图书前言

To the many students I*ve had the privilege of teaching over the years who have contributed in many

ways to the broad field of electrical engineering, and to future students who will contribute in ways

we cannot now imagine.

ABOUT THE AUTHOR

Donald A. Neamen is a professor emeritus in the Department of Electrical and

Computer Engineering at the University of New Mexico where he taught for more than

25 years. He received his Ph.D. from the University of New Mexico and then became

an electronics engineer at the Solid State Sciences Laboratory at Hanscom Air Force

Base. In 1976, he joined the faculty in the ECE department at the University of New

Mexico, where he specialized in teaching semiconductor physics and devices courses

and electronic circuits courses. He is still a part-time instructor in the department.

In 1980, Professor Neamen received the Outstanding Teacher Award for the

University of New Mexico. In 1983 and 1985, he was recognized as Outstanding

Teacher in the College of Engineering by Tau Beta Pi. In 1990, and each year from

1994 through 2001, he received the Faculty RecognitionAward, presented by graduating

ECE students. He was also honored with the Teaching ExcellenceAward in the

College of Engineering in 1994.

In addition to his teaching, Professor Neamen served as Associate Chair of the

ECE department for several years and has also worked in industry with Martin

Marietta, Sandia National Laboratories, and Raytheon Company. He has published

many papers and is the author of Electronic Circuit Analysis and Design, Second Edition

and Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, Third Edition.

PREFACE

PHILOSOPHY AND GOALS

The purpose of this text is to provide a basis for understanding the characteristics,

operation, and limitations of semiconductor devices. In order to gain this understanding,

it is essential to have a thorough knowledge of the physics of the semiconductor

material. The goal of this book is to bring together the fundamental physics of

the semiconductor material and the semiconductor device physics.

Since the objective of this text is to provide an introduction to the theory of

semiconductor devices, there is a great deal of advanced theory that is not considered.

This material is found in more advanced texts. There are occasions in the text

where equations and relationships are simply stated with no or very little derivation.

Again, the details are found in more advanced texts. However, the author feels that

there is enough mathematics included to provide a good foundation for the basic understanding

of semiconductor devices in this first course.

PREREQUISITES

This text is intended for junior and senior undergraduates in electrical engineering.

The prerequisites for understanding the material are college mathematics, up to and

including differential equations, and college physics, including an introduction to

modern physics and electrostatics. Prior completion of an introductory course in

electronic circuits is helpful, but not essential.

ORDER OF PRESENTATION

Each instructor has a personal preference for the order in which the course material

is presented. The order of presentation of topics in this text is somewhat different

compared to many semiconductor textbooks. Chapters 1每4 cover the basic physics of

the semiconductor material and contain topics normally covered initially in any

semiconductor device course. Chapter 5 discusses the electrostatics of the pn and

Schottky junctions. This material is necessary and sufficient for the understanding of

the MOS transistor presented in Chapters 6 and 7. There are two reasons for discussing

the MOS transistor at this point. First, since the MOS transistor is fundamental

to integrated circuits, this material is presented early enough in the course so

that it doesn*t get ※short changed,§ as it might when covered at the end of a course.

Second, since a ※real§ semiconductor device is discussed fairly early in the course,

the reader may have more motivation to continue studying this course material.

After the MOS transistor is presented, the nonequilibrium characteristics of

the semiconductor material is presented in Chapter 8 and then the forward-biased

pn junction and Schottky diodes are discussed in Chapter 9. The bipolar transistor is

xv

xvi Preface

presented in Chapter 10. Chapter 11 covers additional devices such as junction fieldeffect

transistors and thyristors. Finally, optical devices are discussed in Chapter 12.

One possible disadvantage to this order of presentation is that the discussion of

the pn junction is ※interrupted.§ However, the author feels that a ※just-in-time§ approach

is justified. Some discussion of the pn junction is necessary before presenting

the MOS transistor. However, if the entire discussion of the pn junction, including

the discussion of nonequilibrium excess carriers, took place before the MOS transistor,

then much of the knowledge gained of forward-biased pn junctions would be lost

by the reader by the time the bipolar transistor is discussed.

The following table lists the textbook approach to the order of presentation of

topics. Unfortunately, because of time constraints, every topic in every chapter cannot

be covered in a one-semester course.

Textbook Approach

Chapter 1 Crystal structure

Chapter 2 Selected topics from quantum mechanics and theory of solids

Chapter 3 Semiconductor material physics

Chapter 4 Transport phenomena

Chapter 5 Electrostatics of the pn junction

Chapter 6 The MOS transistor

Chapter 7 Selected topics for advanced MOSFETs

Chapter 8 Selected topics from nonequilibrium semiconductor physics

Chapter 9 The pn junction diode

Chapter 10 The bipolar transistor

Chapter 11 Selected topics from other devices

Chapter 12 Selected topics from optical devices

Classical Approach

Chapter 1 Crystal structure

Chapter 2 Selected topics from quantum mechanics and theory of solids

Chapter 3 Semiconductor material physics

Chapter 4 Transport phenomena

Chapter 8 Selected topics from Nonequilibrium semiconductor physics

Chapter 5 Electrostatics of the pn junction

Chapter 9 The pn junction diode

Chapter 10 The bipolar transistor

Chapter 6 The MOS transistor

Chapter 7 Selected topics from advanced MOSFETs

Chapter 11 Selected topics from other devices

Chapter 12 Selected topics from optical devices

For those instructors who prefer the classical approach and wish to cover the

bipolar transistor before the MOS transistor, the following table lists the order of presentation.

The chapters are written so that this order of presentation is very plausible.

Preface xvii

USE OF THE BOOK

The text is intended for a one-semester course at the junior or senior level. As with

most textbooks, there is more material than can be conveniently covered in one semester;

this enables each instructor some flexibility in designing the course to his or

her own specific needs.

At the end of several chapters, there is a section dealing with fabrication technology.

In Chapter 1, this topic deals with the growth of semiconductor materials and

the oxidation process. In Chapter 3, this topic deals with the introduction of specific

impurities into the semiconductor by either diffusion or ion implantation. In later

chapters, this topic deals with the fabrication of specific devices. In each case, the

fabrication discussion is relatively short and intended only to give the reader a basic

understanding of the fabrication technology. These sections, as well as a few other

sections in the text, are denoted by the symbol  in front of the section heading. The

symbol  shows that reading these sections will aid in the total summation of the understanding

of semiconductor devices. However, a basic understanding of semiconductor

device physics can be accomplished without studying these sections in detail

during this first introductory course.

FEATURES OF THE BOOK

←Preview section: A preview section introduces each chapter. This preview links

the chapter to previous chapters and states the chapter*s goals, that is, what the

reader should gain from the chapter.

←Historical and Present-Day Insights: A Historical Insight section relates the

chapter material to a few historical events and a Present-Day Insight section

relates the chapter material to current research and manufacturing events.

←Icon: , indicates sections that are to be read for understanding to increase the

total summation of knowledge of semiconductor devices. However, a detailed

study of these sections is not required during this first introductory course.

←Key terms in the margin: Key terms are listed in the margin of the text. Quickly

finding a key term adjacent to the text in which the material is discussed should

aid the student in reviewing the material.

←Examples: There are a liberal number of examples given in the text to reinforce

the theoretical concepts being developed. These examples contain all the details

of the analysis or design, so the reader does not have to fill in missing steps.

←Exercise problems: An exercise problem is given after each example. These

exercises are similar in scope to the preceding example. The ability to solve

these exercise problems should be an indication as to whether the student has

mastered the previous material. Answers to these problems are given.

←Test Your Understanding exercises: At the end of major sections, additional

exercise problems are given. These exercise problems tend to be more

comprehensive than the exercise problems given after each example. Answers

to these problems are also given.

xviii Preface

←Summary: A summary section follows the text of each chapter. This section

summarizes the overall results derived in the chapter and reviews the basic

concepts developed.

←Checkpoint: A checkpoint section follows the Summary section. This section

states the goals that should have been met and states the abilities the reader

should have gained. The Checkpoints will help assess progress before moving

to the next chapter.

←Review questions: A list of review questions is included at the end of each

chapter. These questions serve as a self-test to help the reader determine how

well the concepts developed in the chapter have been mastered.

←End-of-chapter problems: A substantial number of problems are provided at the

end of each chapter, organized according to the subject of each section. An

asterisk in front of a problem indicates a more difficult problem. Answers to a

selected number are provided in Appendix F.

←Reading list: A reading list finishes up each chapter. The references indicated

by an asterisk are at a more advanced level compared with this text.

←Answers to selected problems: Answers to selected problems are given in

Appendix F. Knowing the answer to a problem can aid and reinforce the

problem solving.

SUPPLEMENTS

ACKNOWLEDGMENTS

Peter John Burke, University of California, Irvine

Chris S. Ferekides, University of South Florida

Ashok K. Goel, Michigan Technological University

Lili He, San Jose State University

Erin Jones, Oregon State University

Yaroslav Koshka, Mississippi State University

Shrinivas G. Joshi, Marquette University

Gregory B. Lush, University of Texas, El Paso

A. James Mallmann, Milwaukee School of Engineering

Donald C. Malocha, University of Central Florida

Shmuel Mardix, University of Rhode Island

The Crystal Structure of Solids

This text deals with the electrical properties and characteristics of semiconductor

materials and devices. The electrical properties of solids are therefore of primary

interest. Since the semiconductor is in general a single-crystal material and

since the electrical properties of a single-crystal material are determined not only by

the chemical composition but also by the arrangement of atoms in the solid, a brief

study of the crystal structure of solids is warranted. This introductory chapter provides

the necessary background in single-crystal materials and crystal growth for a

basic understanding of the electrical properties of semiconductor materials and

devices.

1.0 | PREVIEW

In this chapter, we will

1. List and describe semiconductor materials.

2. Describe three classifications of solids: amorphous, polycrystalline, and single

crystal.

3. Describe basic crystal structures, crystal planes, and the diamond structure.

4. Discuss differences in atomic bonding between various solids.

5. Describe various single-crystal imperfections and impurities in solids.

6. Describe processes that are used to create single-crystal semiconductor

materials.

7. Describe the formation of an oxide on silicon.

C H A P T E R 1

1

Historical Insight

Materials have always been an integral part of electrical engineering, from finding

good conductors of electricity that can handle hundreds of amperes to finding good

insulators that can handle thousands of volts. Dielectric properties of materials are

fundamental in the design of capacitors and magnetic properties of materials are fundamental

in the design of electromagnets or permanent magnets. Creating highpurity

single-crystal semiconductor materials has been crucial to the development of

the vast semiconductor industry.

Present-Day Insight

Materials continue to be a fundamental component of electrical engineering.

Creating single-crystal silicon semiconductor wafers that are 12 inches in diameter

and, at the other end of the scale, creating layers of different semiconductor materials

that are on the order of tens of angstroms thick are continuing topics of research.

The properties of high-purity single-crystal materials are fundamental to the design

of the vast number of semiconductor devices.

1.1 | SEMICONDUCTOR MATERIALS

Objective: List and describe semiconductor materials.

Semiconductors are a group of materials having conductivities between those of metals

and insulators. One fundamental characteristic of a semiconductor material is that the

conductivity can be varied over several orders of magnitude by adding controlled

amounts of impurity atoms.The ability to control and change the conductivity of a semiconductor

material allows for the design of the vast number of semiconductor devices.

Two general classifications of semiconductors are the elemental semiconductor

materials, found in group IV of the periodic table, and the compound semiconductor

materials, most of which are formed from special combinations of group III and

group V elements. Table 1.1 shows a portion of the periodic table in which the more

common semiconductors are found, and Table 1.2 lists a few of the semiconductor

materials. (Semiconductors can also be formed from combinations of group II and

group VI elements, but in general these will not be considered in this text.)

The elemental materials, those that are composed of single species of atoms, are

silicon and germanium. Silicon dominates the semiconductor commercial market.

The vast majority of integrated circuits (ICs) are fabricated in silicon, so silicon will

be emphasized to a great extent in this text.

The two-element, or binary, compounds such as gallium arsenide or gallium

phosphide are formed by combining one group III and one group V element. Gallium

arsenide is one of the more common of the compound semiconductors. It is used to

make light-emitting diodes and laser diodes. GaAs is also used in specialized applications

in which, for example, very high speed is required.

We can also form a three-element, or ternary, compound semiconductor. An example

is AlxGa1?xAs, in which the subscript x indicates the fraction of the lower

atomic number element component. More complex semiconductors can also be

formed that provide flexibility when choosing material properties.

2 CHAPTER 1 The Crystal Structure of Solids

Elemental

semiconductor

Binary

semiconductor

Ternary

semiconductor

1.2 Types of Solids 3

1.2 | TYPES OF SOLIDS

Objective: Describe three classifications of solids: amorphous, polycrystalline,

and single crystal.

In Section 1.1, we simply listed various semiconductor materials. Since semiconductors

used in discrete device or IC fabrication are generally single-crystal materials, it is

worth while discussing various types of crystalline structures. We will describe the

spatial arrangement of atoms in crystals and attempt to visualize the three-dimensional

configurations. The arrangement of atoms, as well as the chemical composition, affect

the electrical properties of the material.

Amorphous, polycrystalline, and single crystal are the three general types of

solids. Each type is characterized by the size of an ordered region within the material.

Table 1.2 | A partial list of semiconductor materials

Elemental Semiconductors IV Compound Semiconductors

Si Silicon SiC Silicon carbide

Ge Germanium SiGe Silicon germanium

Binary III每V Compounds Binary II每VI Compounds

AlAs Aluminum arsenide CdS Cadmium sulfide

AlP Aluminum phosphide CdTe Cadmium telluride

AlSb Aluminum antimonide HgS Mercury sulfide

GaAs Gallium arsenide ZnS Zinc sulfide

GaP Gallium phosphide ZnTe Zinc telluride

GaSb Gallium antimonide

InAs Indium arsenide

InP Indium phosphide

Ternary Compounds Quaternary Compounds

AlxGa1xAs Aluminum gallium AlxGa1xAsySb1y Aluminum gallium arsenic

arsenide atimonide

GaAs1xPx Gallium arsenic GaxIn1xAs1yPy Gallium indium arsenic

phosphide phosphide

Table 1.1 | A portion of the periodic table showing elements used in semiconductor materials

Group

Period II III IV V VI

2 B C N O

Boron Carbon Nitrogen Oxygen

3 Al Si P S

Aluminum Silicon Phosphorus Sulfur

4 Zn Ga Ge As Se

Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium

5 Cd In Sn Sb Te

Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium

6 Hg

Mercury

An ordered region is a spatial volume in which atoms or molecules have a regular geometric

arrangement or periodicity. Amorphous materials have order only within a few

atomic or molecular dimensions, while polycrystalline materials have a high degree of

order over many atomic or molecular dimensions. These ordered regions, or singlecrystal

regions, vary in size and orientation with respect to one another. The singlecrystal

regions are called grains and are separated from one another by grain

boundaries. Single-crystal materials, ideally, have a high degree of order, or regular

geometric periodicity, throughout the entire volume of the material. The advantage of

a single-crystal material is that, in general, its electrical properties are superior to

those of a nonsingle-crystal material, since grain boundaries tend to degrade the

electrical characteristics. Two-dimensional representations of amorphous, polycrystalline,

and single-crystal materials are shown in Figure 1.1.

1.3 | SPACE LATTICES

Objective: Describe basic crystal structures, crystal planes, and the diamond

structure.

Our primary concern will be the single crystal with its regular geometric periodicity

in the atomic arrangement. A representative unit, or group of atoms, is repeated at

regular intervals in each of the three dimensions to form the single crystal. The periodic

arrangement of atoms in the crystal is called the lattice.

1.3.1 Primitive and Unit Cell

Wecan represent a particular atomic array by a dot that is called a lattice point. Figure 1.2

shows part of an infinite two-dimensional array of lattice points. The simplest means of

repeating an atomic array is by translation. Each lattice point in Figure 1.2 can be translated

a distance a1 in one direction and a distance b1 in a second noncolinear direction to

generate the two-dimensional lattice. A third noncolinear translation will produce the

three-dimensional lattice. The translation directions need not be perpendicular.

Since the three-dimensional lattice is a periodic repetition of a group of atoms,

we do not need to consider the entire lattice, but only a fundamental unit that is being

4 CHAPTER 1 The Crystal Structure of Solids

(a) (b) (c)

Figure 1.1 | Two-dimensional schematics of three general types of solids: (a) amorphous,

(b) polycrystalline, and (c) single crystal.

Lattice

Lattice point

repeated. A unit cell is a small volume of the crystal that can be used to reproduce the

entire crystal. Aunit cell is not a unique entity. Figure 1.3 shows several possible unit

cells in a two-dimensional lattice.

The unit cell A can be translated in directions a2 and b2, the unit cell B can be

translated in directions a3 and b3, and the entire two-dimensional lattice can be constructed

by the translations of either of these unit cells. The unit cells C and D in

Figure 1.3 can also be used to construct the entire lattice by using the appropriate

translations. This discussion of two-dimensional unit cells can easily be extended to

three dimensions to describe a real single-crystal material.

A primitive cell is the smallest unit cell that can be repeated to form the lattice.

In many cases, it is more convenient to use a unit cell that is not a primitive cell. Unit

cells may be chosen that have orthogonal sides, for example, whereas the sides of a

primitive cell may be nonorthogonal.

A generalized three-dimensional unit cell is shown in Figure 1.4. The relationship

between this cell and the lattice is characterized by three vectors ‘a, ‘b, and ‘c,

which need not be perpendicular and which may or may not be equal in length. Every

equivalent lattice point in the three-dimensional crystal can be found using the vector

‘r = p ‘a + q ‘b + s ‘c (1.1)

where p, q, and s are integers. Since the location of the origin is arbitrary, we will let

p, q, and s be positive integers for simplicity.

1.3 Space Lattices 5

a1

b1

Figure 1.2 | Two-dimensional

representation of a single-crystal lattice.

b2

b4

b1

b3

a2

a4

a1

a3

A

B

D

C

Figure 1.3 | Two-dimensional representation of a single-crystal

lattice showing various possible unit cells.

c

b

a

Figure 1.4 | A generalized

primitive unit cell.

Unit cell

Primitive cell

1.3.2 Basic Crystal Structures

Before we discuss semiconductor crystals, let us consider the characteristics of three

basic cubic structures. Figure 1.5 shows the simple cubic, body-centered cubic, and facecentered

cubic structures. For these simple structures, we can choose unit cells such that

the general vectors ‘a, ‘b, and ‘c are perpendicular to each other and the lengths are equal.

The simple cubic (sc) structure has an atom located at each corner; the body-centered

cubic (bcc) structure has an additional atom at the center of the cube; and the facecentered

cubic (fcc) structure has an additional atom at the center of each face plane.

By knowing the crystal structure of a material and its lattice dimensions, we can

determine several characteristics of the crystal. For example, we can determine the

volume density of atoms.

6 CHAPTER 1 The Crystal Structure of Solids

(a) (b) (c)

Figure 1.5 | Three lattice types: (a) simple cubic, (b) body-centered cubic, and (c) face-centered cubic.

EXAMPLE 1.1

OBJECTIVE

Determine the volume density of atoms in a crystal.

Consider a single-crystal material that is a face-centered cubic with a lattice constant

a0 = 5 ~ A = 5 ℅ 10?8 cm. Each corner atom is shared by eight unit cells that meet at the corner,

so each corner atom effectively contributes one-eighth of its volume to each unit cell. The eight

corner atoms then contribute an equivalent of one atom to the unit cell. Each face atom is shared

by two unit cells that meet at each side, so each face atom effectively contributes one-half of its

volume to each unit cell. The six face atoms then contribute an equivalent of three atoms to the

unit cell. Each unit cell of a face-centered cubic then effectively contains four atoms.

← Solution

The volume density of atoms is then found by dividing the number of unit cell atoms by the

unit cell volume, or

Volume density =

4 atoms

a3

0 =

4

(5 ℅ 10?8)3

or

Volume density = 3.2 ℅ 1022 atoms per cm3

Simple cubic

Body-centered cubic

Face-centered cubic

1.3 Space Lattices 7

b

a每

c每

c

pa

qb

sc

b

a

2c

2b

2a

Figure 1.6 | General lattice plane

intercepting the ‘a, ‘b, and ‘c axes at p, q,

and s, respectively.

← Comment

This value of the volume density of atoms in a crystal represents the order of magnitude of density

for most materials. The actual density is a function of the crystal type and crystal structure

since the packing density〞number of atoms per unit cell〞depends on crystal structure.

Exercise Problem

EX1.1 The lattice constant of a body-centered cubic structure is a0 = 4.75 ~ A. Determine

the volume density of atoms.

1.3.3 Crystal Planes and Miller Indices

Since real crystals are not infinitely large, they eventually terminate at a surface.

Semiconductor devices are fabricated at or near a surface, so the surface properties

may influence the device characteristics. We would like to be able to describe

these surfaces in terms of the lattice. Surfaces, or planes through the crystal, can

be described by first considering the intercepts of the plane along the ‘a, ‘b, and ‘c

axes used to describe the lattice.

Figure 1.6 shows a general plane intercepting the ‘a, ‘b, and ‘c axes at points pa,

qb, and sc, where p, q, and s are integers. To describe the plane, we write the reciprocals

of the intercepts as

1

p

,

1

q

,

1

s  (1.2)

(Ans. 1.87 ℅ 1022 cm3)

Multiplying by the lowest common denominator, we obtain a set of numbers such as

(hkl). The plane is then referred to as the (hkl) plane. The parameters h, k, and l are

referred to as the Miller indices.

8 CHAPTER 1 The Crystal Structure of Solids

Miller indices

EXAMPLE 1.2

OBJECTIVE

Describe the plane shown in Figure 1.7.

The lattice points in Figure 1.7 are shown along the ‘a, ‘b, and ‘c axes only.

← Solution

From Equation (1.1), the intercepts of the plane correspond to p = 2, q = 3, and s = 2. Write

the reciprocals of the intercepts, from Equation (1.2), as

1

2

,

1

3

,

1

2

Now multiply by the lowest common denominator, which in this case is 6, to obtain (3, 2, 3).

The plane in Figure 1.7 is then referred to as the (323) plane. The integers are referred to as the

Miller indices. We will refer to a general plane as the (hkl) plane.

← Comment

We can show that the same three Miller indices are obtained for any plane that is parallel to the

one shown in Figure 1.7. Any parallel plane is entirely equivalent to any other.

2c

3b

2a

Figure 1.7 | A crystal-lattice plane for Example 1.2.

Exercise Problem

EX1.2 Aplane in a simple cubic crystal is described as a (132) plane. (a) What are the intercepts

on the ‘a, ‘b, and ‘c axes. (b) Sketch the plane.

Three planes that are commonly considered in a cubic crystal are shown shaded

in Figure 1.8. The plane in Figure 1.8a is parallel to the ‘b and ‘c axes so the intercepts

are given as p = 1, q =﹢, and s =﹢. Taking the reciprocal, we obtain the Miller

indices as (1, 0, 0), so the plane shown in Figure 1.8a is referred to as the (100) plane.

Again, any plane parallel to the one shown in Figure 1.8a and separated by an integral

number of lattice constants is equivalent and is referred to as the (100) plane.

One advantage to taking the reciprocal of the intercepts to obtain the Miller indices

is that the use of infinity is avoided when describing a plane that is parallel to an axis.

If we were to describe a plane passing through the origin of our system, we would

obtain infinity as one or more of the Miller indices after taking the reciprocal of the

intercepts. However, the location of the origin of our system is entirely arbitrary and

so, by translating the origin to another equivalent lattice point, we can avoid the use

of infinity in the set of Miller indices.

For the simple cubic structure, the body-centered cubic, and the face-centered

cubic, there is a high degree of symmetry. The axes can be rotated by 90~ in each of the

three dimensions and each lattice point can again be described by Equation (1.1) as

‘r = p ‘a + q ‘b + s ‘c (1.1)

Each face plane of the cubic structure shown in Figure 1.8a is entirely equivalent.

These planes are grouped together and are referred to as the {100} set of planes.

We may also consider the planes shown in Figures 1.8b and 1.8c. The intercepts

of the plane shown in Figure 1.8b are p = 1, q = 1, and s =﹢. The Miller indices

[Ans. (a) p = 6, q = 2, s = 3]

1.3 Space Lattices 9

a 每 a 每 a 每

c每

b

(a) (b)

c每

b

(c)

c每

b

Figure 1.8 | Three lattice planes in a simple cubic lattice: (a) (100) plane, (b) (110) plane, and (c) (111) plane.

are found by taking the reciprocal of these intercepts and, as a result, this plane is

referred to as the (110) plane. In a similar way, the plane shown in Figure 1.8c is

referred to as the (111) plane.

One characteristic of a crystal that can be determined is the distance between

nearest equivalent parallel planes. Another characteristic is the surface concentration

of atoms, number per square centimeter (#/cm2), that are cut by a particular plane.

Again, a single-crystal semiconductor is not infinitely large and must terminate at

some surface. The surface density of atoms may be important, for example, in determining

how another material, such as an insulator, will ※fit§ on the surface of a semiconductor

material.

10 CHAPTER 1 The Crystal Structure of Solids

(a) (b)

a0 2

a0

a每

c每

b

a0

a0

a0

Figure 1.9 | (a) The (110) plane in a face-centered cubic and (b) the atoms cut by the (110)

plane in a face-centered cubic.

EXAMPLE 1.3

OBJECTIVE

Calculate the surface density of atoms on a particular plane in a crystal.

Consider the face-centered cubic structure and the (110) plane shown in Figure 1.9a.

Assume the atoms can be represented as hard spheres with the closest atoms touching each

other and that the lattice constant is a0 = 4.5 ~ A = 4.5 ℅ 10?8 cm. Figure 1.9b shows how the

atoms are cut by the (110) plane.

The atom at each corner is shared by four similar equivalent lattice planes, so each corner

atom effectively contributes one-fourth of its area to this lattice plane, as indicated in the

figure. The four corner atoms then effectively contribute one atom to this lattice plane. The

atom on each face plane is shared by two similar equivalent lattice planes, so each face atom

effectively contributes one-half of its area to this lattice plane as indicated in the figure. The

two face atoms then effectively contribute one atom to this lattice plane. The lattice plane in

Figure 1.9b, then, contains two atoms.