The Physics of Instabilities in Solid State Electron Devices

سه دهه گذشته دوره‌ای بوده است که در آن ناپایداری‌های مفید جریان و ولتاژ در جامدات از مشکلات تحقیقاتی هیجان‌انگیز به طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های تجاری در دسترس تبدیل شده‌اند. تحقیقات مواد و الکترونیک به ابزارهایی مانند دیود تونل (Esaki)، دیود الکترون منتقل شده (Gunn)، دیودهای بهمنی، دستگاه های انتقال فضای واقعی و مواردی از این دست منجر شده است. این ساختارها در تولید، تقویت، سوئیچینگ و پردازش سیگنال های مایکروویو تا فرکانس های بیش از 100 گیگاهرتز بسیار مهم هستند. در این رساله ما بر درک نظری دقیقی از دستگاه‌هایی تمرکز می‌کنیم که می‌توانند در برابر نوسانات مدار، رویدادهای سوئیچینگ دامنه بزرگ، و در برخی موارد، بازآرایی داخلی میدان الکتریکی یا توزیع چگالی جریان ناپایدار شوند. هدف این کتاب فیزیکدان، مهندس و دانشجوی کارشناسی ارشد دستگاه نیمه هادی است. دانش فیزیک حالت جامد در سطح ابتدایی یا مقدماتی فرض می شود. علاوه بر این، ما این کتاب را برای مهندسان دستگاه و فیزیکدانانی که مایل به دستیابی به درک عمیق‌تر از آنچه با رویکرد مدار معادل سیگنال کوچک مرتبط هستند، آماده کرده‌ایم. ما بر روی درمان تحلیلی و عددی مشکلات دستگاه خاص تمرکز می‌کنیم و به مکانیزمی مربوط می‌شویم که رابطه سازنده حاکم بر دستگاه، شرایط مرزی (اثرات تماس) و تأثیر محیط مدار محلی را تعیین می‌کند.

The past three decades have been a period where useful current and voltage instabilities in solids have progressed from exciting research problems to a wide variety of commercially available devices. Materials and electronics research has led to devices such as the tunnel (Esaki) diode, transferred electron (Gunn) diode, avalanche diodes, real-space transfer devices, and the like. These structures have proven to be very important in the generation, amplification, switching, and processing of microwave signals up to frequencies exceeding 100 GHz. In this treatise we focus on a detailed theoretical understanding of devices of the kind that can be made unstable against circuit oscillations, large amplitude switching events, and in some cases, internal rearrangement of the electric field or current density distribution. The book is aimed at the semiconductor device physicist, engineer, and graduate student. A knowledge of solid state physics on an elementary or introductory level is assumed. Furthermore, we have geared the book to device engineers and physicists desirous of obtaining an understanding substantially deeper than that associated with a small signal equivalent circuit approach. We focus on both analytical and numerical treatment of specific device problems, concerning ourselves with the mechanism that determines the constitutive relation governing the device, the boundary conditions (contact effects), and the effect of the local circuit environment.