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Graduate Texts in Physics
Marius Grundmann
The Physics of SemiconductorsAn Introduction Including Nanophysics and Applications
Third Edition
Graduate Texts in Physics
Series editors
Kurt H. Becker, Brooklyn, USASadri Hassani, Normal, USABill Munro, Kanagawa, JapanRichard Needs, Cambridge, UKWilliam T. Rhodes, Boca Raton, USASusan Scott, Acton, AustraliaH. Eugene Stanley, Boston, USAMartin Stutzmann, Garching, GermanyAndreas Wipf, Jena, Germany
Graduate Texts in Physics
Graduate Texts in Physics publishes core learning/teaching material for graduate-and advanced-level undergraduate courses on topics of current and emerging fieldswithin physics, both pure and applied. These textbooks serve students at the MS- orPhD-level and their instructors as comprehensive sources of principles, definitions,derivations, experiments and applications (as relevant) for their mastery andteaching, respectively. International in scope and relevance, the textbookscorrespond to course syllabi sufficiently to serve as required reading. Their didacticstyle, comprehensiveness and coverage of fundamental material also make themsuitable as introductions or references for scientists entering, or requiring timelyknowledge of, a research field.
More information about this series at http://www.springer.com/series/8431
http://www.springer.com/series/8431
Marius Grundmann
The Physicsof SemiconductorsAn Introduction Including Nanophysicsand Applications
Third Edition
123
Marius GrundmannInstitut für Experimentelle Physik IIUniversität LeipzigLeipzigGermany
ISSN 1868-4513 ISSN 1868-4521 (electronic)Graduate Texts in PhysicsISBN 978-3-319-23879-1 ISBN 978-3-319-23880-7 (eBook)DOI 10.1007/978-3-319-23880-7
Library of Congress Control Number: 2015954622
Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London© Springer International Publishing Switzerland 2006, 2010, 2016This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or partof the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations,recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmissionor information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilarmethodology now known or hereafter developed.The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in thispublication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt fromthe relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in thisbook are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor theauthors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained herein orfor any errors or omissions that may have been made.
Printed on acid-free paper
Springer International Publishing AG Switzerland is part of Springer Science+Business Media(www.springer.com)
To Michelle,Sophia Charlotteand Isabella Rose
Preface
Semiconductor electronics is commonplace in every household. Semiconductordevices have enabled economically reasonable fiber-based optical communication,optical storage, and high-frequency amplification and have recently revolutionizedphotography, display technology, and lighting. By now solar energy harvestingwith photovoltaics contributes a significant portion to the energy mix. Along withthese tremendous technological developments, semiconductors have changed theway we work, communicate, entertain, and think. The technological progress ofsemiconductor materials and devices is evolving continuously with a largeworldwide effort in human and monetary capital. For students, semiconductors offera rich and exciting field with a great tradition, offering diverse fundamental andapplied topics [1] and a bright future.
This book introduces students to semiconductor physics and semiconductordevices. It brings them to the point where they can specialize and enter supervisedlaboratory research. It is based on the two-semester semiconductor physics coursetaught at Universität Leipzig in its Master of Science physics curriculum. Since thebook can be followed with little or no pre-existing knowledge in solid-state physicsand quantum mechanics, it is also suitable for undergraduate students. For theinterested reader several additional topics are included in the book that can be cov-ered in subsequent, more specialized courses. The material is selected to provide abalance between aspects of solid-state and semiconductor physics, the concepts ofvarious semiconductor devices and modern applications in electronics and photonics.
The first semester contains the fundamentals of semiconductor physics (Part I,Chaps. 1–10) and selected topics from Part II (Chaps. 11–20). Besides importantaspects of solid-state physics such as crystal structure, lattice vibrations, and bandstructure, semiconductor specifics such as technologically relevant materials andtheir properties, doping and electronic defects, recombination, surfaces, and hetero-and nanostructures are discussed. Semiconductors with electric polarization andmagnetization are introduced. The emphasis is put on inorganic semiconductors,but a brief introduction to organic semiconductors is given in Chap. 17. Dielectricstructures (Chap. 19) serve as mirrors, cavities, and microcavities and are a vital
vii
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part of many semiconductor devices. Other chapters give introduction tocarbon-based nanostructures and transparent conductive oxides (TCOs). The thirdpart (Part III, Chaps. 21–24) is dedicated to semiconductor applications and devicesthat are taught in the second semester of the course. After a general and detaileddiscussion of various diode types, their applications in electrical circuits, pho-todetectors, solar cells, light-emitting diodes, and lasers are treated. Finally, bipolarand field-effect transistors including thin-film transistors are discussed.
In the present text of the third edition, a few errors and misprints of the secondedition have been corrected. Several topics have been extended and are treated inmore depth, e.g., double donors and double acceptors, negative-U centers,Boltzmann transport equation, ionic conductivity, hopping conductivity, impactionization, thermopower, polarons, intra-band transitions, amorphous semicon-ductors, disorder effects, heteroepitaxy on mismatched, curved and patterned sub-strates, and noise. A chapter on semiconductor surfaces has been added.
The list of references has been augmented by almost 400 quotations with respectto the list in the second edition. All references now include title and complete pagenumbers. The references have been selected to (i) cover important historical andmilestone papers, (ii) direct to reviews and topical books for further reading and(iii) give access to current literature and up-to-date research. In Fig. 1, the originalpapers within the more than 1800 references in this book are shown by year.Roughly three phases of semiconductor physics and technology can be seen. Beforethe realization of the first transistor in 1947, only a few publications are noteworthy.Then an intense phase of understanding the physics of semiconductors anddeveloping semiconductor technology and devices based on bulk semiconductors(mostly Ge, Si, GaAs) followed. At the end of the 1970s, a new era began with theadvent of quantum wells and heterostructures, and later nanostructures (nanotubes,nanowires, and quantum dots) and new materials (e.g., organic semiconductors,nitrides or graphene). Also several very recent references to emerging topics such as2D materials, topological insulators or novel amorphous semiconductors are given.
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Fig. 1 Histogram of references in this book
viii Preface
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I would like to thank many colleagues for their various contributions to thisbook, in alphabetical order (if no affiliation is given, at the time at UniversitätLeipzig): Gabriele Benndorf, Klaus Bente, Rolf Böttcher, Matthias Brandt,Christian Czekalla, Christof Peter Dietrich, Pablo Esquinazi, Heiko Frenzel, VolkerGottschalch, Helena Franke (née Hilmer), Axel Hoffmann (TU Berlin), Alois
Krosty (Otto-von-Guericke Universität Magdeburg), Michael Lorenz, StefanMüller, Thomas Nobis, Rainer Pickenhain, Hans-Joachim Queisser(Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart), Bernd Rauschenbach(Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig), Bernd Rheinländer,Heidemarie Schmidt, Mathias Schmidt, Rüdiger Schmidt-Grund, MatthiasSchubert, Jan Sellmann, Oliver Stier (TU Berlin), Chris Sturm, Florian Tendille(CNRS-CRHEA), Gerald Wagner, Eicke Weber (UC Berkeley), Holger vonWenckstern, Michael Ziese, and Gregor Zimmermann. This book has benefittedfrom their comments, proof reading, experimental data, and graphic material. Also,numerous helpful comments from my students on my lectures and previous editionsof this book are gratefully acknowledged.
I am also indebted to many other colleagues, in particular to (in alphabeticalorder) Gerhard Abstreiter, Zhores Alferov, Martin Allen, Levon Asryan, GüntherBauer, Manfred Bayer, Friedhelm Bechstedt, Dieter Bimberg, Otto Breitenstein,Len Brillson, Fernando Briones, Immanuel Brosery, Jean-Michel Chauveau, JürgenChristen, Philippe De Mierry, Steve Durbin, Laurence Eaves, Klaus Ellmer, GuyFeuillet, Elvira Fortunato, Ulrich Göseley, Alfred Forchel, Manus Hayne, FrankHeinrichsdorff, Fritz Hennebergery, Detlev Heitmann, Robert Heitzy, EvamarieHey-Hawkins, Detlef Hommel, Evgeni Kaidashev, Eli Kapon, Nils Kirstaedter,Claus Klingshirn, Fred Kochy, Jörg Kotthaus, Nikolai Ledentsov, Peter Littlewood,Dave Look, Axel Lorke, Anupam Madhukar, Ingrid Mertig, Bruno Meyery, DavidMowbray, Hisao Nakashima, Jörg Neugebauer, Michael Oestreich, Louis Piper,Mats-Erik Pistol, Fred Pollaky, Volker Riede, Bernd Rosenow, Hiroyuki Sakaki,Lars Samuelson, Darrell Schlom, Vitali Shchukin, Maurice Skolnick, Robert Suris,Volker Türck, Konrad Ungery, Victor Ustinov, Leonid Vorob’jev, RichardWarburton, Alexander Weber, Peter Werner, Wolf Widdra, Ulrike Woggon, RolandZimmermann, Arthur Zrenner, Alex Zunger, and Jesús Zúñiga-Pérez, with whom Ihave worked closely, had enjoyable discussions with and who have posed questionsthat stimulated me. It is my distinct privilege and joy that this list becomes longer asI pursue studies in semiconductor physics but sadly the number of y-symbolsincreases too rapidly from edition to edition.
Leipzig Marius Grundmann
Preface ix
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Timetable and Key Achievements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Nobel Prize Winners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3 General Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Part I Fundamentals
2 Bonds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2 Covalent Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Electron-Pair Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.2 sp3 Bonds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.3 sp2 Bonds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Ionic Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4 Mixed Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5 Metallic Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.6 van-der-Waals Bonds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.7 Hamilton Operator of the Solid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.2 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3 Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Unit Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.3.2 Point Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.3.3 Space Group. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.4 2D Bravais Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.5 3D Bravais Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.6 Polycrystalline Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . 513.3.7 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
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3.4 Important Crystal Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.1 Rocksalt Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.2 CsCl Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.3 Diamond Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4.4 Zincblende Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.5 Wurtzite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4.6 Chalcopyrite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.4.7 Spinel Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.4.8 Fluorite Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.9 Delafossite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.10 Perovskite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.11 NiAs Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.4.12 Further Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5 Polytypism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.6 Reciprocal Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.1 Reciprocal Lattice Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.6.2 Miller Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.6.3 Brillouin Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.7 Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.7.1 Random Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.7.2 Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.7.3 Virtual Crystal Approximation . . . . . . . . . . . . . . . 773.7.4 Lattice Parameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.7.5 Ordering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2 Point Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.1 Point Defect Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2.2 Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.2.3 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.2.4 Dopant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.2.5 Large Concentration Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3 Dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.3.1 Dislocation Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.3.2 Visualization of Dislocations by Etching . . . . . . . . 1004.3.3 Impurity Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4 Extended Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.4.1 Micro-cracks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.4.2 Stacking Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.4.3 Grain Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.4.4 Antiphase and Inversion Domains . . . . . . . . . . . . . 106
4.5 Disorder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
xii Contents
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5 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.2 Lattice Vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.1 Monoatomic Linear Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.2.2 Diatomic Linear Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.2.3 Lattice Vibrations of a Three-Dimensional
Crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1185.2.4 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.2.5 Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235.2.6 Localized Vibrational Modes . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.2.7 Phonons in Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.2.8 Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.2.9 Electric Field Created by Optical Phonons . . . . . . . 129
5.3 Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.3.1 Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.3.2 Stress–Strain Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.3.3 Biaxial Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.3.4 Three-Dimensional Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.3.5 Substrate Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1415.3.6 Scrolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4 Plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1455.4.1 Critical Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1455.4.2 Cleaving. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.4.3 Wafer Breakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.2 Electrons in a Periodic Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.1 Bloch’s Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1546.2.2 Free-Electron Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1556.2.3 Non-Vanishing Potential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1566.2.4 Kramer’s Degeneracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.2.5 Symmetry Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3 Band Structures of Selected Semiconductors. . . . . . . . . . . . . 1626.3.1 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.3.2 Germanium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.3.3 GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.3.4 GaP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.3.5 GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.3.6 Lead Salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1636.3.7 MgO, ZnO, CdO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.3.8 Chalcopyrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.3.9 Spinels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666.3.10 Delafossites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666.3.11 Perovskites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Contents xiii
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6.4 Systematics of Semiconductor Band Gaps . . . . . . . . . . . . . . 1686.5 Alloy Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1706.6 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1736.7 Temperature Dependence of the Band Gap. . . . . . . . . . . . . . 1746.8 Isotope Dependence of the Band Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.9 Electron Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.9.1 Equation of Electron Motion. . . . . . . . . . . . . . . . . 1776.9.2 Effective Mass of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . 1786.9.3 Nonparabolicity of Electron Mass . . . . . . . . . . . . . 181
6.10 Holes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1836.10.1 Hole Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1836.10.2 Hole Dispersion Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1846.10.3 Valence-Band Fine Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . 1886.10.4 Band Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.11 Strain Effects on the Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1906.11.1 Strain Effect on Band Edges . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916.11.2 Strain Effect on Effective Masses . . . . . . . . . . . . . 1936.11.3 Interaction with a Localized Level . . . . . . . . . . . . . 194
6.12 Density of States. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.12.1 General Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.12.2 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 1966.12.3 Free-Electron Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7 Electronic Defect States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.2 Carrier Concentration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047.3 Intrinsic Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.4 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.4.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.4.2 Doping Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.5 Shallow Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.5.1 Donors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.5.2 Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.5.3 Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2237.5.4 Multiple Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.5.5 Amphoteric Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2287.5.6 Autodoping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.5.7 High Doping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.6 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2347.7 Deep Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
7.7.1 Charge States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2367.7.2 Double Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2387.7.3 Double Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2407.7.4 Jahn–Teller Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417.7.5 Negative-U Center. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
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7.7.6 DX Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.7.7 EL2 Defect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.7.8 Semi-insulating Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . 2477.7.9 Isoelectronic Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2497.7.10 Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.8 Hydrogen in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2558.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2558.2 Conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2568.3 Low-Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.3.1 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2588.3.2 Microscopic Scattering Processes. . . . . . . . . . . . . . 2598.3.3 Ionized Impurity Scattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2608.3.4 Deformation Potential Scattering . . . . . . . . . . . . . . 2618.3.5 Piezoelectric Potential Scattering . . . . . . . . . . . . . . 2628.3.6 Polar Optical Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2628.3.7 Dislocation Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2638.3.8 Grain Boundary Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2638.3.9 Temperature Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2648.3.10 Doping Dependence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2668.3.11 Piezoresistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.4 High-Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2688.4.1 Drift-Saturation Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2698.4.2 Negative Differential Resistivity . . . . . . . . . . . . . . 2698.4.3 Velocity Overshoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2708.4.4 Impact Ionization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
8.5 High-Frequency Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2758.6 Polarons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.6.1 Large Polarons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2758.6.2 Small Polarons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.7 Hopping Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2788.8 Transport in Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . 2808.9 Ionic Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2818.10 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2828.11 Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2848.12 Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2848.13 Coupled Heat and Charge Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.13.1 Thermopower and Seebeck Effect . . . . . . . . . . . . . 2868.13.2 Peltier Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
9 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2919.1 Spectral Regions and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2919.2 Complex Dielectric Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2929.3 Reflection and Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
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9.4 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2959.5 Electron–Photon Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2979.6 Band–Band Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
9.6.1 Joint Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2999.6.2 Direct Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3009.6.3 Indirect Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3049.6.4 Urbach Tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3079.6.5 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 3089.6.6 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3099.6.7 Phonon Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139.6.8 Exciton Polariton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139.6.9 Bound-Exciton Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3179.6.10 Biexcitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199.6.11 Trions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199.6.12 Band Gap Renormalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3209.6.13 Electron–Hole Droplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3219.6.14 Two-Photon Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
9.7 Impurity Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3239.7.1 Shallow Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3239.7.2 Deep Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
9.8 Absorption in the Presence of Free Charge Carriers. . . . . . . . 3289.8.1 Free-Carrier Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3289.8.2 Burstein–Moss Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3329.8.3 Inter-Valenceband Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 3349.8.4 Inter-Valley Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3359.8.5 Intra-Band Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.9 Lattice Absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3379.9.1 Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3379.9.2 Reststrahlenbande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3389.9.3 Polaritons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3399.9.4 Phonon–Plasmon Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34310.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34310.2 Band–Band Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
10.2.1 Spontaneous Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34410.2.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34610.2.3 Stimulated Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34710.2.4 Net Recombination Rate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34710.2.5 Recombination Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34910.2.6 Lasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
10.3 Exciton Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35110.3.1 Free Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35110.3.2 Bound Excitons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35110.3.3 Alloy Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
xvi Contents
http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec23http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec23http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec25http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec25http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec26http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec26http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec27http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec27http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec28http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec28http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec29http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec29http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec30http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec30http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec31http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec31http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec32http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec32http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec33http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec33http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec34http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_9#Sec34http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec12
10.4 Phonon Replica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36210.5 Self-Absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36510.6 Donor–Acceptor Pair Transitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36610.7 Inner-Impurity Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36710.8 Auger Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36810.9 Band–Impurity Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
10.9.1 Shockley–Read–Hall Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . 37010.9.2 Multilevel Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
10.10 ABC Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37410.11 Field Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
10.11.1 Thermally Activated Emission. . . . . . . . . . . . . . . . 37510.11.2 Direct Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37610.11.3 Assisted Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
10.12 Recombination at Extended Defects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37710.12.1 Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37710.12.2 Grain Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37810.12.3 Dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
10.13 Excess-Carrier Profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37910.13.1 Generation at Surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37910.13.2 Generation in the Bulk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
Part II Selected Topics
11 Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38511.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38511.2 Surface Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38611.3 Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38711.4 Surface Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38811.5 Surface Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39011.6 Surface Physical Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
11.6.1 Surface Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39211.6.2 Surface Plasmons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39311.6.3 Electronic Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
12 Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39912.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39912.2 Heteroepitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
12.2.1 Growth Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40012.2.2 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40012.2.3 Growth Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40312.2.4 Heterosubstrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40512.2.5 Patterned Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41012.2.6 Pseudomorphic Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41212.2.7 Plastic Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41312.2.8 Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
Contents xvii
http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec23http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec23http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec25http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec25http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec26http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec26http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec27http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec27http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec28http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec28http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec29http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec29http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec30http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec30http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec31http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec31http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec32http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_10#Sec32http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_11#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec10
12.3 Energy Levels in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41512.3.1 Band Lineup in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . 41512.3.2 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41712.3.3 Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42412.3.4 Single Heterointerface Between Doped Materials. . . 424
12.4 Recombination in Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42712.4.1 Thickness Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42712.4.2 Broadening Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42812.4.3 Quantum Confined Stark Effect. . . . . . . . . . . . . . . 431
12.5 Isotope Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43312.6 Wafer Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
13 External Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43713.1 Electric Fields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
13.1.1 Bulk Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43713.1.2 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
13.2 Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44113.2.1 Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44113.2.2 Free-Carrier Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44813.2.3 Energy Levels in Bulk Crystals . . . . . . . . . . . . . . . 44913.2.4 Energy Levels in a 2DEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45113.2.5 Shubnikov–de Haas Oscillations . . . . . . . . . . . . . . 452
13.3 Quantum Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45313.3.1 Integral QHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45513.3.2 Fractional QHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45813.3.3 Weiss Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
14 Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46114.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46114.2 Quantum Wires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
14.2.1 V-Groove Quantum Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46214.2.2 Cleaved-Edge Overgrowth Quantum Wires . . . . . . . 46514.2.3 Nanowhiskers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46514.2.4 Nanobelts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46714.2.5 Quantization in Two-Dimensional Potential
Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46814.3 Quantum Dots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
14.3.1 Quantization in Three-Dimensional PotentialWells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
14.3.2 Electrical and Transport Properties. . . . . . . . . . . . . 47314.3.3 Self-Assembled Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . 47714.3.4 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
15 Polarized Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48915.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48915.2 Spontaneous Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
xviii Contents
http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_12#Sec21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_13#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_14#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec2
15.3 Ferroelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49015.3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49215.3.2 Soft Phonon Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49215.3.3 Phase Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49315.3.4 Domains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49615.3.5 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
15.4 Piezoelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49815.4.1 Piezoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49815.4.2 Zincblende Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49815.4.3 Wurtzite Crystals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49915.4.4 Piezoelectric Effects in Nanostructures . . . . . . . . . . 503
16 Magnetic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50516.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50516.2 Magnetic Semiconductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50516.3 Diluted Magnetic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50716.4 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
16.4.1 Spin Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51216.4.2 Spin LED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
17 Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51517.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51517.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
17.2.1 Small Organic Molecules, Polymers. . . . . . . . . . . . 51517.2.2 Organic Semiconductor Crystals . . . . . . . . . . . . . . 516
17.3 Electronic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51917.4 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52017.5 Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52117.6 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
18 Graphene and Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52918.1 Graphene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
18.1.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52918.1.2 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52918.1.3 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53118.1.4 Other Two-Dimensional Crystals . . . . . . . . . . . . . . 536
18.2 Carbon Nanotubes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53618.2.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53618.2.2 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53818.2.3 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54118.2.4 Other Anorganic Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
19 Dielectric Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54519.1 Photonic Band Gap Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
19.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54519.1.2 General 1D Scattering Theory . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Contents xix
http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_15#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_16#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_17#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_18#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-23880-7_19#Sec3
19.1.3 Transmission of an N-Period Potential . . . . . . . . . . 54819.1.4 The Quarter-Wave Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55019.1.5 Formation of a 3D Band Structure. . . . . . . . . . . . . 55219.1.6 Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55819.1.7 Defect Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55819.1.8 Coupling to an Electronic Resonance . . . . . . . . . . . 562
19.2 Microscopic Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56519.2.1 Microdiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56519.2.2 Purcell Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56719.2.3 Deformed Resonators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56819.2.4 Hexagonal Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
20 Transparent Conductive Oxide Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . 57520.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57520.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57520.3 Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
Part III Applications
21 Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58321.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58321.2 Metal–Semiconductor Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
21.2.1 Band Diagram in Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . 58421.2.2 Space-Charge Region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58921.2.3 Schottky Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59321.2.4 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59421.2.5 Current–Voltage Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . 59821.2.6 Ohmic Contacts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61121.2.7 Metal Contacts to Organic Semiconductors . . . . . . . 613
21.3 Metal–Insulator–Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . 61521.3.1 Band Diagram for Ideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . 61621.3.2 Space-Charge Region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61921.3.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62321.3.4 Nonideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
21.4 Bipolar Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62621.4.1 Band Diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62621.4.2 Space-Charge Region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62621.4.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63221.4.4 Current–Voltage Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . 63321.4.5 Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64421.4.6 Heterostructure Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64921.4.7 Organic Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . 650
21.5 Applications and Special Diode Devices . . . . . . . . . . . . . . . 65221.5.1 Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65321.5.2 Frequency Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
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21.5.3 Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65621.5.4 Zener Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65821.5.5 Varactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65821.5.6 Fast-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66021.5.7 Step-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66121.5.8 Pin-Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66221.5.9 Tunneling Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66321.5.10 Backward Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66621.5.11 Gunn Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
22 Light-to-Electricity Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66922.1 Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66922.2 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670
22.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67022.2.2 Photoconductivity Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . 67122.2.3 Electrophotography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67422.2.4 QWIPs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67522.2.5 Blocked Impurity-Band Detectors . . . . . . . . . . . . . 678
22.3 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68022.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68022.3.2 pn Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68122.3.3 Pin Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68422.3.4 Position-Sensing Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68622.3.5 MSM Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68622.3.6 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69222.3.7 Traveling-Wave Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . 69522.3.8 Charge Coupled Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69822.3.9 Photodiode Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705
22.4 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70722.4.1 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70822.4.2 Ideal Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70922.4.3 Real Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71422.4.4 Design Refinements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71522.4.5 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71622.4.6 Solar-Cell Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71822.4.7 Commercial Issues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
23 Electricity-to-Light Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72523.1 Radiometric and Photometric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . 725
23.1.1 Radiometric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72523.1.2 Photometric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
23.2 Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72723.2.1 CIE Chromaticity Diagram . . . . . . . . . . . . .
![Algebra [Graduate Texts in Mathematics]](https://img.pdfslide.us/doc/110x75/5477fec6b4af9fa2108b4aac/algebra-graduate-texts-in-mathematics.jpg)
