图书目录

CONTENTS

Preface xiii

PA R T 1

Materials 1

Chapter 1

Electron Energy and States in

Semiconductors 3

1.1 Introduction and Preview 3

1.2 A Brief History 4

1.3 Application to the Hydrogen Atom 5

1.3.1 The Bohr Model for the Hydrogen

Atom 5

1.3.2 Application to Molecules: Covalent

Bonding 11

1.3.3 Quantum Numbers and the Pauli

Exclusion Principle 13

1.3.4 Covalent Bonding in Crystalline

Solids 14

1.4 Wave-Particle Duality 20

1.5 The Wave Function 22

1.5.1 Probability and the Wave Function 22

1.6 The Electron Wave Function 23

1.6.1 The Free Electron in One

Dimension 23

1.6.2 The de Broglie Relationship 25

*1.6.3 The Free Electron in Three

Dimensions 26

1.6.4 The Quasi-Free Electron Model 27

1.6.5 Reflection and Tunneling 32

1.7 A First Look at Optical Emission and

Absorption 33

1.8 Crystal Structures, Planes,

and Directions 39

1.9 Summary 41

1.10 Reading List 42

1.11 References 42

1.12 Review Questions 42

1.13 Problems 43

Chapter 2

Homogeneous Semiconductors 48

2.1 Introduction and Preview 48

2.2 Pseudo-Classical Mechanics for Electrons

in Crystals 49

2.2.1 One-Dimensional Crystals 49

*2.2.2 Three-Dimensional Crystals 55

2.3 Conduction Band Structure 56

2.4 Valence Band Structure 58

2.5 Intrinsic Semiconductors 59

2.6 Extrinsic Semiconductors 62

2.6.1 Donors 62

2.6.2 Acceptors 66

2.7 The Concept of Holes 67

2.7.1 Hole Charge 67

*2.7.2 Effective Mass of Holes 69

2.8 Density-of-States Functions for Electrons

in Bands 71

2.8.1 Density of States and Density-of-States

Effective Mass 71

2.9 Fermi-Dirac Statistics 73

2.9.1 Fermi-Dirac Statistics for Electrons and

Holes in Bands 73

2.10 Electron and Hole Distributions with

Energy 76

*2.11 Temperature Dependence of Carrier

Concentrations in Nondegenerate

Semiconductors 89

*2.11.1 Carrier Concentrations at High

Temperatures 89

*2.11.2 Carrier Concentrations at Low

Temperatures (Carrier Freeze-out) 93

2.12 Degenerate Semiconductors 94

2.12.1 Impurity-Induced Band-Gap

Narrowing 94

2.12.2 Apparent Band-Gap Narrowing 97

2.12.3 Carrier Concentrations in Degenerate

Semiconductors 99

2.13 Summary 100

2.13.1 Nondegenerate Semiconductors 101

2.13.2 Degenerate Semiconductors 102

2.14 Reading List 103

2.15 References 103

2.16 Review Questions 103

2.17 Problems 104

Chapter 3

Current Flow in Homogeneous

Semiconductors 111

3.1 Introduction 111

3.2 Drift Current 111

3.3 Carrier Mobility 115

3.3.1 Carrier Scattering 119

3.3.2 Scattering Mobility 121

3.3.3 Impurity Band Mobility 122

3.3.4 Temperature Dependence

of Mobility 124

3.3.5 High-Field Effects 124

3.4 Diffusion Current 128

3.5 Carrier Generation and

Recombination 131

3.5.1 Band-to-Band Generation and

Recombination 133

3.5.2 Two-Step Processes 133

3.6 Optical Processes in Semiconductors 133

*3.6.1 Absorption 133

*3.6.2 Emission 137

vi Contents

3.7 Continuity Equations 139

3.8 Minority Carrier Lifetime 142

3.8.1 Rise Time 144

3.8.2 Fall Time 144

3.9 Minority Carrier Diffusion Lengths 147

3.10 Quasi Fermi Levels 149

3.11 Summary 152

3.12 Reading List 154

3.13 References 154

3.14 Review Questions 154

3.15 Problems 155

Chapter 4

Nonhomogeneous

Semiconductors 159

4.1 Constancy of the Fermi Level at

Equilibrium 159

4.2 Graded Doping 161

4.2.1 The Einstein Relation 165

4.2.2 A Graded-Base Transistor 166

*4.3 Nonuniform Composition 170

*4.4 Graded Doping and Graded Composition

Combined 173

4.5 Summary 175

4.6 Reading List 175

4.7 References 175

4.8 Review Questions 176

4.9 Problems 176

Supplement to Part 1

Materials 179

Supplement 1A

Introduction to Quantum

Mechanics 180

S1A.1 Introduction 180

S1A.2 The Wave Function 180

S1A.3 Probability and the Wave Function 182

*S1A.3.1 Particle in a One-Dimensional

Potential Well 182

Contents vii

S1A.4 Schroedinger¡¯s Equation 184

S1A.5 Applying Schroedinger¡¯s Equation to

Electrons 185

S1A.6 Some Results from Quantum

Mechanics 187

S1A.6.1 The Free Electron 187

S1A.6.2 The Quasi-Free Electron 188

S1A.6.3 The Potential Energy

Well 189

S1A.6.4 The Infinite Potential Well in

One Dimension 191

S1A.6.5 Reflection and Transmission at a

Finite Potential Barrier 194

S1A.6.6 Tunneling 196

S1A.6.7 The Finite Potential Well 203

S1A.6.8 The Hydrogen Atom

Revisited 205

S1A.6.9 The Uncertainty Principle 206

S1A.7 Summary 210

S1A.8 Review Questions 211

S1A.9 Problems 211

Supplement 1B

Additional Topics on Materials 215

S1B.1 Measurement of Carrier Concentration

and Mobility 215

S1B.1.1 Resistivity Measurement 215

S1B.1.2 Hall Effect 216

S1B.2 Fermi-Dirac Statistics for Electrons in

Bound States 219

S1B.3 Carrier Freeze-out in

Semiconductors 222

S1B.4 Phonons 223

*S1B.4.1 Carrier Scattering

by Phonons 228

S1B.4.2 Indirect Electron

Transitions 230

S1B.5 Summary 232

S1B.6 Reading List 232

S1B.7 References 232

S1B.8 Review Questions 232

S1B.9 Problems 233

PA R T 2

Diodes 235

Chapter 5

Prototype pn Homojunctions 239

5.1 Introduction 239

5.2 Prototype pn Junctions

(Qualitative) 241

5.2.1 Energy Band Diagrams of Prototype

Junctions 241

5.2.2 Description of Current Flow in a pn

Homojunction 248

5.3 Prototype pn Homojunctions

(Quantitative) 253

5.3.1 Energy Band Diagram at Equilibrium

(Step Junction) 253

5.3.2 Energy Band Diagram with Applied

Voltage 256

5.3.3 Current-Voltage Characteristics of

pn Homojunctions 263

5.3.4 Reverse-Bias Breakdown 284

5.4 Small-Signal Impedance of Prototype

Homojunctions 286

5.4.1 Junction Resistance 286

5.4.2 Junction Capacitance 288

5.4.3 Stored-Charge

Capacitance 290

5.5 Transient Effects 294

5.5.1 Turn-off Transient 294

5.5.2 Turn-on Transient 297

5.6 Effects of Temperature 301

5.7 Summary 301

5.7.1 Built-in Voltage 302

5.7.2 Junction Width 302

5.7.3 Junction Current 303

5.7.4 Junction Breakdown 304

5.7.5 Capacitance 305

5.7.6 Transient Effects 305

5.8 Reading List 305

5.9 Review Questions 306

5.10 Problems 306

viii Contents

Chapter 6

Additional Considerations

for Diodes 311

6.1 Introduction 311

6.2 Nonstep Homojunctions 311

*6.2.1 Linearly Graded Junctions 314

6.2.2 Hyperabrupt Junctions 317

6.3 Semiconductor Heterojunctions 317

6.3.1 The Energy Band Diagrams of

Semiconductor-Semiconductor

Heterojunctions 317

6.3.2 Effects of Interface States 327

*6.3.3 Effects of Lattice Mismatch on

Heterojunctions 329

6.4 Metal-Semiconductor Junctions 331

6.4.1 Ideal Metal-Semiconductor Junctions

(Electron Affinity Model) 331

6.4.2 Influence of Interface-Induced

Dipoles 331

6.4.3 The Current-Voltage Characteristics of

Metal-Semiconductor Junctions 334

6.4.4 Ohmic (Low-Resistance)

Contacts 337

6.4.5 I -Va Characteristics of Heterojunction

Diodes 339

*6.5 Capacitance in Nonideal Junctions and

Heterojunctions 339

6.6 Summary 340

6.7 Reading List 340

6.8 References 340

6.9 Review Questions 341

6.10 Problems 341

Supplement to Part 2

Diodes 346

S2.1 Introduction 346

S2.2 Dielectric Relaxation Time 346

S2.2.1 Case 1: Dielectric Relaxation Time for

Injection of Majority Carriers 347

S2.2.2 Case 2: Injection of Minority

Carriers 349

S2.3 Junction Capacitance 350

S2.3.1 Junction Capacitance in a Prototype

(Step) Junction 350

S2.3.2 Junction Capacitance in a Nonuniformly

Doped Junction 352

S2.3.3 Varactors 353

S2.3.4 Stored-Charge Capacitance of Short-

Base Diodes 354

S2.4 Second-Order Effects in Schottky

Diodes 356

S2.4.1 Tunneling Through Schottky

Barriers 357

S2.4.2 Barrier Lowering in Schottky Diodes

Due to the Image Effect 359

S2.5 SPICE Model for Diodes 361

S2.5.1 The Use of SPICE as a

Curve Tracer 362

S2.5.2 Transient Analysis 365

S2.6 Summary 368

S2.7 Reading List 368

S2.8 References 369

S2.9 Problems 369

PA R T 3

Field-Effect Transistors 373

Chapter 7

The MOSFET 385

7.1 Introduction 385

7.2 MOSFETs (Qualitative) 385

7.2.1 Introduction to MOS Capacitors 386

7.2.2 MOSFETs at Equilibrium

(Qualitative) 390

7.2.3 MOSFETs Not at Equilibrium

(Qualitative) 392

7.3 MOSFETs (Quantitative) 403

7.3.1 Long-Channel MOSFET Model with

Constant Mobility 404

7.3.2 More Realistic Long-Channel Models:

Effect of Fields on the Mobility 417

*7.3.3 Series Resistance 432

Contents ix

7.4 Comparison of Models with

Experiment 434

7.5 Summary 435

7.6 Reading List 438

7.7 References 438

7.8 Review Questions 438

7.9 Problems 439

Chapter 8

Additional Considerations

for FETs 442

8.1 Introduction 442

8.2 Measurement of Threshold Voltage and

Low-Field Mobility 443

8.3 Subthreshold Leakage Current 445

8.4 Complementary MOSFETs (CMOS) 448

8.4.1 Operation of the Inverter 449

*8.4.2 Matching of CMOS devices 450

8.5 Switching in CMOS Inverter

Circuits 452

8.5.1 Effect of Load Capacitance 452

8.5.2 Propagation (Gate) Delay in Switching

Circuits 454

8.5.3 Pass-through Current in CMOS

Switching 457

8.6 MOSFET Equivalent Circuit 457

8.6.1 Small-Signal Equivalent

Circuit 458

8.6.2 CMOS Amplifiers 463

8.7 Unity Current Gain Cutoff

Frequency fT 463

*8.8 Short-Channel Effects 464

8.8.1 Dependence of Effective Channel

Length on VDS 464

8.8.2 Dependence of Threshold Voltage on

the Drain Voltage 466

8.9 MOSFET Scaling 467

8.10 Silicon on Insulator (SOI) 469

8.11 Other FETs 473

8.11.1 Heterojunction Field-Effect

Transistors (HFETs) 473

8.11.2 MESFETs 476

8.11.3 Junction Field-Effect Transistors

(JFETs) 481

8.11.4 Bulk Channel FETs:

Quantitative 482

8.12 Summary 485

8.13 Reading List 486

8.14 References 486

8.15 Review Questions 487

8.16 Problems 487

Supplement to Part 3

Field-Effect Transistors 491

S3.1 Introduction 491

S3.2 Comments on the Formulation for the

Channel Charge Qch 491

S3.2.1 Effect of Varying Depletion Width on

the Channel Charge 491

S3.2.2 Dependence of the Channel

Charge Qch on the Longitudinal

Field L 493

S3.3 Threshold Voltage for MOSFETs 495

S3.3.1 Fixed Charge 497

S3.3.2 Interface Trapped Charge 497

S3.3.3 Bulk Charge 498

S3.3.4 Effect of Charges on the Threshold

Voltage 498

S3.3.5 Flat Band Voltage 499

S3.3.6 Threshold Voltage Control 502

*S3.3.7 Channel Quantum Effects 504

S3.4 Universal Relations for Low-Field

Mobility 507

S3.5 Measurement of VT 509

*S3.6 Alternative Method to Determine VT and

¦Ìlf Applicable to Long-Channel

MOSFETs 513

S3.7 MOS Capacitors 514

S3.7.1 Ideal MOS Capacitance 515

S3.7.2 The C-VG Characteristics of Real

MOS Capacitors 520

S3.7.3 Parameter Analyses from C-VG

Measurements 521

x Contents

*S3.8 MOS Capacitor Hybrid

Diagrams 521

*S3.8.1 Dynamic Random-Access Memories

(DRAMs) 525

*S3.8.2 Charge-Coupled Devices

(CCDs) 527

*S3.9 Device Degradation 530

*S3.9.1 Lightly Doped Drain (LDD)

MOSFETs 534

*S3.10 Low-Temperature Operation of

MOSFETs 535

*S3.11 Applications of SPICE to

MOSFETs 538

S3.11.1 Examples of the Use of SPICE with

MOSFETs 539

S3.11.2 Determining the Transient

Characteristics of a CMOS Digital

Inverter 543

S3.12 Summary 545

S3.13 Reading List 546

S3.14 References 546

S3.15 Review Questions 547

S3.16 Problems 547

PA R T 4

Bipolar Junction

Transistors 551

Chapter 9

Bipolar Junction Devices:

Statics 557

9.1 Introduction 557

9.2 Output Characteristics

(Qualitative) 561

9.3 Current Gain 563

9.4 Model of a Prototype BJT 564

9.4.1 Collection Efficiency M 567

9.4.2 Injection Efficiency ¦Ã 568

9.4.3 Base Transport Efficiency ¦ÁT 570

9.5 Doping Gradients in BJTs 575

9.5.1 The Graded-Base Transistor 578

9.5.2 Effect of Base Field on ¦Â 582

9.6 The Basic Ebers-Moll DC Model 583

9.7 Current Crowding and Base Resistance

in BJTs 586

9.8 BaseWidth Modulation (Early Effect) 590

9.9 Avalanche Breakdown 594

9.10 High Injection 594

9.11 Base Push-out (Kirk) Effect 595

9.12 Recombination in the Emitter-Base

Junction 597

9.13 Summary 598

9.14 Reading List 599

9.15 References 599

9.16 Review Questions 600

9.17 Problems 601

Chapter 10

Time-Dependent Analysis

of BJTs 607

10.1 Introduction 607

10.2 Ebers-Moll AC Model 607

10.3 Small-Signal Equivalent Circuits 609

10.3.1 Hybrid-Pi Models 611

10.4 Stored-Charge Capacitance

in BJTs 615

10.5 Frequency Response 620

10.5.1 Unity Current Gain

Frequency fT 621

10.5.2 Base Transit Time 623

10.5.3 Base-Collector Transit Time, tBC 624

10.5.4 Maximum Oscillation

Frequency fmax 625

10.6 High-Frequency Transistors 625

10.6.1 Double Poly Si Self-Aligned

Transistor 625

10.7 BJT Switching Transistor 628

10.7.1 Output Low-to-High Transition

Time 629

Contents xi

10.7.2 Schottky-Clamped

Transistor 631

10.7.3 Emitter-Coupled Logic 632

10.8 BJTs, MOSFETs, and BiMOS 635

10.8.1 Comparison of BJTs and

MOSFETs 635

10.8.2 BiMOS 636

10.9 Summary 638

10.10 Reading List 639

10.11 References 639

10.12 Review Questions 639

10.13 Problems 639

Supplement to Part 4

Bipolar Devices 642

S4.1 Introduction 642

S4.2 Heterojunction Bipolar

Transistors (HBTs) 642

S4.2.1 Uniformly Doped HBT 644

S4.2.2 Graded-Composition HBT 646

S4.3 Comparison of Si-Base, SiGe-Base, and

GaAs-Base HBTs 649

S4.4 Thyristors (npnp Switching

Devices) 650

S4.4.1 Four-Layer Diode Switch 650

S4.4.2 Two-Transistor Model of an npnp

Switch 652

S4.5 Silicon Controlled Rectifiers (SCRs) 654

S4.6 Parasitic pnpn Switching in CMOS

Circuits 658

S4.7 Applications of SPICE to BJTs 658

S4.7.1 Parasitic Effects 661

S4.7.2 Low to Medium Currents 661

S4.7.3 High Currents 663

S4.8 Examples of the Application of SPICE

to BJTs 664

S4.9 Summary 669

S4.10 References 670

S4.11 Review Questions 670

S4.12 Problems 671

PA R T 5

Optoelectronic Devices 673

Chapter 11

Optoelectronic Devices 675

11.1 Introduction and Preview 675

11.2 Photodetectors 675

11.2.1 Generic Photodetector 675

*11.2.2 Solar Cells 683

11.2.3 The p-i-n (PIN) Photodetector 689

11.2.4 Avalanche Photodiodes 691

11.3 Light-Emitting Diodes 692

11.3.1 Spontaneous Emission in a Forward-

Biased Junction 692

*11.3.2 Isoelectronic Traps 694

11.3.3 Blue LEDs and White

LEDs 696

11.3.4 Infrared LEDs 696

11.4 Laser Diodes 702

11.4.1 Optical Gain 703

11.4.2 Feedback 706

11.4.3 Gain + Feedback  Laser 709

11.4.4 Laser Structures 710

11.4.5 Other Semiconductor Laser

Materials 714

11.5 Image Sensors 715

11.5.1 Charge-Coupled Image

Sensors 715

11.5.2 MOS Image Sensors 717

11.6 Summary 718

11.7 Reading List 719

11.8 References 719

11.9 Review Questions 719

11.10 Problems 720

Appendices

Appendix A Constants 724

Appendix B List of Symbols 725

PREFACE

This is a textbook on the operating principles of semiconductor devices. It

is appropriate for undergraduate (junior or senior) or beginning graduate

students in electrical engineering as well as students of computer engineering,

physics, and materials science. It is also useful as a reference for practicing

engineers and scientists who are involved with modern semiconductor

devices.

Prerequisites are courses in chemistry and physics and in basic electric circuits,

which are normally taken in the freshman and sophomore years.

This text is appropriate for a two-semester course on semiconductor devices.

However, it can be used for a one-semester course by eliminating some of the

more advanced material and assigning some of the sections as ¡°read only.¡± The

authors have attempted to organize the material so that some of the detailed

derivation sections can be skipped without affecting the comprehension of other

sections. Some of these sections are marked with an asterisk.

This book is divided into five parts:

1. Materials

2. Diodes

3. Field-Effect Transistors

4. Bipolar Transistors

5. Optoelectronic Devices

The first four parts are followed by ¡°Supplements¡± that, while not required

for an understanding of the basic principles of device operation, contain related

material that may be assigned at the discretion of the instructor. For example, the

use of SPICE for device and circuit analysis is briefly discussed for diodes, fieldeffect

transistors, and bipolar transistors. While SPICE is normally taught in

courses on electric circuits, it is useful to know the origin of the various parameters

used to characterize devices. This material on SPICE is relegated to supplements,

since not all schools cover SPICE in courses on electron circuit analysis

and such courses may be taught before, concurrently with, or after the course on

semiconductor devices.

Part 1, ¡°Materials,¡± contains four chapters and two supplements. The first

two chapters contain considerable review material from the prerequisite

courses. This material is included since it is used extensively in later chapters to

explain the principles of device operations. Depending on the detailed content

of the prerequisite courses, much of these chapters can be relegated to reading

assignments.

xiii

xiv Preface

The level of quantum mechanics to be covered in a course like this varies

widely. In this book some basic concepts are included in the main chapters of

Part 1; those wishing to cover quantum mechanics in more detail will find more

extensive material in Supplement A to Part 1.

The basic operating principles of large and small devices of a particular type

(e.g., diodes, field-effect transistors, bipolar junction transistors, photodetectors)

are the same. However, the relative importance of many of the parameters involved

in device operation depends on the device dimensions. In this book the

general behavior of devices of large dimensions is treated first. We treat, in each

case, ¡°prototype¡± devices (such as step junctions and long-channel field-effect

transistors), from which the fundamental physics can be learned, and then develop

more realistic models considering ¡°second-order effects.¡± These secondorder

effects can have significant influence on the electrical characteristics of

modern, small-geometry devices. The instructor can go into as much depth as desired

or as time permits.

Topics treated that are typically omitted in undergraduate texts are:

¡ö The differences between the electron and hole effective masses as used in

density-of-state calculations and conductivity calculations.

¡ö The differences in electron and hole mobilities (and thus diffusion

coefficients) if they are majority carriers or minority carriers.

¡ö The effects of doping gradients in the base of bipolar junction transistors

(and/or the composition in heterojunction BJTs) on the current gain and

switching speed.

¡ö Band-gap reduction in degenerate semiconductors. While this has little

effect on the electrical characteristics of diodes or field-effect transistors,

its effect in the emitter of bipolar junction transistors reduces the current

gain by an order of magnitude.

¡ö The velocity saturation effects due to the longitudinal field in the channel

of modern field-effect transistors with submicrometer channel lengths

reduces the current by an order of magnitude compared with that calculated

if this effect is neglected.

While the major emphasis is on silicon and silicon devices, the operation of

compound semiconductor devices, alloyed devices (e.g., SiGe, AlGaAs) and

heterojunction devices (junctions between semiconductors of different composition)

are also considered because of the increased performance that is possible

with such band-gap engineering.

Many of the seminal publications on semiconductor devices cited in the references

at the end of each chapter through 1990 are reprinted in Semiconductor

Devices: Pioneering Papers, edited by S. M. Sze, World Scientific Publishing

Co., Singapore, 1991.

Fabrication, while an important part of semiconductor engineering, is often

skipped in the interest of time. This material is introduced in Appendix C, and

can be assigned as read-only material if desired.

Preface xv

ACKNOWLEDGEMENTS

We would like to thank, first and foremost, our spouses Bill and Claire for their

love, support, patience, and help. We are also grateful to the anonymous manuscript

reviewers for their comments and suggestions, as well as the staff at

McGraw-Hill for all their help. We thank our students for valuable feedback on

the manuscript. Finally, we would like to thank all the companies and individuals

that provided photographs and data for this book.

Anderson & Anderson

P A R T 1

Materials

Semiconductors form the basis of most modern electronic systems (e.g.,

computers, communication networks, control systems). While there are

applications for other materials in electronics (e.g., magnetic materials

in hard drives), this book concentrates on electronic devices that are based on

semiconductors.

Understanding the operation and design of semiconductor devices begins

with an understanding of the materials involved. In Part 1 of this book, we investigate

the behavior of electrons in materials, starting with the atoms themselves.

Then we progress to electrons in crystalline semiconductors.

We will see that classical mechanics does not provide a complete picture of

electron activity in solids. In principle one should instead use quantum mechanics

to predict the electrons¡¯ behavior, but the application of quantum mechanics

is not as simple as the more familiar classical or Newtonian mechanics. We will

therefore introduce pseudo-classical mechanics, which modifies familiar classical

equations to account for some quantum mechanical effects.

Some basic quantum mechanical concepts important for the understanding of

device operation are covered in Chapter 1. (A more thorough discussion is contained

in Supplement A to Part 1, found after Chapter 4.) In Chapter 2, we cover

pseudo-classical mechanics, which allows us to predict the reaction of electrons

to complicated fields, while using simple and intuitive pseudo-classical equations.

The use of pseudo-classical mechanics will also allow us to draw and use

energy band diagrams. These diagrams are indispensable for understanding and

predicting the motion of the electrons and holes, and thus the current in

semiconductors.

In Chapter 3, we will see that conductivity of semiconductors is controlled

by the number of charge carriers available to carry current. The charge carriers in

semiconductors are electrons and holes. Their numbers are controlled by the concentrations

of impurity elements that are intentionally added to the material. The

carrier concentrations also depend on temperature, and if light is shining on the

sample, the concentrations can also vary.

2 PART 1 Materials

It will emerge that there are two major forms of current in semiconductors,

drift current and diffusion current. Drift current is caused by the presence of an

electric field, whereas diffusion current arises when the carrier concentrations

vary with position.

Chapter 4 covers nonhomogeneous semiconductor materials, in which the

doping or the material composition itself may vary. These variations can lead to

internal electric fields that can enhance device performance. Most modern semiconductor

devices have regions of such nonhomogeneous materials.

The Supplements to Part 1 contain additional topics relevant to semiconductor

materials, including a more detailed discussion of quantum mechanics, the

statistics of electrons in bound states, and phonons.

We will start with electrons in atoms. ¡ö

C H A P T E R 1

Electron Energy and

States in Semiconductors

1.1 INTRODUCTION AND PREVIEW

We begin our study of semiconductors with some fundamental physics of how

electrons behave in matter. The ability to control the movement of electrons in

solids is the basis of semiconductor device engineering. In order to understand

the electronic properties of these devices, it is necessary to understand the electronic

properties of the materials from which they are made, and how those properties

are affected by impurities (intentional and unintentional), temperature,

applied voltages, device structures, and optical radiation.

Since solids are composed of atoms, we start by examining the electronic

properties of atoms, and then extending those results to simple molecules and

solids. In particular, the results for silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) are

emphasized, currently the two most commonly used semiconductors in integrated

circuits and semiconductor devices. Several other semiconductors and

semiconductor alloys important in modern devices are also discussed.

As we investigate the atom, we¡¯ll be using quantum mechanics, a branch of

science that is needed to accurately describe the behavior of very small objects

such as atoms and electrons.We will see as we go along that quantum mechanics

is based on the idea that energy can exist only in discrete packets, or quanta. The

size of a quantum is so small that it doesn¡¯t affect one¡¯s results when one is computing

the momentum or velocity of large objects such as automobiles or dust particles,

but the quantum description is extremely important for electrons and atoms.

An understanding of quantum mechanics is not simple to obtain, and its use

to calculate properties of more than a few systems in closed form is difficult. Fortunately,

however, in semiconductors the behavior of electrons of interest can be

determined by pseudo-classical mechanics, in which classical formulas such as

Newton¡¯s laws and the Lorentz equation can be used, with the true electron mass

replaced by an effective mass. As a result, in this section, a minimal discussion of

3

4 PART 1 Materials

Figure 1.1 (a) The Thompson model of an atom, in which the positive charge is

uniformly distributed in a sphere and the electrons are considered to be negative

point charges embedded in it; (b) the Bohr model, in which the positive charge

is concentrated in a small nucleus and the electrons orbit in circles; (c) the

Wilson-Sommerfeld model, which allows for elliptical orbits.



(a)



(b)







 



























(c)



















quantum mechanics is presented. A somewhat greater discussion of quantum

mechanics appropriate to some of the electronic processes in semiconductor

devices is presented in Supplement A to Part 1, after Chapter 4.

The key to understanding semiconductors is to appreciate the physical interpretation

of the mathematical results. Physical understanding is emphasized in

this book.

1.2 A BRIEF HISTORY

In the early twentieth century, scientists were trying to develop models that would

explain the results observed from such experiments as the scattering of X-rays, the

photoelectric effect, and the emission and absorption spectra of atoms. In 1910,

J. J. Thompson proposed a model of the atom in which a sphere of continuous

positive charge is embedded with electrons, as shown in Figure 1.1a. Ernest

Rutherford, in 1911, offered an improvement to the Thompson model: in the

Rutherford model of the atomic structure, all of the positive charge and virtually all

of the atom¡¯s mass were assumed to be concentrated in a small region in the center

of the atom. This nucleus is often treated as a sphere with a radius on the order of

10?14 meters. The negatively charged electrons were assumed to orbit about the

positively charged nucleus, much as planets orbit the sun or satellites orbit the

earth.

In 1913, Neils Bohr assumed that the electrons in the Rutherford model of the

atom orbited the nucleus in circles, as shown in Figure 1.1b. From this, he predicted

that for the atom to be stable, the electrons could have only certain energies,

or that the energies would be quantized. Energy and many other observables

(properties that can be directly measured) are expressed in terms of Planck¡¯s constant.

Planck¡¯s constant, h, has the value 6.63 ¡Á 10?34 joule¨Cseconds. The energies

Bohr predicted for electrons in atoms were in excellent agreement with the

experimental results obtained from spectroscopic data.

CHAPTER 1 Electron Energy and States in Semiconductors 5

In 1916, Wilson and Sommerfeld generalized the Bohr model to apply it to

any physical system in which a particle¡¯s motion is periodic with time. This modification

allows for the possibility of elliptical orbits, as shown in Figure 1.1c.

1.3 APPLICATION TO THE HYDROGEN ATOM

In this section, we briefly review the Bohr model of the hydrogen atom. The

hydrogen atom is emphasized because hydrogen-like impurities are important in

semiconductor devices, and these impurities can be treated in a manner analogous

to the Bohr model. In Supplement Ato Part 1, we will compare these results

to those obtained using quantum mechanics as represented by Schroedinger¡¯s

equation.

1.3.1 THE BOHR MODEL FOR THE HYDROGEN ATOM

We start with the Bohr model, in which the electrons revolve around the nucleus

in circular paths. Because the mass of the nucleus is 1.67 ¡Á 10?27 kg, 1830 times

that of the electron, the nucleus is considered to be fixed in space.

We consider as an example the neutral hydrogen atom, which has one orbiting

electron, and we treat the electron and nucleus both as point charges. The

Coulomb force between two particles with charges Q1 and Q2 is

F =

Q1Q2

4¦Ð¦Å0r 2 = ?q2

4¦Ð¦Å0r 2 (1.1)

where r is the distance between the two charges and ¦Å0 = 8.85 ¡Á 10?12 farads/

meter is the permittivity of free space (because there is only free space between

the nucleus and the electron). The expression at the far right-hand side of

Equation (1.1) is obtained by recognizing that the hydrogen nucleus has only one

proton, so Q1 is equal to +q = 1.602 ¡Á 10?19 coulombs, the elemental charge,

and the charge of the electron Q2 is equal to ?q. The resulting negative sign in

Equation (1.1) indicates that the force is attractive.

We now have an expression for the attractive (centripetal) force between the

two particles, and we recall from classical mechanics that the force F on a particle

is equal to minus the gradient of the potential energy, or

F = ??EP = ?

dEP

dr

(1.2)

In the last expression, the gradient is taken in the r direction, and EP is the potential

energy of the electron at position r. Equation (1.2) with the aid of (1.1) can be

rewritten as

dEP = dEP(r ) = ?Fdr =

q2 dr

4¦Ð¦Å0r 2 (1.3)

One can integrate both sides to obtain EP, but there will be a constant of integration.

The actual value of the potential energy is arbitrary (as is the choice of

6 PART 1 Materials

Figure 1.2 Potential energy diagram

for an electron in the vicinity of a

single positive point charge. The

electron is considered to be a point

charge.

Evac

EP

F F

r

r  0

the constant), since the value of the potential energy depends entirely on one¡¯s

choice of reference. We can choose a convenient reference by noting that the

Coulomb force at infinite distance is zero. It makes sense for this case, then, to

choose r =¡Þ as a reference point, so we define the potential energy at r =¡Þ as the vacuum level, Evac:

EP(r =¡Þ) = Evac (1.4)

This is the energy required to free the electron from the influence of the nucleus,

essentially by moving the electron infinitely far away from it. If the electron is in-

finitely far from the nucleus, it cannot really be considered part of the atom¡ªit

is now a free electron in vacuum.

Now we can solve Equation (1.3) for a given value of r:

Evac

EP

dEP =

¡Þ

r

q2 dr

4¦Ð¦Å0r 2 (1.5)

where EP is the electron potential energy at some distance r from the nucleus.

Integrating both sides and rearranging, we obtain

EP = Evac ?

q2

4¦Ð¦Å0r

(1.6)

Figure 1.2 shows a plot of the r dependence of EP. From Equation (1.1), and

since the force is equal to minus the gradient (slope) of the potential energy, we

see that the force on the electron is directed toward the nucleus, or the Coulomb

force is centripetal.

Since the electron is revolving in a circle of radius r around the nucleus, we

know from Newtonian mechanics that its centrifugal force is equal to

F =

mv2

r

(1.7)

CHAPTER 1 Electron Energy and States in Semiconductors 7

For the atom to be stable, the net force on the electron must be zero. Equating

our previous expression for the centripetal force due to the Coulomb attraction

[Equation (1.1)] to the centrifugal force [Equation (1.7)], we can write

mv2

r ?

q2

4¦Ð¦Å0r 2 = 0 (1.8)

Bohr also postulated that the integral of the angular momentum around one

complete orbit is an integer multiple of Planck¡¯s constant h:

 P¦È d¦È =

2¦Ð

0

mvr d¦È = nh (1.9)

where n is an integer. Since the orbit is assumed circular in the Bohr model, r is

a constant, and so are the potential energy EP and the speed v. Therefore, the

integral becomes

2¦Ðmrv = nh (1.10)

There is a solution for each integer value of n, so we write

mvnrn = n

h

2¦Ð = n¡¥h (1.11)

Here we have introduced a new symbol; it turns out that engineers and physicists

(and now you) use the quantity h/2¦Ð so much that there is a special character for

it, ¡¥h, pronounced ¡°h-bar.¡± The subscripts n in Equation (1.11) indicate the particular

orbital radius or speed associated with a specific quantum number n.

If we simultaneously solve Equations (1.8) and (1.11), we can derive an

expression for the Bohr radius of the nth state, where by ¡°state¡± we mean the

properties associated with a particular value of n:

rn =

4¦Ð¦Å0n2¡¥h2

mq2 (1.12)

and the speed of the electron in that particular state is

vn =

q2

4¦Ð¦Å0n¡¥h

(1.13)

Our primary goal, however, is to find the energies associated with these

states. We know that the total energy of a system is equal to the kinetic energy

plus the potential energy. The kinetic energy of the nth energy level is

EKn =

1

2

mv2

n =

mq4

2(4¦Ð¦Å0)2n2¡¥h2 (1.14)

8 PART 1 Materials

EXAMPLE 1.1

For the nth energy level, we can find rn from Equation (1.12) and use that in

Equation (1.6) to write for the potential energy

EPn = Evac ?

mq4

2(4¦Ð¦Å0)2n2¡¥h2 EPn = Evac ?

mq4

(4¦Ð¦Å0)2n2¡¥h2 (1.15)

Thus, the total energy En is

En = EKn + EPn = Evac ?

mq4

2(4¦Ð¦Å0)2n2¡¥h2 (1.16)

We say that the energy is quantized. It can have only discrete values associated

with the quantum number n.

Find the energies and radii for the first four orbits in the hydrogen atom.

¡ö Solution

En = Evac ?

mq4

2(4¦Ð¦Å0)2n2¡¥h2

= Evac ?

(9.11 ¡Á 10?31 kg)(1.60 ¡Á 10?19 C)4

(2)(4)2(3.1416)2(9.85 ¡Á 10?12 F/m)2(1.05 ¡Á 10?34 J ¡¤ s)2 1

n2

(1.17)

En = Evac ? 1

n2

(2.18 ¡Á 10?17 J)

= Evac ? 1

n2

(13.6 eV)

Here a new unit of energy is introduced, the electron volt (eV). The electron volt

is defined as the amount of energy acquired by an electron when it is accelerated

through 1 volt of electric potential. To convert between S.I. (International System)

units ( joules) and electron volts, use

Electron volts are not S.I. units, and therefore must be used with care in calculations.

The Bohr radii can be calculated from Equation (1.12):

rn =

4¦Ð¦Å0n2¡¥h2

mq2 =

(4)(3.1416)(8.85 ¡Á 10?12 F/m)(1.05 ¡Á 10?34 J ¡¤ s)2

(9.11 ¡Á 10?31 kg)(1.60 ¡Á 10?19 C)2 ¡Á n2

rn = 0.053n2 nm

(1.18)

The energies and Bohr radii of the first four energy levels are given in Table 1.1. These

energies and radii are plotted in Figures 1.3 and 1.4, respectively.

1 eV = 1.60 ¡Á 10?19 joules

CHAPTER 1 Electron Energy and States in Semiconductors 9

r1  0.053

r2  0.212 r3  0.477 r4  0.848 nm

Radius

Figure 1.4 Radii of the first four atomic orbits of the hydrogen atom,

according to the Bohr model.

Electron energy

E  Evac

E4  Evac  0.85 eV

E3  Evac  1.5 eV

E2  Evac  3.4 eV

E1  Evac  13.6 eV

Ground state

Figure 1.3 Allowed energies in the hydrogen

atom. Higher energies occur increasingly close to

each other, approaching the vacuum level.

Table 1.1 The first four Bohr energies and orbital radii for

the hydrogen atom

En rn

E1 = Evac ? 13.6 eV r1 = 0.053 nm

E2 = Evac ? 3.4 eV r2 = 0.212 nm

E3 = Evac ? 1.51 eV r3 = 0.477 nm

E4 = Evac ? 0.85 eV r4 = 0.848 nm

10 PART 1 Materials

There are several things to notice in this example. First, the differences between

the vacuum energy level and the allowed energies vary as 1/n2. Thus the

higher the quantum number, and therefore the energy, the closer together (in

energy) the energy levels are. Second, the Bohr radius varies as n2. This means

that the higher the energy level, the farther the electron is from the atomic

nucleus. If the electron has energy greater than Evac, the Coulombic force is not

enough to keep the electron bound to the atom. In this case, a hydrogen ion (H+)

is created as the electron leaves the atom.

Also, notice that we do not give a number for the energy of a particular state,

but rather we express the energies as so many electron volts from some reference

level (in this case Evac). It is pointless to say, ¡°This level is at 10 eV,¡± since 10 eV

could be anywhere, depending on your choice of reference. This point cannot be

emphasized enough. Potential energy and thus total energy are arbitrary.

EXAMPLE 1.2

1It is called a quantum well because the potential energy forms a ¡°well¡± with quantized energy states.

The energy of a state must always be expressed as an energy difference¡ªthe

difference between the energy of the state and some known reference, for example,

Evac ? E.

Finally, it should be pointed out that although the number of possible states

is infinite, once an electron occupies one of these states the hydrogen atom becomes

neutral and other electrons are not attracted.

Consider a particle in a one-dimensional universe, oscillating in the parabolic potential

energy shown in Figure 1.5. This represents an approximation to an electron in a

modern quantum well laser.1 The potential energy function is a parabola, and the particle

is a simple harmonic oscillator. Explain the motion of the particle using the

energy diagram, paying attention to where the kinetic energy is largest, smallest, and

the directions of the forces.

¡ö Solution

Conservation of energy dictates that the particle must remain at a constant energy.

Thus, it oscillates back and forth at this particular energy. When the particle is in the

center, it has the smallest potential energy and the largest kinetic energy, and thus the

largest velocity. Recall that the force is equal to the negative of the slope of the potential

energy [Equation (1.2)]. Therefore, as the particle travels through the center, e.g.,

to the right, the force is to the left (the slope is positive to right of center). Thus, the

particle decelerates. It continues to slow as it moves to the right. The total energy is

constant, but since the potential energy is increasing, the kinetic energy decreases.

When the particle gets to the edge, it will have zero kinetic energy. The particle stops

for an instant, but the force is still accelerating it to the left. It picks up speed until it

passes through the center, at which point the force is to the right, and the particle begins

to slow once again.

1It is called a quantum well because the potential energy forms a ¡°well¡± with quantized energy states.