研究库仑阻塞效应的典型结构是单电子晶体管的基本结构。

在源极和漏极之间有一个尺寸极小的可以存储电子的岛屿，这个岛屿与源极和漏极通过隧穿势垒相连，源极的电子可以隧穿进入岛屿，岛屿的电子可以隧穿进入漏极。但是，由于岛屿的尺寸小（它的电容量级以下），电子从源极隧穿进入岛屿需要获得至少的充电能量。当温度足够低（），热涨落能量（）不足以提供这一充电能量，电子从源极向岛屿的隧穿被禁止，这就是库仑阻塞现象。

由于库仑作用能起到了关键作用，因此这样的岛屿也被称作库仑岛，其所需的充电能量也被称为库仑阻塞能。除了升高温度使得源极电子获得足够的能量克服库仑阻塞能，还可以通过其他方式解除库仑阻塞。例如，通过在源极施加负电压提高源极电子能量以克服库仑阻塞能；通过与库仑岛电容耦合的栅极施加正电压降低库仑岛的静电能量；通过源极电子吸收合适能量的光子，源极电子得以隧穿进入库仑岛；通过光子辅助使电子隧穿离开库仑岛并降低库仑岛的势能等。当库仑阻塞被解除时，源极的电子就可以隧穿到库仑岛并进一步通过隧穿离开库仑岛到达漏极。源极的电子可以依次通过顺序隧穿到达漏极，形成单电子隧穿。因此，通过栅极电压能够调控库仑岛在库仑阻塞状态和单电子隧穿状态之间的转换，即控制单电子晶体管的开关状态。当库仑岛足够小时，电子的德布罗意波长与库仑岛尺寸相当，电子在源极和漏极端的隧穿保持相干性。此外，当源极与漏极端的隧穿势垒较低时，电子在库仑岛上的停留时间较短，库仑岛上电子能级的宽度较大，即使在源漏电压较小或为零时，两个源极电子也有一定的概率同时隧穿进入库仑岛，即出现共隧穿现象。

库仑阻塞效应的一个重要应用是单电子器件，包括单电子存储器、单电子晶体管和量子比特等。

在单电子存储器中，库仑岛可作为场效应晶体管的浮栅，在适当的栅极电压下使电子从场效应沟道内隧穿进入库仑岛（写入），也可以将电子从库仑岛中移出（擦除）到场效应沟道内。这种写入和擦除都是通过电子在库仑岛与场效应沟道之间隧穿实现的。在库仑岛中存储或移除极少个数的电子或是单个电子数量，即可导致场效应沟道电阻产生巨大的变化。因此，测试场效应沟道电阻即可获得库仑岛内的电子存储信息。

在单电子晶体管中，库仑阻塞效应是控制单电子隧穿的基础。通过栅极电压可使源漏电流在单电子隧穿和库仑阻塞两个状态间进行切换。因此，单电子晶体管可作为逻辑开关器件，仅需极小的电流或功耗即可实现0和1的切换。单电子晶体管也可作为超灵敏的电压放大器或电荷探测器。单电子晶体管作为超高灵敏度的电荷计，正是基于单电子隧穿对栅极电压敏感的特性。在库仑阻塞状态向单电子隧穿状态转变的临界状态下，栅极上诱导产生微小电荷变化，即可使单电子晶体管的隧穿电路产生数量级的变化。基于这样的超灵敏电荷计，当单电子晶体管被设置为可机械形变的机构时，在恒定栅极电压的作用下，栅极与库仑岛之间的距离变化能够诱导产生微小的电荷变化和相应的巨大的隧穿电流变化。单电子晶体管可用于检测接近量子极限的微小位移。

在量子比特中，除了库仑阻塞效应保证库仑岛上电子数量的精准控制外，库仑岛的尺寸应尽可能小，使得电子在库仑岛上保持其相干性，即单个库仑岛可类比为原子，隧穿耦合的库仑岛可类比为分子。单个库仑岛中电子的自旋自由度可作为量子比特状态，耦合双库仑岛中的电子电荷态也可作为量子比特的状态。

库仑阻塞效应在单电子器件和量子电子器件中的成功应用，在很大程度上依赖于操控单电子的状态和输运特性的准确度。单电子器件的集成对单元器件的一致性和可控特性提出了苛刻的要求。二进制逻辑电路对开关单元的阈值电压的离散性具有较高的容忍能力，但采用成熟的硅基集成电路工艺实现基于单电子器件的逻辑运算电路仍具有极大的挑战。其根本原因是材料制备与器件制备工艺技术水平仍难以获得单电子开关器件阈值电压的足够高的一致性，主要体现在隧穿势垒和库仑岛的尺寸与形状的控制精度和重复精度不足。同样，由于制备工艺技术的可控精度的不足，与单电子效应相关的半导体量子比特及其集成也存在较大的技术难度。虽然自组装半导体量子点的尺寸及其单一性具有良好的可控性，但是量子点库仑岛与源极或漏极耦合的隧穿势垒的精确可控制备仍是一个巨大挑战。

利用分子束外延、化学气相沉积和等离子体刻蚀等方法进行源极、势垒、库仑岛和漏极等结构的原位生长、刻蚀与钝化，可能是未来突破单电子器件制备可控性难题的方向。然而，已有的研究结果表明前景并不乐观。因此，单电子器件的发展与应用仍需一种具有原子精度的材料与器件制备技术的突破。