17.3 Diluted Magnetic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
17.4 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
17.4.1 Spin Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
17.4.2 Spin LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
18 Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.2.1 Small Organic Molecules, Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.2.2 Organic Semiconductor Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
18.3 Electronic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
18.4 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
18.5 Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
18.6 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
19 Dielectric Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
19.1 Photonic Band Gap Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
19.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
19.1.2 General 1D Scattering Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
19.1.3 Transmission of an N-Period Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
19.1.4 The Quarter-Wave Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
19.1.5 Formation of a 3D Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
19.1.6 Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
19.1.7 Defect Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
19.1.8 Topological Photonic Band Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
19.1.9 Coupling to an Electronic Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
19.1.10 Hyperbolic Optical Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
19.2 Microscopic Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
19.2.1 Microdiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
19.2.2 Purcell Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
19.2.3 Deformed Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
19.2.4 Hexagonal Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
20 Transparent Conductive Oxide Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
20.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
20.3 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
Part III Applications
21 Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
21.2 Metal-Semiconductor Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
21.2.1 Band Diagram in Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
21.2.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
21.2.3 Schottky Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
21.2.4 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
21.2.5 Current-Voltage Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
21.2.6 Ohmic Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
21.2.7 Metal Contacts to Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Contents
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17.4 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
17.4.1 Spin Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
17.4.2 Spin LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
18 Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.2.1 Small Organic Molecules, Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
18.2.2 Organic Semiconductor Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
18.3 Electronic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
18.4 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
18.5 Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
18.6 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
19 Dielectric Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
19.1 Photonic Band Gap Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
19.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
19.1.2 General 1D Scattering Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
19.1.3 Transmission of an N-Period Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
19.1.4 The Quarter-Wave Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
19.1.5 Formation of a 3D Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
19.1.6 Disorder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
19.1.7 Defect Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
19.1.8 Topological Photonic Band Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
19.1.9 Coupling to an Electronic Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
19.1.10 Hyperbolic Optical Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
19.2 Microscopic Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
19.2.1 Microdiscs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
19.2.2 Purcell Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
19.2.3 Deformed Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
19.2.4 Hexagonal Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
20 Transparent Conductive Oxide Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
20.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
20.3 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
Part III Applications
21 Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
21.2 Metal-Semiconductor Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
21.2.1 Band Diagram in Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
21.2.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
21.2.3 Schottky Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
21.2.4 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
21.2.5 Current-Voltage Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
21.2.6 Ohmic Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
21.2.7 Metal Contacts to Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
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