Advanced Physics of Electron Transport in Semiconductors and Nanostructures

این کتاب درسی برای دانشجویان سال دوم فارغ التحصیل در رشته های فیزیک، مهندسی برق یا علوم مواد طراحی شده است. این مقدمه ای دقیق برای حمل و نقل الکترونیکی در جامدات، به ویژه در مقیاس نانومتری ارائه می دهد. درک حمل و نقل الکترونیکی در جامدات نیازمند دانش پایه ای از مکانیک کلاسیک هامیلتونی، مکانیک کوانتومی، نظریه ماده متراکم، و مکانیک آماری است. از این رو، این کتاب آن دسته از موضوعات فرعی که برای پرداختن به حمل و نقل الکترونیکی مورد نیاز است را در یک دوره واحد و مستقل مورد بحث قرار می دهد. این برای دانشجویانی که قصد کار در دانشگاه یا صنعت نانو/ میکرو الکترونیک را دارند مفید خواهد بود. موضوعات بیشتر تحت پوشش عبارتند از: تئوری نوارهای انرژی در کریستال ها، کوانتیزاسیون دوم و تحریکات اولیه در جامدات، خواص دی الکتریک نیمه هادی ها با تاکید بر غربالگری دی الکتریک و حالت های سطحی جفت شده، پراکندگی الکترون با فونون ها، پلاسمون ها، الکترون ها و فوتون ها، بر استخراج معادلات انتقال در نیمه هادی ها و نانوساختارهای نیمه هادی تا حدودی در سطح کوانتومی، اما عمدتاً در سطح نیمه کلاسیک. این متن نمونه‌های مرتبط با تحقیقات کنونی را ارائه می‌کند، بنابراین نه تنها در مورد Si، بلکه در مورد نیمه‌رساناهای مرکب III-V، نانوسیم‌ها، گرافن و نانوروبان‌های گرافن. به طور خاص، متن تاکید عمده‌ای بر روش‌های موج صفحه اعمال شده در ساختار الکترونیکی جامدات، هم DFT و هم شبه پتانسیل‌های تجربی دارد، و همیشه به اثرات آنها بر حمل‌ونقل الکترونیکی و پردازش عددی آن توجه می‌شود. هسته متن حمل و نقل الکترونیکی است، با بحث های فراوان در مورد معادلات انتقال که هم در تصویر کوانتومی (معادله لیوویل-فون نویمان) و هم به صورت نیمه کلاسیک (معادله حمل و نقل بولتزمن، BTE) به دست آمده است. یک فصل پیشرفته، فصل 18، به شدت به انتقال «مشکل» از معادله لیوویل-فون نویمان برگشت‌پذیر با زمان به توابع گرین برگشت‌ناپذیر با زمان، به فرمالیسم ماتریس چگالی و، به طور کلاسیک، به معادله حمل و نقل بولتزمن مرتبط است. در نهایت، چندین روش برای حل BTE نیز بررسی شده است، از جمله روش ممان، روش‌های تکراری، وارونگی ماتریس مستقیم، اتوماتای ​​سلولی و مونت کارلو. چهار ضمیمه متن را کامل می کنند.

This textbook is aimed at second-year graduate students in Physics, Electrical Engineer­ing, or Materials Science. It presents a rigorous introduction to electronic transport in solids, especially at the nanometer scale.Understanding electronic transport in solids requires some basic knowledge of Ham­iltonian Classical Mechanics, Quantum Mechanics, Condensed Matter Theory, and Statistical Mechanics. Hence, this book discusses those sub-topics which are required to deal with electronic transport in a single, self-contained course. This will be useful for students who intend to work in academia or the nano/ micro-electronics industry.Further topics covered include: the theory of energy bands in crystals, of second quan­tization and elementary excitations in solids, of the dielectric properties of semicon­ductors with an emphasis on dielectric screening and coupled interfacial modes, of electron scattering with phonons, plasmons, electrons and photons, of the derivation of transport equations in semiconductors and semiconductor nanostructures somewhat at the quantum level, but mainly at the semi-classical level. The text presents examples relevant to current research, thus not only about Si, but also about III-V compound semiconductors, nanowires, graphene and graphene nanoribbons. In particular, the text gives major emphasis to plane-wave methods applied to the electronic structure of solids, both DFT and empirical pseudopotentials, always paying attention to their effects on electronic transport and its numerical treatment. The core of the text is electronic transport, with ample discussions of the transport equations derived both in the quantum picture (the Liouville-von Neumann equation) and semi-classically (the Boltzmann transport equation, BTE). An advanced chapter, Chapter 18, is strictly related to the ‘tricky’ transition from the time-reversible Liouville-von Neumann equation to the time-irreversible Green’s functions, to the density-matrix formalism and, classically, to the Boltzmann transport equation. Finally, several methods for solving the BTE are also reviewed, including the method of moments, iterative methods, direct matrix inversion, Cellular Automata and Monte Carlo. Four appendices complete the text.