Semi Conductors JEE Notes | EduRev

JEE : Semi Conductors JEE Notes | EduRev

 Page 1


J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
1
ENERGY  BANDS  IN  SOLIDS
Based  on  Pauli's  exclusion  principle
In  an  isolated  atom  electrons  present  in  energy  level  but  in  solid,  atoms  are  not  isolated,  there  is  interaction
among  each  other,  due  to  this  energy  level  splitted  into  different  energy  levels.  Quantity  of  these  different
energy  levels  depends  on  the  quantity  of  interacting  atoms.  Splitting  of  sharp  and  closely  compact  energy  levels
result  into  energy  bands.  They  are  discrete  in  nature.  Order  of  energy  levels  in  a  band  is  10
23
  and  their  energy
difference  =  10
–23
  eV.
Energy  Band
Range  of  energy  possessed  by  an  electron  in  a  solid  is  known  as  energy  band.
Valence  Band  (VB)
Range  of  energies  possessed  by  valence  electron  is  known  as  valence  band.
(a)  Have  bonded  electrons.
(b)  No  flow  of  current  due  to  such  electrons.
(c)  Always  fulfill  by  electrons.
Conduction  Band    (CB)
Range  of  energies  possessed  by  free  electron  is  known  as  conduction  band.
(a)  It  has  conducting  electrons.
(b)  Current  flows  due  to  such  electrons.
(c)  If  conduction  band  is  fully  empty  then  current  conduction  is  not  possible.
(d)  Electrons  may  exist  or  not in  it.
Forbidden  Energy  gap  (FEG) ( ?Eg)
? E
g
  = (C  B)
min
  –  (V  B)
max
Energy  gap  between  conduction  band  and  valence  band,  where  no  free  electron  can  exist.
? Width  of  forbidden  energy  gap depends  upon  the  nature  of  substance.          
band energy (eV)
forbidden
energy gap
conduction band
valence band
? Width  is  more,  then  valence  electrons  are  strongly  attached  with  nucleus
? Width  of  forbidden  energy  gap  is  represented  in  eV.
? As  temperature  increases  forbidden  energy  gap  decreases  (very  slightly).
CLASSIFICATION  OF  CONDUCTORS,  INSULATORS  AND  SEMICONDUCTOR  :  -
On  the  basis  of  the  relative  values  of  electrical  conductivity  and  energy  bands  the  solids  are  broadly  classified
into  three  categories
(i)  Conductors
(ii)  Semiconductors
(iii)  Insulator
SEMI CONDUCTOR - ELECTRONICS
JEEMAIN.GURU
Page 2


J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
1
ENERGY  BANDS  IN  SOLIDS
Based  on  Pauli's  exclusion  principle
In  an  isolated  atom  electrons  present  in  energy  level  but  in  solid,  atoms  are  not  isolated,  there  is  interaction
among  each  other,  due  to  this  energy  level  splitted  into  different  energy  levels.  Quantity  of  these  different
energy  levels  depends  on  the  quantity  of  interacting  atoms.  Splitting  of  sharp  and  closely  compact  energy  levels
result  into  energy  bands.  They  are  discrete  in  nature.  Order  of  energy  levels  in  a  band  is  10
23
  and  their  energy
difference  =  10
–23
  eV.
Energy  Band
Range  of  energy  possessed  by  an  electron  in  a  solid  is  known  as  energy  band.
Valence  Band  (VB)
Range  of  energies  possessed  by  valence  electron  is  known  as  valence  band.
(a)  Have  bonded  electrons.
(b)  No  flow  of  current  due  to  such  electrons.
(c)  Always  fulfill  by  electrons.
Conduction  Band    (CB)
Range  of  energies  possessed  by  free  electron  is  known  as  conduction  band.
(a)  It  has  conducting  electrons.
(b)  Current  flows  due  to  such  electrons.
(c)  If  conduction  band  is  fully  empty  then  current  conduction  is  not  possible.
(d)  Electrons  may  exist  or  not in  it.
Forbidden  Energy  gap  (FEG) ( ?Eg)
? E
g
  = (C  B)
min
  –  (V  B)
max
Energy  gap  between  conduction  band  and  valence  band,  where  no  free  electron  can  exist.
? Width  of  forbidden  energy  gap depends  upon  the  nature  of  substance.          
band energy (eV)
forbidden
energy gap
conduction band
valence band
? Width  is  more,  then  valence  electrons  are  strongly  attached  with  nucleus
? Width  of  forbidden  energy  gap  is  represented  in  eV.
? As  temperature  increases  forbidden  energy  gap  decreases  (very  slightly).
CLASSIFICATION  OF  CONDUCTORS,  INSULATORS  AND  SEMICONDUCTOR  :  -
On  the  basis  of  the  relative  values  of  electrical  conductivity  and  energy  bands  the  solids  are  broadly  classified
into  three  categories
(i)  Conductors
(ii)  Semiconductors
(iii)  Insulator
SEMI CONDUCTOR - ELECTRONICS
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
2
E
Comparison  between  conductor,  semiconductor  and  insulator  :
Properties Conductor Semiconductor Insu lato r
Resistivity 10
–2
  –  10
–8
  ?m 10
–5
  –  10
6
  ?m 10
11
  –  10
19
  ?m
Conductivity 10
2
  –  10
8
  mho/m 10
5
  –  10
–6
  mho/m 10
–11
  –  10
–19
  mho/m
Temp.  Coefficient Positive Negative Negative  (Very  slightly)
of  resistance  ( ?)
Current Due  to  free Due  to  electrons No  current
electrons and  holes
Energy  band  diagram
Overlapping
region
Conductor
V alence Band
No gap
Conduction Band
Electron Energy
   
Sem i conductor
Electron Energy
Conduction Band
V alence Band
Forbidden
E   1ev
g
?
G ap
   
Electron Energy
Forbidden
G ap
Insulator
E   3eV
g
?
V alence Band
Conduction Band
Forbidden  energy  gap ?  0eV ?  1eV ?  3eV
Example  : Pt,  Al,  Cu,  Ag Ge,  Si,  GaAs, Wood,  plastic,
GaF
2
Diamond,  Mica
CONCEPT  OF  "HOLES"  IN  SEMICONDUCTORS
Due  to  external  energy  (temp.  or  radiation)  when  electron  goes  from  valence  band  to  conduction  band  (i.e.
bonded  electrons  becomes  free)  a  vacancy  of  free  e
–
  creats  in  valence  band,
which  has  same  charge  as  electron  but  positive.  This  positively  
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
hole free e
–
charged  vacancy  is  termed  as  hole  and  shown  in  figure.
• It is  deficiency of  electron  in  VB.
• It's  acts  as  positive  charge  carrier.
• It's  effective  mass  is  more  than  electron.
• It's  mobility  is  less  than  electron.
Note  :  Hole  acts  as  virtual  charge  carrier,  although  it  has  no  physical  significance.
GOLDEN  KEY  POINTS
• Number  of  electrons  reaching  from  VB  to  CB  at  temperature  T  kelvin
 
? ?
?
? ?
? ?
g
E  
– 
g 3/2 3 / 2
2kT
E
n =  A T  e AT exp –
2kT
where
k    =  Boltzmann  constant  =  1.38  ?  10
-23
  J/K T  =  absolute  temperature
A  =  constant E
g
  =  energy  gap  between  CB  and  VB
• In  silicon  at  room  temperature  out  of  10
12
  Si  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
• In  germanium  at  room  temperature  out  of  10
9
  Ge  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
JEEMAIN.GURU
Page 3


J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
1
ENERGY  BANDS  IN  SOLIDS
Based  on  Pauli's  exclusion  principle
In  an  isolated  atom  electrons  present  in  energy  level  but  in  solid,  atoms  are  not  isolated,  there  is  interaction
among  each  other,  due  to  this  energy  level  splitted  into  different  energy  levels.  Quantity  of  these  different
energy  levels  depends  on  the  quantity  of  interacting  atoms.  Splitting  of  sharp  and  closely  compact  energy  levels
result  into  energy  bands.  They  are  discrete  in  nature.  Order  of  energy  levels  in  a  band  is  10
23
  and  their  energy
difference  =  10
–23
  eV.
Energy  Band
Range  of  energy  possessed  by  an  electron  in  a  solid  is  known  as  energy  band.
Valence  Band  (VB)
Range  of  energies  possessed  by  valence  electron  is  known  as  valence  band.
(a)  Have  bonded  electrons.
(b)  No  flow  of  current  due  to  such  electrons.
(c)  Always  fulfill  by  electrons.
Conduction  Band    (CB)
Range  of  energies  possessed  by  free  electron  is  known  as  conduction  band.
(a)  It  has  conducting  electrons.
(b)  Current  flows  due  to  such  electrons.
(c)  If  conduction  band  is  fully  empty  then  current  conduction  is  not  possible.
(d)  Electrons  may  exist  or  not in  it.
Forbidden  Energy  gap  (FEG) ( ?Eg)
? E
g
  = (C  B)
min
  –  (V  B)
max
Energy  gap  between  conduction  band  and  valence  band,  where  no  free  electron  can  exist.
? Width  of  forbidden  energy  gap depends  upon  the  nature  of  substance.          
band energy (eV)
forbidden
energy gap
conduction band
valence band
? Width  is  more,  then  valence  electrons  are  strongly  attached  with  nucleus
? Width  of  forbidden  energy  gap  is  represented  in  eV.
? As  temperature  increases  forbidden  energy  gap  decreases  (very  slightly).
CLASSIFICATION  OF  CONDUCTORS,  INSULATORS  AND  SEMICONDUCTOR  :  -
On  the  basis  of  the  relative  values  of  electrical  conductivity  and  energy  bands  the  solids  are  broadly  classified
into  three  categories
(i)  Conductors
(ii)  Semiconductors
(iii)  Insulator
SEMI CONDUCTOR - ELECTRONICS
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
2
E
Comparison  between  conductor,  semiconductor  and  insulator  :
Properties Conductor Semiconductor Insu lato r
Resistivity 10
–2
  –  10
–8
  ?m 10
–5
  –  10
6
  ?m 10
11
  –  10
19
  ?m
Conductivity 10
2
  –  10
8
  mho/m 10
5
  –  10
–6
  mho/m 10
–11
  –  10
–19
  mho/m
Temp.  Coefficient Positive Negative Negative  (Very  slightly)
of  resistance  ( ?)
Current Due  to  free Due  to  electrons No  current
electrons and  holes
Energy  band  diagram
Overlapping
region
Conductor
V alence Band
No gap
Conduction Band
Electron Energy
   
Sem i conductor
Electron Energy
Conduction Band
V alence Band
Forbidden
E   1ev
g
?
G ap
   
Electron Energy
Forbidden
G ap
Insulator
E   3eV
g
?
V alence Band
Conduction Band
Forbidden  energy  gap ?  0eV ?  1eV ?  3eV
Example  : Pt,  Al,  Cu,  Ag Ge,  Si,  GaAs, Wood,  plastic,
GaF
2
Diamond,  Mica
CONCEPT  OF  "HOLES"  IN  SEMICONDUCTORS
Due  to  external  energy  (temp.  or  radiation)  when  electron  goes  from  valence  band  to  conduction  band  (i.e.
bonded  electrons  becomes  free)  a  vacancy  of  free  e
–
  creats  in  valence  band,
which  has  same  charge  as  electron  but  positive.  This  positively  
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
hole free e
–
charged  vacancy  is  termed  as  hole  and  shown  in  figure.
• It is  deficiency of  electron  in  VB.
• It's  acts  as  positive  charge  carrier.
• It's  effective  mass  is  more  than  electron.
• It's  mobility  is  less  than  electron.
Note  :  Hole  acts  as  virtual  charge  carrier,  although  it  has  no  physical  significance.
GOLDEN  KEY  POINTS
• Number  of  electrons  reaching  from  VB  to  CB  at  temperature  T  kelvin
 
? ?
?
? ?
? ?
g
E  
– 
g 3/2 3 / 2
2kT
E
n =  A T  e AT exp –
2kT
where
k    =  Boltzmann  constant  =  1.38  ?  10
-23
  J/K T  =  absolute  temperature
A  =  constant E
g
  =  energy  gap  between  CB  and  VB
• In  silicon  at  room  temperature  out  of  10
12
  Si  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
• In  germanium  at  room  temperature  out  of  10
9
  Ge  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
3
EFFECT  OF  TEMPER ATURE  ON  SEMICONDUCTOR
At  absolute  zero  kelvin  temperature Above  absolute  temperature
At  this  temperautre  covalent  bonds  are  very With    increase  in  temperature  few  valence
strong  and  there  are  no  free  electrons  and electrons  jump  into  conduction  band  and  hence
semiconductor  behaves  as  perfect  insulator.   it  behaves  as  poor  conductor.
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
Conduction band fully em pty
V alence band fully filled
at 0 K
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
Conduction band partially filled
V alence band partially em pty
at high tem perature
hole free e
–
EFFECT    OF  IMPURITY  IN  SEMICONDUCTOR
Doping  is  a  method  of  addition  of  "desirable"  impurity  atoms  to  pure  semiconductor  to  increase  conductivity  of
semiconductor. or
Doping  is  a  process  of  deliberate  addition  of  a  desirable  impurity  atoms  to  a  pure  semiconductor  to  modify  its
properties  in  controlled  manner.
Added  impurity  atoms  are  called  dopants.
The  impurity  added  may  be  ?  1  part  per  million  (ppm).
? The  dopant  atom  should  take  the  position  of  semiconductor  atom  in  the  lattice.
? The  presence  of  the  dopant  atom  should  not  distort  the  crystal  lattice.
? The  size  of  the  dopant  atom  should  be  almost  the  same  as  that  of  the  crystal  atom.
? The  concentration  of  dopant  atoms  should  not  be  large  (not  more  than  1%  of  the  crystal  atom).
It is to be noted that the doping of a semiconductor increases its electrical conductivity to a great extent.
GOLDEN  KEY  POINTS
• The  concentration  of  dopant  atoms  be  very  low,  doping  ratio  is  vary  from
impure  :  pure  ::  1  :  10
6
to 1  :  10
10
In general  it is  1 :  10
8
• There  are  two  main  method  of  doping.
(i)  Alloy  method (ii)  Diffusion  method  (The  best)
• The  size  of  dopant  atom  (impurity)  should  be  almost  the  same  as  that  of  crystal  atom.  So  that  crystalline
structure  of  solid  remain  unchanged.
CLASSIFICA TION OF SEMICONDUCTOR
pentavalent impurity 
(P , As, Sb etc.)
donar impurity (N )
n >> n
D
e h
trivalent impurity 
(Ga, B, In, Al)
acceptor impurity (N )
n >> n
A
h e
Extrinsic sem iconductor (doped semicondutor)
(pure form of Ge, Si)
n = n = n
e h i
N-type  P-type
Intrinsic semiconductor
SEM ICONDUCTOR
JEEMAIN.GURU
Page 4


J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
1
ENERGY  BANDS  IN  SOLIDS
Based  on  Pauli's  exclusion  principle
In  an  isolated  atom  electrons  present  in  energy  level  but  in  solid,  atoms  are  not  isolated,  there  is  interaction
among  each  other,  due  to  this  energy  level  splitted  into  different  energy  levels.  Quantity  of  these  different
energy  levels  depends  on  the  quantity  of  interacting  atoms.  Splitting  of  sharp  and  closely  compact  energy  levels
result  into  energy  bands.  They  are  discrete  in  nature.  Order  of  energy  levels  in  a  band  is  10
23
  and  their  energy
difference  =  10
–23
  eV.
Energy  Band
Range  of  energy  possessed  by  an  electron  in  a  solid  is  known  as  energy  band.
Valence  Band  (VB)
Range  of  energies  possessed  by  valence  electron  is  known  as  valence  band.
(a)  Have  bonded  electrons.
(b)  No  flow  of  current  due  to  such  electrons.
(c)  Always  fulfill  by  electrons.
Conduction  Band    (CB)
Range  of  energies  possessed  by  free  electron  is  known  as  conduction  band.
(a)  It  has  conducting  electrons.
(b)  Current  flows  due  to  such  electrons.
(c)  If  conduction  band  is  fully  empty  then  current  conduction  is  not  possible.
(d)  Electrons  may  exist  or  not in  it.
Forbidden  Energy  gap  (FEG) ( ?Eg)
? E
g
  = (C  B)
min
  –  (V  B)
max
Energy  gap  between  conduction  band  and  valence  band,  where  no  free  electron  can  exist.
? Width  of  forbidden  energy  gap depends  upon  the  nature  of  substance.          
band energy (eV)
forbidden
energy gap
conduction band
valence band
? Width  is  more,  then  valence  electrons  are  strongly  attached  with  nucleus
? Width  of  forbidden  energy  gap  is  represented  in  eV.
? As  temperature  increases  forbidden  energy  gap  decreases  (very  slightly).
CLASSIFICATION  OF  CONDUCTORS,  INSULATORS  AND  SEMICONDUCTOR  :  -
On  the  basis  of  the  relative  values  of  electrical  conductivity  and  energy  bands  the  solids  are  broadly  classified
into  three  categories
(i)  Conductors
(ii)  Semiconductors
(iii)  Insulator
SEMI CONDUCTOR - ELECTRONICS
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
2
E
Comparison  between  conductor,  semiconductor  and  insulator  :
Properties Conductor Semiconductor Insu lato r
Resistivity 10
–2
  –  10
–8
  ?m 10
–5
  –  10
6
  ?m 10
11
  –  10
19
  ?m
Conductivity 10
2
  –  10
8
  mho/m 10
5
  –  10
–6
  mho/m 10
–11
  –  10
–19
  mho/m
Temp.  Coefficient Positive Negative Negative  (Very  slightly)
of  resistance  ( ?)
Current Due  to  free Due  to  electrons No  current
electrons and  holes
Energy  band  diagram
Overlapping
region
Conductor
V alence Band
No gap
Conduction Band
Electron Energy
   
Sem i conductor
Electron Energy
Conduction Band
V alence Band
Forbidden
E   1ev
g
?
G ap
   
Electron Energy
Forbidden
G ap
Insulator
E   3eV
g
?
V alence Band
Conduction Band
Forbidden  energy  gap ?  0eV ?  1eV ?  3eV
Example  : Pt,  Al,  Cu,  Ag Ge,  Si,  GaAs, Wood,  plastic,
GaF
2
Diamond,  Mica
CONCEPT  OF  "HOLES"  IN  SEMICONDUCTORS
Due  to  external  energy  (temp.  or  radiation)  when  electron  goes  from  valence  band  to  conduction  band  (i.e.
bonded  electrons  becomes  free)  a  vacancy  of  free  e
–
  creats  in  valence  band,
which  has  same  charge  as  electron  but  positive.  This  positively  
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
hole free e
–
charged  vacancy  is  termed  as  hole  and  shown  in  figure.
• It is  deficiency of  electron  in  VB.
• It's  acts  as  positive  charge  carrier.
• It's  effective  mass  is  more  than  electron.
• It's  mobility  is  less  than  electron.
Note  :  Hole  acts  as  virtual  charge  carrier,  although  it  has  no  physical  significance.
GOLDEN  KEY  POINTS
• Number  of  electrons  reaching  from  VB  to  CB  at  temperature  T  kelvin
 
? ?
?
? ?
? ?
g
E  
– 
g 3/2 3 / 2
2kT
E
n =  A T  e AT exp –
2kT
where
k    =  Boltzmann  constant  =  1.38  ?  10
-23
  J/K T  =  absolute  temperature
A  =  constant E
g
  =  energy  gap  between  CB  and  VB
• In  silicon  at  room  temperature  out  of  10
12
  Si  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
• In  germanium  at  room  temperature  out  of  10
9
  Ge  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
3
EFFECT  OF  TEMPER ATURE  ON  SEMICONDUCTOR
At  absolute  zero  kelvin  temperature Above  absolute  temperature
At  this  temperautre  covalent  bonds  are  very With    increase  in  temperature  few  valence
strong  and  there  are  no  free  electrons  and electrons  jump  into  conduction  band  and  hence
semiconductor  behaves  as  perfect  insulator.   it  behaves  as  poor  conductor.
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
Conduction band fully em pty
V alence band fully filled
at 0 K
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
Conduction band partially filled
V alence band partially em pty
at high tem perature
hole free e
–
EFFECT    OF  IMPURITY  IN  SEMICONDUCTOR
Doping  is  a  method  of  addition  of  "desirable"  impurity  atoms  to  pure  semiconductor  to  increase  conductivity  of
semiconductor. or
Doping  is  a  process  of  deliberate  addition  of  a  desirable  impurity  atoms  to  a  pure  semiconductor  to  modify  its
properties  in  controlled  manner.
Added  impurity  atoms  are  called  dopants.
The  impurity  added  may  be  ?  1  part  per  million  (ppm).
? The  dopant  atom  should  take  the  position  of  semiconductor  atom  in  the  lattice.
? The  presence  of  the  dopant  atom  should  not  distort  the  crystal  lattice.
? The  size  of  the  dopant  atom  should  be  almost  the  same  as  that  of  the  crystal  atom.
? The  concentration  of  dopant  atoms  should  not  be  large  (not  more  than  1%  of  the  crystal  atom).
It is to be noted that the doping of a semiconductor increases its electrical conductivity to a great extent.
GOLDEN  KEY  POINTS
• The  concentration  of  dopant  atoms  be  very  low,  doping  ratio  is  vary  from
impure  :  pure  ::  1  :  10
6
to 1  :  10
10
In general  it is  1 :  10
8
• There  are  two  main  method  of  doping.
(i)  Alloy  method (ii)  Diffusion  method  (The  best)
• The  size  of  dopant  atom  (impurity)  should  be  almost  the  same  as  that  of  crystal  atom.  So  that  crystalline
structure  of  solid  remain  unchanged.
CLASSIFICA TION OF SEMICONDUCTOR
pentavalent impurity 
(P , As, Sb etc.)
donar impurity (N )
n >> n
D
e h
trivalent impurity 
(Ga, B, In, Al)
acceptor impurity (N )
n >> n
A
h e
Extrinsic sem iconductor (doped semicondutor)
(pure form of Ge, Si)
n = n = n
e h i
N-type  P-type
Intrinsic semiconductor
SEM ICONDUCTOR
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
4
E
N  type  semiconductor
When  a  pure  semiconductor  (Si  or  Ge)  is  doped  by  pentavalent  impurity  (P,  As,  Sb,  Bi)  then  four  electrons  out
of the  five valence  electrons  of  impurity  take  part,  in  covalent bonding,  with  four  silicon atoms  surrounding  it  and
the  fifth  electron  is  set  free.  These  impurity  atoms  which  donate  free  e
–
  for  conduction  are  called  as  Donar
impurity  (N
D
).  Due  to  donar  impurity    free  e
–
  increases  very  much  so  it  is  called  as  "N"  type  semiconductor.  By
donating  e
–
    impurity  atoms  get  positive  charge  and  hence  known  as  "Immobile  Donar  positive  Ion".  In  N-type
semiconductor  free  e
– 
are  called  as  "majority"  charge  carriers  and  "holes"  are  called  as  "minority"  charge  carriers.
Si Si Si Si
Si Si As
Si Si
Si
N-type semiconducting crystal
As As
donar e
–
thermally 
generated e
–
thermally 
generated hole
    
free electrons
positive 
donar ions
N-type semiconductor
minority 
hole
P  type  semiconductor
When  a  pure  semiconductor  (Si  or  Ge)  is  doped  by  trivalent  impurity  (B,  Al,  In,  Ga)  then  outer  most  three
electrons  of  the  valence  band  of  impurity  take  part,  in  covalent  bonding  with  four  silicon  atoms  surrounding  it
and  except  one  electron  from  semiconductor  and  make  hole  in  semiconductor.  These  impurity  atoms  which
accept  bonded  e
–
  from  valance  band  are  called  as  Acceptor  impurity  (N
A
).  Here  holes  increases  very  much  so  it
is  called  as  "P"  type  semiconductor  and  impurity  ions  known  as  "Immobile  Acceptor    negative  Ion".  In  P-type
semiconductor  free  e
–
  are  called  as  minority  charge  carries  and  holes  are  called  as  majority  charge  carriers.
Si Si Si Si
Si Si
Si Si
Si
P-type semiconducting crystal
Al
–
thermally 
generated e
–
thermally 
generated hole
Al
–
Al
–
Extra hole created by
acceptor im purity atom
    
holes
negative
acceptor 
ions
P-type semiconductor
minority e
JEEMAIN.GURU
Page 5


J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
1
ENERGY  BANDS  IN  SOLIDS
Based  on  Pauli's  exclusion  principle
In  an  isolated  atom  electrons  present  in  energy  level  but  in  solid,  atoms  are  not  isolated,  there  is  interaction
among  each  other,  due  to  this  energy  level  splitted  into  different  energy  levels.  Quantity  of  these  different
energy  levels  depends  on  the  quantity  of  interacting  atoms.  Splitting  of  sharp  and  closely  compact  energy  levels
result  into  energy  bands.  They  are  discrete  in  nature.  Order  of  energy  levels  in  a  band  is  10
23
  and  their  energy
difference  =  10
–23
  eV.
Energy  Band
Range  of  energy  possessed  by  an  electron  in  a  solid  is  known  as  energy  band.
Valence  Band  (VB)
Range  of  energies  possessed  by  valence  electron  is  known  as  valence  band.
(a)  Have  bonded  electrons.
(b)  No  flow  of  current  due  to  such  electrons.
(c)  Always  fulfill  by  electrons.
Conduction  Band    (CB)
Range  of  energies  possessed  by  free  electron  is  known  as  conduction  band.
(a)  It  has  conducting  electrons.
(b)  Current  flows  due  to  such  electrons.
(c)  If  conduction  band  is  fully  empty  then  current  conduction  is  not  possible.
(d)  Electrons  may  exist  or  not in  it.
Forbidden  Energy  gap  (FEG) ( ?Eg)
? E
g
  = (C  B)
min
  –  (V  B)
max
Energy  gap  between  conduction  band  and  valence  band,  where  no  free  electron  can  exist.
? Width  of  forbidden  energy  gap depends  upon  the  nature  of  substance.          
band energy (eV)
forbidden
energy gap
conduction band
valence band
? Width  is  more,  then  valence  electrons  are  strongly  attached  with  nucleus
? Width  of  forbidden  energy  gap  is  represented  in  eV.
? As  temperature  increases  forbidden  energy  gap  decreases  (very  slightly).
CLASSIFICATION  OF  CONDUCTORS,  INSULATORS  AND  SEMICONDUCTOR  :  -
On  the  basis  of  the  relative  values  of  electrical  conductivity  and  energy  bands  the  solids  are  broadly  classified
into  three  categories
(i)  Conductors
(ii)  Semiconductors
(iii)  Insulator
SEMI CONDUCTOR - ELECTRONICS
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
2
E
Comparison  between  conductor,  semiconductor  and  insulator  :
Properties Conductor Semiconductor Insu lato r
Resistivity 10
–2
  –  10
–8
  ?m 10
–5
  –  10
6
  ?m 10
11
  –  10
19
  ?m
Conductivity 10
2
  –  10
8
  mho/m 10
5
  –  10
–6
  mho/m 10
–11
  –  10
–19
  mho/m
Temp.  Coefficient Positive Negative Negative  (Very  slightly)
of  resistance  ( ?)
Current Due  to  free Due  to  electrons No  current
electrons and  holes
Energy  band  diagram
Overlapping
region
Conductor
V alence Band
No gap
Conduction Band
Electron Energy
   
Sem i conductor
Electron Energy
Conduction Band
V alence Band
Forbidden
E   1ev
g
?
G ap
   
Electron Energy
Forbidden
G ap
Insulator
E   3eV
g
?
V alence Band
Conduction Band
Forbidden  energy  gap ?  0eV ?  1eV ?  3eV
Example  : Pt,  Al,  Cu,  Ag Ge,  Si,  GaAs, Wood,  plastic,
GaF
2
Diamond,  Mica
CONCEPT  OF  "HOLES"  IN  SEMICONDUCTORS
Due  to  external  energy  (temp.  or  radiation)  when  electron  goes  from  valence  band  to  conduction  band  (i.e.
bonded  electrons  becomes  free)  a  vacancy  of  free  e
–
  creats  in  valence  band,
which  has  same  charge  as  electron  but  positive.  This  positively  
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
hole free e
–
charged  vacancy  is  termed  as  hole  and  shown  in  figure.
• It is  deficiency of  electron  in  VB.
• It's  acts  as  positive  charge  carrier.
• It's  effective  mass  is  more  than  electron.
• It's  mobility  is  less  than  electron.
Note  :  Hole  acts  as  virtual  charge  carrier,  although  it  has  no  physical  significance.
GOLDEN  KEY  POINTS
• Number  of  electrons  reaching  from  VB  to  CB  at  temperature  T  kelvin
 
? ?
?
? ?
? ?
g
E  
– 
g 3/2 3 / 2
2kT
E
n =  A T  e AT exp –
2kT
where
k    =  Boltzmann  constant  =  1.38  ?  10
-23
  J/K T  =  absolute  temperature
A  =  constant E
g
  =  energy  gap  between  CB  and  VB
• In  silicon  at  room  temperature  out  of  10
12
  Si  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
• In  germanium  at  room  temperature  out  of  10
9
  Ge  atoms  only  one  electron  goes  from  VB  to  CB.
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
3
EFFECT  OF  TEMPER ATURE  ON  SEMICONDUCTOR
At  absolute  zero  kelvin  temperature Above  absolute  temperature
At  this  temperautre  covalent  bonds  are  very With    increase  in  temperature  few  valence
strong  and  there  are  no  free  electrons  and electrons  jump  into  conduction  band  and  hence
semiconductor  behaves  as  perfect  insulator.   it  behaves  as  poor  conductor.
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
Conduction band fully em pty
V alence band fully filled
at 0 K
Si Si Si Si
Si Si Si
Si Si Si Si
Si
Conduction band partially filled
V alence band partially em pty
at high tem perature
hole free e
–
EFFECT    OF  IMPURITY  IN  SEMICONDUCTOR
Doping  is  a  method  of  addition  of  "desirable"  impurity  atoms  to  pure  semiconductor  to  increase  conductivity  of
semiconductor. or
Doping  is  a  process  of  deliberate  addition  of  a  desirable  impurity  atoms  to  a  pure  semiconductor  to  modify  its
properties  in  controlled  manner.
Added  impurity  atoms  are  called  dopants.
The  impurity  added  may  be  ?  1  part  per  million  (ppm).
? The  dopant  atom  should  take  the  position  of  semiconductor  atom  in  the  lattice.
? The  presence  of  the  dopant  atom  should  not  distort  the  crystal  lattice.
? The  size  of  the  dopant  atom  should  be  almost  the  same  as  that  of  the  crystal  atom.
? The  concentration  of  dopant  atoms  should  not  be  large  (not  more  than  1%  of  the  crystal  atom).
It is to be noted that the doping of a semiconductor increases its electrical conductivity to a great extent.
GOLDEN  KEY  POINTS
• The  concentration  of  dopant  atoms  be  very  low,  doping  ratio  is  vary  from
impure  :  pure  ::  1  :  10
6
to 1  :  10
10
In general  it is  1 :  10
8
• There  are  two  main  method  of  doping.
(i)  Alloy  method (ii)  Diffusion  method  (The  best)
• The  size  of  dopant  atom  (impurity)  should  be  almost  the  same  as  that  of  crystal  atom.  So  that  crystalline
structure  of  solid  remain  unchanged.
CLASSIFICA TION OF SEMICONDUCTOR
pentavalent impurity 
(P , As, Sb etc.)
donar impurity (N )
n >> n
D
e h
trivalent impurity 
(Ga, B, In, Al)
acceptor impurity (N )
n >> n
A
h e
Extrinsic sem iconductor (doped semicondutor)
(pure form of Ge, Si)
n = n = n
e h i
N-type  P-type
Intrinsic semiconductor
SEM ICONDUCTOR
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
4
E
N  type  semiconductor
When  a  pure  semiconductor  (Si  or  Ge)  is  doped  by  pentavalent  impurity  (P,  As,  Sb,  Bi)  then  four  electrons  out
of the  five valence  electrons  of  impurity  take  part,  in  covalent bonding,  with  four  silicon atoms  surrounding  it  and
the  fifth  electron  is  set  free.  These  impurity  atoms  which  donate  free  e
–
  for  conduction  are  called  as  Donar
impurity  (N
D
).  Due  to  donar  impurity    free  e
–
  increases  very  much  so  it  is  called  as  "N"  type  semiconductor.  By
donating  e
–
    impurity  atoms  get  positive  charge  and  hence  known  as  "Immobile  Donar  positive  Ion".  In  N-type
semiconductor  free  e
– 
are  called  as  "majority"  charge  carriers  and  "holes"  are  called  as  "minority"  charge  carriers.
Si Si Si Si
Si Si As
Si Si
Si
N-type semiconducting crystal
As As
donar e
–
thermally 
generated e
–
thermally 
generated hole
    
free electrons
positive 
donar ions
N-type semiconductor
minority 
hole
P  type  semiconductor
When  a  pure  semiconductor  (Si  or  Ge)  is  doped  by  trivalent  impurity  (B,  Al,  In,  Ga)  then  outer  most  three
electrons  of  the  valence  band  of  impurity  take  part,  in  covalent  bonding  with  four  silicon  atoms  surrounding  it
and  except  one  electron  from  semiconductor  and  make  hole  in  semiconductor.  These  impurity  atoms  which
accept  bonded  e
–
  from  valance  band  are  called  as  Acceptor  impurity  (N
A
).  Here  holes  increases  very  much  so  it
is  called  as  "P"  type  semiconductor  and  impurity  ions  known  as  "Immobile  Acceptor    negative  Ion".  In  P-type
semiconductor  free  e
–
  are  called  as  minority  charge  carries  and  holes  are  called  as  majority  charge  carriers.
Si Si Si Si
Si Si
Si Si
Si
P-type semiconducting crystal
Al
–
thermally 
generated e
–
thermally 
generated hole
Al
–
Al
–
Extra hole created by
acceptor im purity atom
    
holes
negative
acceptor 
ions
P-type semiconductor
minority e
JEEMAIN.GURU
J E E - P h y s i c s
E:\Data\2014\Kota\JEE-Advanced\SMP\Phy\Electronics\Eng\1. Electronics-Semi Conductor Theory.p65
E
5
  Intrinsic  Semiconductor N-type  (Pentavalent  impurity) P-type(Trivalent  impurity)
  1.
CB
VB
CB
VB
donor 
impurity 
level
CB
VB
acceptor
impurity 
level
  2.
free 
electron
positive 
donar ion
hole
negative
acceptor 
ion
  3. Current  due  to Mainly  due  to  electrons Mainly  due  to  holes
electron  and  hole
  4. n
e
 =  n
h
  =  n
i
n
h
 <<  n
e
  (N
D
   ~  n
e
) n
h
 >>  n
e
  (N
A
   ~  n
h
)
  5. I = I
e
 + I
h
I ~ I
e
I ~  I
h
  6. Entirely  neutral Entirely  neutral Entirely  neutral
  7. Quantity  of  electrons Majority  -  Electrons Majority  -  Holes
and  holes  are  equal Minority  -  Holes Minority  -  Electrons
Mass  action  Law
In  semiconductors  due  to  thermal  effect,  generation  of  free  e
–
  and  hole  takes  place.
Apart from the process of generation, recombination also occurs simultaneously, in which free e
–
 further  recombine
with  hole.
At  equilibrium  rate  of  generation  of  charge  carries  is  equal  to  rate  of  recombination  of  charge  carrier.
The recombination occurs  due to  e
–
  colliding with  a hole,  larger  value of  n
e
 
or  n
h
,
 
higher  is  the probability  of  their
recombination.
Hence for a given s emiconductor rate of recombination ?  n
e
  ×    n
h
so rate  of  recombination  =  R  n
e
  ×    n
h
R  =  recombination  coefficient,
The  value  of  R  remains  constant  for  a  solid,  according  to  the  law  of  thermodynamics  until  crystalline  lattice
structure  remains  same.
For  intrinsic  semiconductor  n
e
  =  n
h
  =  n
i
so rate  of  recombination  =  R  n
i
2
R n
e
 ×  n
h
  = R  n
i
2
? ? n
i
2
 =  n
e
  ×    n
h
Under  thermal  equilibrium,  the  product  of  the  concentration  'n
e
'  of  free  electrons  and  the  concentration  n
h
  of
holes  is  a  constant  and  it  is  independent  of  the  amount  of  doping  by  acceptor  and  donor  impurities.
Thus  from mass  action  law  ? ?
2
e h 1
n n n
JEEMAIN.GURU
Read More
Offer running on EduRev: Apply code STAYHOME200 to get INR 200 off on our premium plan EduRev Infinity!

Related Searches

mock tests for examination

,

Semi Conductors JEE Notes | EduRev

,

pdf

,

MCQs

,

Semi Conductors JEE Notes | EduRev

,

Semi Conductors JEE Notes | EduRev

,

Free

,

Exam

,

Previous Year Questions with Solutions

,

shortcuts and tricks

,

Viva Questions

,

Objective type Questions

,

Semester Notes

,

Important questions

,

video lectures

,

study material

,

Sample Paper

,

Extra Questions

,

Summary

,

ppt

,

practice quizzes

,

past year papers

;