1951～1969年，研究者在含有微小晶粒的薄膜中进行电子输运实验，首次发现了固体中的单电子隧穿现象：这些微小晶粒成为独立镶嵌在导电薄膜中的库仑岛，电子通过隧穿效应从薄膜进入库仑岛，或离开库仑岛进入薄膜。1975年，研究者给出了详细的输运理论解释。随着薄膜材料技术和纳米光刻技术的发展，1987年，研究者首次在铝的双势垒隧穿结构中，观测到清晰的受库仑阻塞效应控制的单电子隧穿和电流振荡，并且发现单电子隧穿电流对栅极电压的灵敏特性，这种特性可作为超灵敏的电荷计。20世纪80年代，扫描隧道显微镜技术的发展使得对单个纳米颗粒进行隧道电流谱研究成为可能，甚至在室温下观测到了单电子隧穿现象。

20世纪80年代兴起的分子束外延技术，使半导体能带工程得到了快速发展，出现了半导体异质结、量子阱、双势垒共振隧穿结构、超晶格等多样的人工量子结构。其中，在砷化铝镓/砷化镓（AlGaAs/GaAs）异质结或量子阱中形成了高迁移率的二维电子气，在双势垒的量子阱中实现了共振隧穿。进一步，利用刻蚀或肖特基栅极限制电子在量子阱平面内的自由度，在高电子迁移率二维电子气中制备出了一维量子线和零维量子点。量子点是具有分立量子能级的库仑岛。由于肖特基栅极可连续地调控隧穿势垒的宽度和高度，因此基于肖特基栅控二维电子气的单电子器件成为单电子效应、量子输运和量子调控研究的基本器件结构。通过调控量子点与电极中电子的耦合作用，可实现单电子的共隧穿和近藤效应。通过调控量子点之间的耦合作用，可实现基于耦合双量子点的人工分子，电子在人工分子中的相干隧穿，以及双电子自旋耦合形成的自旋单态和自旋三态。

单电子的库仑相互作用和单电子的分立能级特性，在介观和纳米尺度的电学输运中通常表现为库仑阻塞效应和单电子隧穿效应。在介观和纳米尺度下，电子库仑相互作用使电子能量依赖电子数量，由此决定了电子通过势垒的隧穿概率。因此，电子隧穿受库仑阻塞效应的调制，出现单个电子或有限数量的电子以分立的能量状态依次进行隧穿的现象，即单电子隧穿效应。此外，在这个尺度下，由于量子限域效应或量子尺寸效应，电子的波动性特征明显，电子能量呈现为分立的量子能级。库仑阻塞效应和单电子隧穿效应使人类能够操控单个电子及其自旋状态，可应用于单电子存储、单电子晶体管、超灵敏传感器和量子比特等器件和电路。

单电子效应在很多纳米电子器件中都有一定的体现，单电子器件是研究纳米电子器件和量子电子学器件的重要平台。单电子输运规律、单电子电荷态和自旋态的调控等基础问题在此器件平台上得到了深入研究，单电子效应及其相关的器件技术在未来量子信息技术的核心器件与电路中具有广阔的应用前景。

21世纪20年代初，形成了单电子晶体管、单电子存储器、灵敏电荷计、灵敏位移传感器、单光子探测器、半导体单电子量子比特和超导量子比特等原型器件。然而，受限于材料与纳米加工技术水平，人类还难以精确可控地制备单电子器件，更是难以实现将单电子器件集成为复杂的电路。

有一个例外是超导单库珀对器件。在超导单库珀对器件中，库仑岛被称为库珀对盒。由于超导态的相干时间和相干长度满足一定条件，与正常态单电子的库仑岛相比，库珀对盒的尺寸可达到百纳米量级，并保持电荷输运的相干性。因此，超导单库珀对器件的制备工艺可采用电子束曝光技术获得良好的尺寸可控性。但是，由于尺寸较大，库仑相互作用能较低，超导单库珀对器件的工作温度仍需在100毫开尔文左右。尽管如此，超导单库珀对器件可形成可控的量子比特，并可耦合形成一定规模的量子电路。同时，成熟的微波电子学技术有效地支撑了超导量子比特的读写操控技术。采用超导量子比特技术，有望率先实现较大规模的量子计算系统。

随着材料制备技术和器件制备工艺技术的不断发展，单电子器件的制备将变得更加可控，可以实现更多功能稳定、可控的单电子器件和集成电路。其中，基于单电子器件的量子比特可能成为未来量子计算机的核心基础元器件。