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随着集成电路的发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET) 的特征尺寸一直在减小，然而由于其亚阈值摆幅在 室温下无法低于60mV/decade，导致其静态功耗随尺寸减小迅速增长，不能满足现代集 成电路的低功耗要求。隧穿场效应晶体管(Tunneling Field-Effect Transistor，TFET) 由于 其亚阈值摆幅可以突破60mV/decade 的限制，具备广阔的低功耗应用前景，因此得到了 广泛的关注。然而，有关TFET 的研究仍存在一些问题。首先，受限于隧穿机制，TFET 的开态电流(Ion) 较低，这限制了TFET 的应用范围。III-V 族异质结结构虽然可以提高 Ion，但同时却会恶化关态电流(Ioff )。其次，器件模型在电路仿真中发挥着重要作用， 但对于III-V 族异质结TFET (Heterojunction TFET，H-TFET)， 现有模型无法满足电路 仿真对计算速度和准确性的要求。除此之外，涨落特性作为衡量器件可靠性的关键因 素，是一种统计分布规律，然而对于小尺寸III-V 族TFET，基于量子仿真大量样本的 涨落特性还有待研究。针对III-V 族TFET 的研究现状，本文所做工作的创新点如下。 1) 为了降低Ioff，减小亚阈值摆幅，优化III-V 族H-TFET 性能，提出了两种基 于GaAsSb/InGaAs 的新结构H-TFET 。首先在提出的栅漏欠交叠圆柱围栅结构中，研 究了器件参数以及共振隧穿对H-TFET 性能的影响。仿真结果表明：低漏掺杂以及长 栅漏欠交叠能够减小Ioff；高源掺杂以及低有效隧穿势垒高度能够提高Ion；基于共振 的H-TFET 相比普通H-TFET 具有更陡峭的开启特性。然后，在提出的异质栅(Dual-Material-Gate， DMG) 结构中，对比研究了DMG-H-TFET 和H-TFET 的特性。结果表 明，相比于H-TFET， DMG-H-TFET 的Ioff 显著降低，并且能够同时获得较高的饱和 电流与较低的饱和电压，解决了H-TFET 大电流与低饱和电压不能兼得的问题。 2) 为了提高III-V 族H-TFET 模型的计算速度，并保证模型的准确性，提出了考虑 反型电荷与源耗尽区影响的解析H-TFET 电流模型。首先结合异质结边界条件，求解 二维偏微分泊松方程获得连续的电势分布，然后基于切线近似利用Kane 方程得到解析 的电流模型。结果表明，与仿真结果和实验数据比较，模型可以准确地反映出偏置、结 构参数和半导体材料对电势、电场以及转移特性的影响，同时模型也能捕捉到TFET 输 出特性中出现的非线性开启以及饱和等特征。 3) 为了进一步提高III-V 族H-TFET 模型精度，模型中加入了漏端影响。首先利用 高斯求积方法，提出了考虑漏端双极效应的解析电流模型，并且加入了反型电荷、积累 电荷、源漏耗尽区的影响，以DMG-H-TFET 为例验证模型准确性。结果表明，与仿真 结果比较，模型可以准确地反映出电势、电场以及电流对偏置和漏掺杂的依赖性。然 后，提出了考虑漏端热注入效应的解析电势模型。与仿真和实验结果对比表明，相比于 普遍使用的基于麦克斯韦 玻尔兹曼分布的电势模型，该模型能够获得更准确的电势结 果，从而能够保证电流模型准确地预测输出特性的变化。 4) 为了预测涨落源对小尺寸III-V 族TFET 的影响，并保证仿真结果的可靠性，通 过大量样本的量子仿真，研究了金属栅功函数变化(Work-Function Variation，WFV) 和 表面粗糙度(Surface Roughness，SR) 对纳米线TFET 特性的影响。有关WFV 的研究 结果表明：WFV 对Ioff 的影响强于对Ion 的影响，也强于对MOSFET 中Ioff 的影响； TFET 中电流与阈值电压的相关性弱于MOSFET 中的情况；与MOSFET 相比，非晶化 能够更有效的抑制TFET 中WFV 所致的特性涨落。另一方面，有关SR 的研究结果表 明：增大SR 自相关函数中的均方根幅度，会导致TFET 可靠性变差；与InAs 同质结 相比，InAs/Si 异质结可以抑制SR 诱致的特性涨落；与WFV 和随机离散掺杂相比，SR 对TFET 可靠性造成的影响最弱。

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解析模型 双极效应 隧穿场效应晶体管 异质结 涨落

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为了研究空间用聚酰亚胺材料在不同温度下的载流子迁移率,提出了基于热刺激电流(TSC)测量载流子迁移率的模型.对试样施加一段时间的电压,会有电荷注入到材料中.当试样温度降低到液氮温度时,注入电荷被保持在材料的陷阱中.假设入陷的电荷服从玻尔兹曼分布,陷阱中电荷会随着材料温度的上升而出陷,然后在自建电场的作用下向电极传输.在这个物理模型的基础上,推导出了载流子迁移率的解析公式.通过计算,得到了聚酰亚胺在不同温度下的载流子迁移率.同时,采用空间电荷限制电流方法测量了聚酰亚胺材料的迁移率.通过比较2种方法得到的迁移率表明,提出的迁移率计算模型可以比较精确地得到在强场下较大温度范围内的载流子迁移率.该方法为空间介质电荷输运规律和机理的研究提供了基础.

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空间电荷限制电流 空间介质 热刺激电流 载流子迁移率

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用漂移和扩散的概念对热驱动下光阱中的细胞进行动力学分析,得到细胞随空间位置的概率密度分布为玻尔兹曼分布,该分布可用于一般形状的、光学性质各向异性的生物细胞光阱力的标定.

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玻尔兹曼分布 光阱力 扩散 漂移 细胞

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光镊是利用激光光束经高放大倍数、大数值孔径物镜强聚焦，产生梯度光阱，束缚、操控微小粒子的一项技术。光镊技术以其众多优点，已经广泛应用于生物医学、物理学等多个研究领域中。在生物学中，光镊技术可以用来研究大分子静态与动力学特性，可以对生物大分子进行精细操作，分子水平上的特异性识别和生命过程的调控，以及生物器件的组装等；在胶体物理学中，光镊技术可以用来研究微粒间的相互作用和胶体老化；在纳米技术研究中，光镊可以用来驱动微机械装置，以及测量微系统的力学参数等。其中利用光镊技术研究微粒及微粒间力学特性是其最为常见的一种应用，因此研究光镊的力学特性尤为重要。 本文主要基于光阱力计算的射线光学模型，研究柱状及片状粒子在光阱中受力特性；并利用蒙特卡洛方法，比较研究了三种热驱动标定方法在光阱刚度测量中抗干扰能力及稳定性；研究了各个光镊系统参数对光阱性能的影响，并提出了一种利用光阱刚度测量微米粒子折射率的新方法。 文章对光阱力的两种射线模型和电偶极子近似模型进行了详细的推导，并比较了上述两种射线模型的异同，两者计算结果基本一致。并基于射线模型理论，计算了片状及柱状粒子在光阱中的轴向受力情况，结果表明光阱对片状粒子在轴向无捕获，而对横向有限制的柱状粒子有捕获作用。此结论为光镊捕获柱状粒子提供了一定的理论依据。 分析了各种光阱刚度标定方法异同及优缺点，通过蒙特卡洛方法模拟生成5秒内光阱中布朗粒子位移与时间信号，并通过此信号外加偏移误差和系统随机误差，分析三种热驱动光阱标定方法对噪声的抗干扰能力。结果表明利用相对位移序列进行光阱刚度标定可以消除光阱偏移引入的误差；三种热驱动标定方法中，均方位移法比功率谱法和玻尔兹曼分布法具有更好的抗随机噪声干扰能力。此结论可以对实验中选择合理的光阱刚度标定方法提供指导依据。 基于射线光学计算模型，研究了激光参数、粒子参数及系统参数对光阱性能的影响。各参数对光阱刚度有不同的影响，这些结论对光镊系统的选材及搭建具有指导作用。同时分析了横向光阱刚度与轴向光阱刚度之间的关系，通过比较计算结果，提出一种利用光镊测量微米粒子折射率的新方法。此方法在大气环境科学、高分子化学、矿产鉴定、生物医学等众多学科有着广泛的应用前景。

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光镊光阱力光阱刚度刚度标定折射率

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玻尔兹曼统计法和均方位移法是两种可用于对非球型生物细胞在简谐光势阱中光阱力的标定方法.用数字实验对这两种标定方法进行了比较,结果表明:与均方位移法相比,玻尔兹曼统计法不仅适用于各向异性非球性细胞,也适用于非简谐、非对称光势阱中任意形状的生物细胞光阱力的标定,结论与已有直接实验相符.

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玻尔兹曼分布 光阱刚度 光镊 生物细胞

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能够对活体细胞进行非侵入微观操纵并进行微小力的测量是光镊（OT）技术最突出的特点。单细胞的特征参数有可能通过与细胞在光镊中的光阱力建立联系而得到测量。因而探讨光镊与细胞直接作用力的标定方法，是利用光镊技术开展对单细胞进行多参数、高分辨分析研究的一个基本问题。 把几何形状不规则的生物细胞当作一般的布朗粒子对待, 用福克普兰克方程（FPE）和朗之万方法（LM）对动力学方程求解, 得出光阱中的细胞服从玻尔兹曼分布, 阐述应用热驱动分析法标定时，标定系统的空间分辨率为纳米量级，时间分辨率为毫秒量级。用仿真实验对玻尔兹曼统计法（BDM）和方均位移法（MSDM）进行了比较, 得出BDM是生物细胞光阱力标定的通用方法。 提出并论述了利用直流电动现象（DCEP），通过电压调控液体相对细胞运动,进行细胞光阱力测量的实验方法。用研制的电动样品室系统替代高精密位移驱动平台，实现了液体相对细胞以每秒微米量级的运动速度，进行了酵母细胞光阱力（OTF）的测量，并给出力的测量精度为亚皮牛顿量级。测量系统相对简单、经济。 为了避免因剪切流场存在造成对粘滞力进行修正这一过程, 从理论上论述通过选择适当的交流频率，保持粒子的电泳，抑制液体电渗的可能性，并设计了实验进行验证, 实验结果与理论推论相符。在此基础上提出用交流电动现象（ACEP）进行简谐势条件下细胞光阱力的标定方法和同时测量表面电量和流体阻力系数的多参数方法。由于使用交流电源，可避免PZT 振动平台的使用，又由于只需测量振动幅度，不测量位相差, 可避免四象限探测器（QD）使用，因而标定系统的硬件大为简化。 阐述了新型旋转毛细管粘度计测量流体流变特性的原理和方法。由可测量参数定义特征粘度和特征切变率。建立了特征切变率、壁面切应力与流体本构方程的关系，用线性回归方法得到本构方程特征参数，并用水和人体血液样品作了检验。方法可用于光镊实验中的液体粘度测量。 用几何光线（RO）理论对可作为米氏粒子模型的理想细胞在光镊中的轴向光阱刚度与细胞折射率关系进行了数值计算，结果表明光阱刚度随折射率的变化关系与三次多项式曲线拟合得较好，预示用确定的光镊系统通过测量光阱刚度计算细胞的折射率时，需要用折射率已知的四种标准粒子对三次多项式曲线进行标定。

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电动现象 光阱力 光镊 流变特性 细胞电泳 细胞折射率

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通过把视频序列中图像的像素看作运动的气体分子,本文提出了一个图像温度场的概念,并利用描述气体分子做无规则运动的麦克斯韦-玻尔兹曼分布律,来描述图像序列中像素的运动规律.与传统光流信息相比,由图像温度场估算出的能流信息更加精确地描述了图像间的运动场,把该能流信息进一步应用到视频镜头的自动分割中,仿真实验结果表明,基于能流分析的视频分割方法更加准确地检测出了镜头的切变和渐变.

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光流场 镜头检测 能流场 图像温度场 运动估计

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通过对光阱中的布朗粒子进行动力学方程求解,由解的结果分析得到观测系统的性能要求.结果表明:光阱中布朗颗粒服从Boltzmann分布;对其运动的观测需要纳米量级的空间分辨率和毫秒量级的时间分辨率.

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玻尔兹曼分布 布朗粒子 光镊 简谐势

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近年来随着多媒体和通信技术的飞速发展，视频、图象、计算机视觉、多媒体数据库和计算机网络技术日益融合，遍及国民经济和社会生活的各个方面。处于其核心地位的视频编码和视频通信，已成为信息与通信工程科学的前沿领域和热门课题。当前几乎所有的国际视频编码标准（MPEG-X和H.26X）都采用了混合编码技术，其变字长编码（VLC）产生的信号码流速率是不均匀的，这就与通信信道传输所要求的均匀码流产生矛盾。另外，由于通信网络的不完善，导致信道中的视频信号出现差错和损失，严重影响了视频通信的服务质量。如何设计一个高效、鲁棒的码率控制算法是视频编码和视频通信中的核心问题之一。一个好的码率控制算法不但可以优化视频编码的质量，而且能够提高视频通信系统的整体性能。本文从视频编码和传输过程中视频信号的本质属性入手，深入地研究了视频编码和视频通信中与码率控制有关的一些核心问题，并取得了一系列研究成果。这些研究工作和成果主要有以下几个方面：(1) 在码率控制算法的设计研究中，信源信息率失真函数是设计码率控制算法的理论基础，它直接决定了码率控制算法的性能。通过热传导过程与视频编码过程的对比，提出了一个新颖的信息率传输方程，它描述了视频编码过程中码率变化的动态特征。信息率传输方程是一个偏微分方程，通过设计它的定解条件，得到该方程的一个特殊解作为信源信息率失真函数（信源模型）。以该信源模型为理论基础，系统地设计了一个新的码率控制方案。新方案是一个可扩展的码率控制方案，它可以同时提供帧级和宏块级的码率控制功能。与经典MPEG-4 Q2码率控制方案相比，新方案不但提高了码率控制的精度、更好的保持了视频编码器虚拟缓存的状态，而且提高了视频编码后图像的峰值信噪比和视觉效果。(2) 针对低码率、低时延视频通信中传统码率控制算法导致的连续图像之间质量波动问题，提出了保持图象质量一致性的比特分配方案。首先根据前一帧图像的编码信息和虚拟缓存器状态等信息，利用拉格朗日乘子法推导出一个率失真优化的帧目标比特分配模型（LAG-BA）。实验结果表明LAG-BA明显降低了连续图象质量变化的幅度。其次，针对LAG-BA可能产生的误差累积效应，进一步根据最小二乘支持向量机的原理，提出了一个考虑到多个相关图像编码信息的目标比特分配算法(LSSVM-BA)。用LAG-BA 和LSSVM-BA取代MPEG-4 Q2方案中的比特分配算法，设计了两个改进的MPEG-4 Q2 方案。实验结果表明新方案不但取得了更加平稳的图像质量，而且明显提高了测试序列的峰值信噪比。(3) 针对视频序列中因场景切换导致的码率控制失效问题，研究场景切换的检测方法，并给出了相应的处理策略。得益于传统气体动理论中麦克斯韦—玻尔兹曼分布律的启发，通过把视频序列中图象的象素看成做无规律运动的气体分子，提出了图象温度场的概念。在此基础上，推导出一个新的估计图象运动信息的工具—能流分析法。用能流分析法估计了图象之间的运动信息，并把该信息用于场景检测中。对检测到的场景切换帧，给出了变图象组（GOP）的视频编码方案和相应的场景切换帧处理方法。(4) 针对压缩数据流在噪声信道中的传输差错问题，分析了视频压缩数据产生错误的方式和影响，提出了一种联合信源信道码率分配的差错控制策略。首先给出了信源失真和信道失真的估计算法，提出了一种率失真优化的联合码率分配方案。其次，通过仔细设计信源信道联合优化判决函数的计算过程，使复杂度巨大的优化计算得以简单实现，大大提高了新方案的实际应用范围。本文方案是一个信源和信道自适应的码率分配方案，与传统固定门限的信源信道码率分配算法相比，新方案明显提高了视频通信的服务质量。

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比特分配 差错控制 场景切换 码率控制 视频通信

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