Contents

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Timetable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Nobel Prize Winners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3 General Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Part I Fundamentals

2 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Covalent Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Electron-Pair Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 sp3 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.3 sp2 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Ionic Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4 Mixed Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.5 Metallic Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.6 van-der-Waals Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.7 Hamilton Operator of the Solid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3.1 Unit Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3.2 Point Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.3 Space Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.4 2D Bravais Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3.5 3D Bravais Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3.6 Polycrystalline Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.7 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4 Important Crystal Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4.1 Rocksalt Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4.2 CsCl Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.4.3 Diamond Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

XI

XII Contents

3.4.4 Zincblende Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4.5 Wurtzite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4.6 Chalcopyrite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.4.7 Fluorite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.4.8 Delafossite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4.9 Perovskite Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.10 NiAs Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4.11 Further Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.5 Polytypism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.6 Reciprocal Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.6.1 Reciprocal Lattice Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.6.2 Miller Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.6.3 Brillouin Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.7 Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.7.1 Random Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.7.2 Phase Diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.7.3 Virtual Crystal Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.7.4 Lattice Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.7.5 Ordering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4 Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.2 Point Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.2.1 Point Defect Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.2.2 Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.2.3 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.2.4 Dopant Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.2.5 Large Concentration Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.3 Dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.3.1 Dislocation Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.3.2 Visualization of Dislocations by Etching . . . . . . . . . . 924.3.3 Impurity Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.4 Extended Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.4.1 Micro-cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.4.2 Stacking Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.4.3 Grain Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.4.4 Antiphase and Inversion Domains . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.5 Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.2 Lattice Vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.2.1 Monoatomic Linear Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.2.2 Diatomic Linear Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.2.3 Lattice Vibrations of a Three-Dimensional Crystal . 110

Contents XIII

5.2.4 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.2.5 Phonons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.2.6 Localized Vibrational Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.2.7 Phonons in Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165.2.8 Electric Field Created by Optical Phonons . . . . . . . . 119

5.3 Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.3.1 Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.3.2 Stress–Strain Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.3.3 Biaxial Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.3.4 Three-Dimensional Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.3.5 Substrate Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305.3.6 Scrolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.3.7 Critical Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.4 Cleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.2 Electrons in a Periodic Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.2.1 Bloch’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.2.2 Free-Electron Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.2.3 Kronig–Penney Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.2.4 Lattice Vector Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.2.5 Kramer’s degeneracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6.3 Band Structure of Selected Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . 1476.3.1 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.3.2 Germanium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.3.3 GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.3.4 GaP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.3.5 GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.3.6 Lead Salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.3.7 Chalcopyrites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.3.8 Delafossites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516.3.9 Perovskites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

6.4 Alloy Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.5 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1556.6 Systematics of Semiconductor Band Gaps . . . . . . . . . . . . . . . . 1566.7 Temperature Dependence of the Band Gap . . . . . . . . . . . . . . 1586.8 Electron Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6.8.1 Equation of Electron Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1616.8.2 Effective Mass of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1616.8.3 Polaron Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1656.8.4 Nonparabolicity of Electron Mass . . . . . . . . . . . . . . . . 167

6.9 Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.9.1 Hole Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.9.2 Hole Dispersion Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1696.9.3 Valence-Band Fine Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

XIV Contents

6.10 Strain Effect on the Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.10.1 Strain Effect on Band Edges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.10.2 Strain Effect on Effective Masses . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.10.3 Interaction with a Localized Level . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.11 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.11.1 General Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.11.2 Free-Electron Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

7 Electronic Defect States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1857.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1857.2 Fermi Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1857.3 Carrier Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1877.4 Intrinsic Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1907.5 Shallow Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

7.5.1 Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1937.5.2 Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2027.5.3 Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.5.4 Multiple Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.5.5 Amphoteric Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107.5.6 High Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

7.6 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.7 Deep Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

7.7.1 Charge States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177.7.2 Double Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2187.7.3 Double Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2197.7.4 Jahn–Teller Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2217.7.5 Negative-U Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2217.7.6 DX Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2247.7.7 EL2 Defect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267.7.8 Semi-insulating Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 2277.7.9 Isoelectronic Impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2287.7.10 Surface States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

7.8 Hydrogen in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

8 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2358.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2358.2 Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2368.3 Low-Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

8.3.1 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2388.3.2 Microscopic Scattering Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 2398.3.3 Ionized Impurity Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2398.3.4 Deformation Potential Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 2408.3.5 Piezoelectric Potential Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 2418.3.6 Polar Optical Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2418.3.7 Dislocation Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

Contents XV

8.3.8 Grain Boundary Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2428.3.9 Temperature Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438.3.10 Doping Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438.3.11 Piezoresistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

8.4 Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2478.5 High-Field Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

8.5.1 Drift-Saturation Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2518.5.2 Negative Differential Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . 2528.5.3 Velocity Overshoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2548.5.4 Impact Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

8.6 High-Frequency Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2578.7 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2578.8 Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2598.9 Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2598.10 Coupled Heat and Charge Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

8.10.1 Seebeck Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2618.10.2 Peltier Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

9 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2659.1 Spectral Regions and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2659.2 Reflection and Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2669.3 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2689.4 Electron–Photon Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2699.5 Band–Band Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

9.5.1 Joint Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2719.5.2 Direct Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2729.5.3 Indirect Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2749.5.4 Urbach Tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2789.5.5 Intravalence-Band Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2789.5.6 Amorphous Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2799.5.7 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2809.5.8 Phonon Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2839.5.9 Exciton Polariton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2859.5.10 Bound-Exciton Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2889.5.11 Biexcitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2909.5.12 Trions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2909.5.13 Burstein–Moss Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2919.5.14 Band Gap Renormalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2929.5.15 Electron–Hole Droplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2939.5.16 Two-Photon Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

9.6 Impurity Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2969.7 Free-Carrier Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2999.8 Lattice Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

9.8.1 Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3049.8.2 Reststrahlenbande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

XVI Contents

9.8.3 Polaritons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3049.8.4 Phonon–Plasmon Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

10 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30910.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30910.2 Band–Band Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

10.2.1 Spontaneous Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30910.2.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31110.2.3 Stimulated Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31110.2.4 Net Recombination Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31210.2.5 Recombination Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31310.2.6 Lasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

10.3 Exciton Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31510.3.1 Free Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31510.3.2 Bound Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31710.3.3 Alloy Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

10.4 Phonon Replica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32610.5 Self-absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33010.6 Donor–Acceptor Pair Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33110.7 Inner-Impurity Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33110.8 Auger Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33310.9 Band–Impurity Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

10.9.1 Shockley-Read-Hall Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33510.9.2 Multilevel Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

10.10 Field Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33910.10.1 Thermally Activated Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33910.10.2 Direct Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34010.10.3 Assisted Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

10.11 Recombination at Extended Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34010.11.1 Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34010.11.2 Grain Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34110.11.3 Dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

10.12 Excess-Carrier Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34210.12.1 Generation at Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34310.12.2 Generation in the Bulk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

Part II Selected Topics

11 Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34711.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34711.2 Heteroepitaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

11.2.1 Growth Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34711.2.2 Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34811.2.3 Growth Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

Contents XVII

11.2.4 Heterosubstrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35211.2.5 Pseudomorphic Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35611.2.6 Plastic Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35611.2.7 Surfactants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

11.3 Energy Levels in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35911.3.1 Band Lineup in Heterostructures . . . . . . . . . . . . . . . . 35911.3.2 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36111.3.3 Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36611.3.4 Single Heterointerface Between Doped Materials . . . 368

11.4 Recombination in Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36911.4.1 Thickness Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36911.4.2 Broadening Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37011.4.3 Quantum Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

11.5 Isotope Superlattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37511.6 Wafer Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

12 External Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37912.1 Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

12.1.1 Bulk Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37912.1.2 Quantum Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

12.2 Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38212.2.1 Free-Carrier Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38312.2.2 Energy Levels in Bulk Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38412.2.3 Energy Levels in a 2DEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38612.2.4 Shubnikov–de Haas Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

12.3 Quantum Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38912.3.1 Integral QHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38912.3.2 Fractional QHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39312.3.3 Weiss Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

13 Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39713.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39713.2 Quantum Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

13.2.1 V-Groove Quantum Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39713.2.2 Cleaved-Edge Overgrowth Quantum Wires . . . . . . . 40113.2.3 Nanowhiskers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40113.2.4 Nanobelts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40313.2.5 Quantization in Two-Dimensional Potential Wells . 404

13.3 Quantum Dots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40713.3.1 Quantization in Three-Dimensional

Potential Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40713.3.2 Electrical and Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . 41013.3.3 Self-assembled Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41313.3.4 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

XVIII Contents

14 Polarized Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42514.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42514.2 Spontaneous Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42514.3 Ferroelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

14.3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42814.3.2 Soft Phonon Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42814.3.3 Phase Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42914.3.4 Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43214.3.5 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

14.4 Piezoelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43314.4.1 Piezoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43314.4.2 Zincblende Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43414.4.3 Wurtzite Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43514.4.4 Piezoelectric Effects in Nanostructures . . . . . . . . . . . 438

15 Magnetic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44115.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44115.2 Magnetic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44115.3 Diluted Magnetic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44215.4 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

15.4.1 Spin Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44815.4.2 Spin LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

16 Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45116.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

16.1.1 Small Organic Molecules, Polymers . . . . . . . . . . . . . . 45116.1.2 Organic Semiconductor Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

16.2 Electronic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45416.3 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45616.4 Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45716.5 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

17 Graphene and Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46517.1 Graphene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

17.1.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46517.1.2 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46517.1.3 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46817.1.4 Other Two-Dimensional Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . 472

17.2 Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47317.2.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47317.2.2 Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47417.2.3 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47517.2.4 Other Anorganic Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

Contents XIX

18 Dielectric Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48118.1 Photonic Band Gap Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

18.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48118.1.2 General 1D Scattering Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48118.1.3 Transmission of an N -Period Potential . . . . . . . . . . . 48318.1.4 The Quarter-Wave Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48518.1.5 Formation of a 3D Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . 48818.1.6 Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49118.1.7 Defect Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49318.1.8 Coupling to an Electronic Resonance . . . . . . . . . . . . 497

18.2 Microscopic Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50018.2.1 Microdiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50018.2.2 Purcell Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50218.2.3 Deformed Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50318.2.4 Hexagonal Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505

19 Transparent Conductive Oxide Semiconductors . . . . . . . . . . 51119.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51119.2 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512

Part III Applications

20 Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51920.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51920.2 Metal–Semiconductor Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520

20.2.1 Band Diagram in Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52020.2.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52520.2.3 Schottky Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52720.2.4 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52920.2.5 Current–Voltage Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53220.2.6 Ohmic Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54320.2.7 Metal Contacts to Organic Semiconductors . . . . . . . 546

20.3 Metal–Insulator–Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54820.3.1 Band Diagram for Ideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . 54820.3.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55120.3.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55520.3.4 Nonideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556

20.4 Bipolar Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55820.4.1 Band Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55820.4.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55820.4.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56320.4.4 Current–Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 56520.4.5 Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57520.4.6 Organic Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580

XX Contents

20.5 Applications and Special Diode Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . 58220.5.1 Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58220.5.2 Frequency Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58420.5.3 Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58620.5.4 Zener Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58820.5.5 Varactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58820.5.6 Fast-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58920.5.7 Step-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59020.5.8 pin-Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59120.5.9 Tunneling Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59220.5.10 Backward Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59520.5.11 Gunn Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59620.5.12 Heterostructure Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

21 Light-to-Electricity Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59921.1 Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59921.2 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601

21.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60121.2.2 Photoconductivity Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60121.2.3 Electrophotography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60321.2.4 QWIPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60421.2.5 Blocked Impurity-Band Detectors . . . . . . . . . . . . . . . 608

21.3 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61021.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61021.3.2 pn Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61121.3.3 pin Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61321.3.4 Position-Sensing Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61521.3.5 MSM Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61621.3.6 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62321.3.7 Traveling-Wave Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62521.3.8 Charge Coupled Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62721.3.9 Photodiode Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633

21.4 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63721.4.1 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63721.4.2 Ideal Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63821.4.3 Real Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64321.4.4 Design Refinements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64321.4.5 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64521.4.6 Solar-Cell Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64621.4.7 Commercial Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651

22 Electricity-to-Light Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65322.1 Radiometric and Photometric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . 653

22.1.1 Radiometric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65322.1.2 Photometric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

Contents XXI

22.2 Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65422.2.1 CIE Chromaticity Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65522.2.2 Display Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65822.2.3 Radiation Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65922.2.4 Luminescence Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660

22.3 Light-Emitting Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66122.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66122.3.2 Spectral Ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66122.3.3 Quantum Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66222.3.4 Device Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66322.3.5 White LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66822.3.6 Quantum Dot LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67122.3.7 Organic LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672

22.4 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67422.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67422.4.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67622.4.3 Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67822.4.4 Optical Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68022.4.5 Loss Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68722.4.6 Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68822.4.7 Spontaneous Emission Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68922.4.8 Output Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69022.4.9 Temperature Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69222.4.10 Mode Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69422.4.11 Longitudinal Single-Mode Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . 69522.4.12 Tunability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69722.4.13 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69822.4.14 Surface-Emitting Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70322.4.15 Optically Pumped Semiconductor Lasers . . . . . . . . . 70722.4.16 Quantum Cascade Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70822.4.17 Hot-Hole Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709

22.5 Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710

23 Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71323.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71323.2 Bipolar Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714

23.2.1 Carrier Density and Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71523.2.2 Current Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71823.2.3 Ebers–Moll Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71923.2.4 Current–Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 72123.2.5 Basic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72323.2.6 High-Frequency Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72523.2.7 Heterobipolar Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72523.2.8 Light-Emitting Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726

23.3 Field-Effect Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727

XXII Contents

23.4 JFET and MESFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72923.4.1 General Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72923.4.2 Static Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73023.4.3 Normally On and Normally Off FETs . . . . . . . . . . . . 73323.4.4 Field-Dependent Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73423.4.5 High-Frequency Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736

23.5 MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73723.5.1 Operation Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73723.5.2 Current–Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 73823.5.3 MOSFET Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74323.5.4 Complementary MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74323.5.5 Large-Scale Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74623.5.6 Tunneling FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75323.5.7 Nonvolatile Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75523.5.8 Heterojunction FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757

23.6 Thin-Film Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76323.6.1 Annealing of Amorphous Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . 76323.6.2 TFT Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76523.6.3 OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765

Part IV Appendices

A Tensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769

B Space Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773

C Kramers–Kronig Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775

D Oscillator Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777

E Quantum Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783

F The k · p Perturbation Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 787

G Effective-Mass Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843