业方向，与近代物理学、电子学、光学、光电子学、量子电子学及相关技术交叉与融合，形成了真空电子学与技术、微波电子学与技术、光电子学与技术、纳米电子学与技术、超导电子学与技术等专业，并形成了若干新的科学技术增长点，如光波与光子技术、信息显示技术与器件、高速光纤通信与光纤网等。
　　1.3电子科学与技术遭遇的瓶颈及解决方案
　　微电子学技术及超大规模集成电路的发展使得人类在计算机、电子通信、航空航天等领域取得了重大突破，逐渐成为当代各行各业智能工作的基石。但是随着集成度的提高，微电子学技术的进一步发展却受到了极大的限制。①光刻技术：光刻是集成电路加工设备的核心，其直接决定了单个晶体管器件的物理尺寸。②材料质量：集成度越高，芯片中晶体管的尺寸越小，对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求就越高。③制造工艺：随着光刻精度的提高，基板和光刻掩模版的表面平整度也需相应提高（对于数十纳米的*小线宽制程，表面平整度几乎是原子尺度）。④能耗和散热：随着集成电路芯片中晶体管数量的增多，芯片工作时产生的热量也大幅度增加。光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。光电子器件性能的提升依赖于模拟设计、材料生长、器件制备、封装测试四个过程。能否突破这些限制，是微电子与光电子技术发展所面临的极大挑战。
　　从2013年起，中国进口集成电路的价值就超过2000亿美元，2018年创下历史新高（进口价值为3120.8亿美元），而2017年原油进口2402.6亿美元远低于进口芯片价值，由此产生的贸易逆差也创下历史新高，主要原因是高端芯片领域国产集成电路的占有率很低，国内自主芯片产品结构处于中低端，如表1.1所示。因此要想突破发达国家对中国的技术封锁就必须使我国集成电路国产化。
　　另外，在人工智能方面，现如今，人们依旧采用的是冯？诺依曼体系结构，其特点在于程序存储于存储器中，与运算控制单元相分离。但冯？诺依曼瓶颈正阻碍计算机的进一步发展。为了满足速度和容量的需求，现代计算系统通常采取高速缓存（SRAM），主存（DRAM）、外部存储（NAND flash）的三级存储结构，如图1.1所示。越靠近运算单元的存储器其速度越快，但受功耗、散热、芯片面积的制约，其相应的容量也越小。静态