21.3 Metal-Insulator-Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
21.3.1 Band Diagram for Ideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
21.3.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
21.3.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
21.3.4 Nonideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
21.4 Bipolar Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
21.4.1 Band Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
21.4.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
21.4.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
21.4.4 Current-Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
21.4.5 Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
21.4.6 Heterostructure Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
21.4.7 Organic Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
21.5 Applications and Special Diode Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
21.5.1 Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
21.5.2 Frequency Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
21.5.3 Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
21.5.4 Zener Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
21.5.5 Varactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
21.5.6 Fast-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
21.5.7 Step-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
21.5.8 Pin-Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
21.5.9 Tunneling Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
21.5.10 Backward Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
21.5.11 Gunn Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
22 Light-to-Electricity Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
22.1 Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
22.2 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22.2.2 Photoconductivity Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22.2.3 Electrophotography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
22.2.4 QWIPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
22.2.5 Blocked Impurity-Band Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
22.3 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
22.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
22.3.2 Pn Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
22.3.3 Pin Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
22.3.4 Position-Sensing Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
22.3.5 MSM Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
22.3.6 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
22.3.7 Traveling-Wave Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
22.3.8 Charge Coupled Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
22.3.9 Photodiode Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
22.4 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
22.4.1 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
22.4.2 Ideal Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
22.4.3 Real Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
22.4.4 Design Refinements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
22.4.5 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
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Contents
21.3.1 Band Diagram for Ideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
21.3.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
21.3.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
21.3.4 Nonideal MIS Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
21.4 Bipolar Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
21.4.1 Band Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
21.4.2 Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
21.4.3 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
21.4.4 Current-Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
21.4.5 Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
21.4.6 Heterostructure Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
21.4.7 Organic Semiconductor Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
21.5 Applications and Special Diode Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
21.5.1 Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
21.5.2 Frequency Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
21.5.3 Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
21.5.4 Zener Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
21.5.5 Varactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
21.5.6 Fast-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
21.5.7 Step-Recovery Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
21.5.8 Pin-Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
21.5.9 Tunneling Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
21.5.10 Backward Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
21.5.11 Gunn Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
22 Light-to-Electricity Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
22.1 Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
22.2 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22.2.2 Photoconductivity Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
22.2.3 Electrophotography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
22.2.4 QWIPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
22.2.5 Blocked Impurity-Band Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
22.3 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
22.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
22.3.2 Pn Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
22.3.3 Pin Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602
22.3.4 Position-Sensing Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
22.3.5 MSM Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
22.3.6 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
22.3.7 Traveling-Wave Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
22.3.8 Charge Coupled Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
22.3.9 Photodiode Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
22.4 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
22.4.1 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
22.4.2 Ideal Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
22.4.3 Real Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
22.4.4 Design Refinements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
22.4.5 Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
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