Top Banner
EEE 41 Lecture 3 The Energy Band Model UP EEEI 1 EEE 41 Lecture 3 (Alarcon 2014)
18

Lecture03 EnergyBand Model

Jan 12, 2016

Download

Documents

Leiko Ravelo

EEE 41 Lecture 3 Energy Band Model
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Lecture03 EnergyBand Model

EEE  41  Lecture  3  The  Energy  Band  Model    

UP  EEEI   1  EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)  

Page 2: Lecture03 EnergyBand Model

Today  •  Energy-­‐band  model  •  Band-­‐gap  energy  •  Density  of  states  •  Doping  

•  Read:  Chapter  2    

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   2  

Page 3: Lecture03 EnergyBand Model

Silicon:  From  Atom  to  Crystal  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   3  

•  Energy  states  in  a  Si  atom  à  energy  bands  in  a  Si  crystal  

•  The  highest  nearly-­‐filled  band  is  the  valence  band  •  The  highest  nearly-­‐empty    band  is  the  conducKon  band   a  =  2.35  Å  =  0.235  nm  

[conceptualphysics.in]  

Page 4: Lecture03 EnergyBand Model

Energy  Band  Diagram  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   4  

Ec  

Ev  electron

 ene

rgy  

distance  

Simplified  version  of  the  energy  band  model,  with  •  BoVom  edge  of  the  conducKon  band  (Ec)  •  Top  edge  of  the  valence  band  (Ev)  •  Ev  and  Ec  are  separated  by  the  band  gap  energy  EG  

Page 5: Lecture03 EnergyBand Model

Recap  •  In  a  pure  Si  crystal  •  ConducKon  electrons  and  holes  are  formed  in  pairs  •  Holes  can  be  considered  as  posiKvely  charged  mobile  parKcles  which  exist  inside  a  semiconductor  

•  Both  holes  and  electrons  can  conduct  current  •  SpliCng  of  allowed  atomic  energy  levels  occur  in  a  crystal  •  SeparaKon  between  energy  levels  is  small,  thus  we  can  consider  them  as  bands  with  conKnuous  energy  levels  •  Highest  nearly-­‐filled  band  is  the  valence  band  •  Lowest  nearly-­‐empty  band  is  the  conducKon  band  

•  Energy  band  diagram  •  Shows  Ev  and  Ec,  and  are  separated  by  the  band  gap  energy  EG  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   5  

Page 6: Lecture03 EnergyBand Model

Band  Gap  and  Material  ClassificaKon  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   6  

[auris-­‐new.univ-­‐lemans.fr]  

Ec  

Ev  

EG  

•  Filled  bands  and  empty  bands  do  not  allow  current  flow  •  Insulators  have  large  EG  •  Semiconductors  have  small  EG  •  Metals  have  no  band  gap  

•  ConducKon  band  is  parKally  filled  

Page 7: Lecture03 EnergyBand Model

Measuring  Band  Gap  Energy  •  EG  can  be  determined  from  the  minimum  energy  (hν)  of  photons  that  are  absorbed  by  the  semiconductor  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   7  

Band  gap  energies  of  selected  semiconductors  Semiconductor   Ge   Si   GaAs  

Band  Gap  (eV)   0.67   1.12   1.42  

Ec  

Ev  

EG  photon  (hν  >  EG)  

electron  

hole  

Page 8: Lecture03 EnergyBand Model

Density  of  States  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   8  

g E( )dE à  Number  of  states  per  cm3  in  the  energy  range  between  E  and  E  +  dE  

gc (E) =mn

* 2mn* E −Ec( )

π 23

gv (E) =mp

* 2mp* Ev −E( )

π 23

E  ≥  Ec  

E  ≤  Ev  

Near  the  band  edges:  

mn* =1.18m0

mp* = 0.81m0

m0 = 9.1×10−31kg

EffecKve  masses:  0 5 10 15

x 1050States per cm3 per eV

Density of States

Ev

Ec

1eV below Ev

1eV above Ec

Eg = 1.12eV

gc(E)gv(E)

Page 9: Lecture03 EnergyBand Model

Doping  •  By  subsMtuMng  a  Si  atom  with  a  special  impurity  atom,  a  conducMon  electron  or  hole  is  created  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   9  

[eere.energy.gov]  

Example:    •  Phosphorous  is  a  Group  V  

element  •  5  valence  electrons  •  Electron  “donor”  

•  Other  donors:  As,  Sb  

Page 10: Lecture03 EnergyBand Model

Doping  Si  with  Donors  •  Example:  Adding  Phosphorous  (P)  atoms  to  the  Si  crystal  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   10  

[diranieh.com]  

•  The  loosely  bound  5th  valence  electron  of  the  Phosphorous  atom  “breaks  free”  

•  Becomes  a  mobile  electron  for  current  conducKon  

•  The  Phosphorous  ion  (P+)  is  immobile  

Page 11: Lecture03 EnergyBand Model

Doping  Si  with  Acceptors  •  Example:  Adding  Indium  (In)  atoms  to  the  Si  crystal  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   11  

[diranieh.com]  

•  The  Indium  atom  (Group  III)  accepts  an  electron  from  a  neighboring  Si  atom  

•  Results  in  a  missing  bonding  electron  or  hole    

•  The  hole  is  free  to  roam  around  the  lahce  carrying  current  as  a  posiKve  charge  

•  The  Indium  ion  (In-­‐)  is  immobile  

Page 12: Lecture03 EnergyBand Model

Donor  /  Acceptor  Levels  (Band  Model)  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   12  

Ec  

Ev  

ED  

EA  

Donor  ionizaKon  energy  

Acceptor  ionizaKon  energy  

IonizaKon  energy  of  selected  donors  and  acceptors  in  Silicon:  

Donor   Acceptor  

Dopant   Sb   P   As   B   Al   In  

IonizaKon  Energy  (meV)   39   45   54   45   67   160  

Page 13: Lecture03 EnergyBand Model

Charge  Carrier  ConcentraKons  •  ND:  ionized  donor  concentraMon  (cm-­‐3)  •  NA:  ionized  acceptor  concentraMon  (cm-­‐3)  

•  Charge  neutrality  condiMon:  

•  At  thermal  equilibrium:  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   13  

ND + p = NA + n

np = ni2 (“Law  of  Mass  AcKon”)  

n = ND − NA

2+

ND − NA

2"

#$

%

&'2

+ ni2

p = NA − ND

2+

NA − ND

2"

#$

%

&'2

+ ni2

Note:    •  Carrier  concentraKons        

depend  on  net  dopant  concentraKon  |NA  –  ND|  

Page 14: Lecture03 EnergyBand Model

N-­‐Type  Material  •  Assume  ND  >>  NA  and  (ND  –  NA)  >>  ni  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   14  

Page 15: Lecture03 EnergyBand Model

P-­‐Type  Material  •  Assume  NA  >>  ND  and  (NA  –  ND)  >>  ni  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   15  

Page 16: Lecture03 EnergyBand Model

Terminology  •  Donor:  impurity  atom  that  increases  n  •  Acceptor:  impurity  atom  the  increases  p  •  n-­‐type  material:  contains  more  electrons  than  holes  •  p-­‐type  material:  contains  more  holes  than  electrons  • Majority  carrier:  the  most  abundant  carrier  • Minority  carrier:  the  least  abundant  carrier  •  Intrinsic  semiconductor:  n  =  p  =  ni  •  Extrinsic  semiconductor:  doped  semiconductor  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   16  

Page 17: Lecture03 EnergyBand Model

Summary  •  The  band  gap  energy  is  the  energy  required  to  free  an  electron  from  a  covalent  bond  •  EG  for  Si  at  T  =  300K  is  1.12eV  •  Insulators  have  large  EG,  semiconductors  have  small  EG  

•  Dopants  in  Si  •  Reside  on  lahce  sites  (subsKtuKng  for  Si  atoms)  •  Group  V  elements  contribute  conducKon  electrons  (donors)  •  Group  III  elements  contribute  holes  (acceptors)  •  Very  low  ionizaKon  temperatures  (ionized  at  room  temperature)  •  Typical  dopant  concentraKons:  1014  cm-­‐3  to  1020  cm-­‐3  •  Si  density:  5  x  1022  cm-­‐3  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   17  

Page 18: Lecture03 EnergyBand Model

Next  MeeKng  •  Thermal  Equilibrium  •  Carrier  DistribuMons  and  ConcentraMons  •  The  Fermi  Level  

UP  EEEI   EEE  41  Lecture  3  (Alarcon  2014)   18