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单电子器件被认为是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路理想的基本器件，因为这种晶体管工作仅需要很少的电子，所以具有极低的功耗和极高的开关速度。由于单电子晶体管有良好的应用前景，其理论及应用研究已经引起国内外专家及政府部门的广泛关注。单电子器件的研究一条重要的途径就是对单电子隧道结及由其构成的单电子器件的特性进行分析，更进一步的，研究适合于单电子晶体管实现的神经网络结构、神经元电路结构、神经元互联实现方式，为实现纳米电子器件大规模系统集成、构建具有部分生物神经网络智能的未来纳米电子系统提供理论依据和技术准备。
本文在传统的单电子器件仿真方法-主方程法和蒙特卡罗法之外，在单电子器件相互独立，库仑岛之间的相互作用可以忽略不计的情况下，分别利用SPICE和Matlab来完成了对单电子隧穿结、单电子器件、单电子容错神经网络分别进行了建模和仿真。本文的主要工作如下：
首先，设计仿真了单电子隧穿结的SPICE模型，并建立了抑制型突触。然后利用抑制型突触，考察了细胞神经网络在对比不变模式识别和同步检测两方面的应用。证明了利用SPICE对单电子器件进行仿真的可行性。其次，通过系统分析单电子隧穿结的隧穿特性，利用Matlab对其电压特性进行了仿真验证。对电压偏置型单电子隧穿结，给出了其隧穿特性曲线和单电子振荡器的电压特性曲线；对电流偏置型单电子隧穿结，给出其单电子隧穿库仑振荡曲线。最后，以脉冲神经元为基础，构造了单电子容错神经网络，并在不同的冗余程度下进行了仿真。仿真结果证明了容错神经元电路的错误吸收能力，保证了这样的神经元电路能够在一定程度上克服随机的器件失效。