Lecture Electrical Engineering: Lecture 32 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1 ­ EEE 231
 Fall Semester – 2012


Summary

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

2


Lecture No. 32
v

Contents:

Ø

Introduction to Semiconductor Materials

Ø

Summary of Basic semiconductor devices

Ø

Basics of IC processing

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

3


References
Ø Microelectronic Circuits:  
        Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. 

Ø

Electronic Devices :
  Thomas L. Floyd ( Prentice Hall ). 

Ø Integrated Electronics 
Jacob Millman and Christos Halkias (McGraw­Hill).

Ø
9/24/18

  

Electronic Devices and Circuit Theory:
   Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ).

Dr. Nasim Zafar.

4


Introduction
v

Ø

Ø

From Discrete to Integrated!
In 1954, Texas Instruments produced the first 
commercial silicon transistor. 
Before the invention of the integrated circuits, 
electronic equipment was composed of discrete 
components such as transistors, resistors, and 
capacitors.  These components, often simply called 
“discrete”, were manufactured separately and were 
wired or soldered together onto circuit boards. 

9/24/18

Dr. Nasim Zafar

5


Active Electronic Components

v

v

An active electronic component either amplifies or 
switches.
–

The most common active components are diodes and 
transistors.

–

Both diodes and transistors are easy to make with 
semiconductors.

With semiconductor materials, it is possible to create 
complete circuits of active and/or passive components 
wired together.  

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

6


Integrated Circuits
Ø

Ø

Ø

Integrated circuits (ICs) are 
semiconductor devices that 
are complete circuits made up 
of transistors, diodes, 
capacitors, resistors and 
inductors.  
The complete circuit is made 
on a single piece of silicon 
called a chip.
Any circuit from a simple 
amplifier to a quad core 
microprocessor  used in a PC 
can be made.
Dr. Nasim Zafar.

7


Introduction to Semiconductor Materials

v

v

Semiconductors are the materials with conductivity between 

conductor and insulator.
Its conductivity can be controlled by dopant concentration and 
applied voltage.

v

Elemental Semiconductors: Silicon and Germanium.

v

Compound Semiconductors:
–

SiGe, SiC

–

GaAs, InP, etc..

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

8


Introduction to Semiconductor Materials

v

v

v

v

Boron doped semiconductor is p­type, majority carriers are 
holes.
P, As, or Sb doped semiconductor is n­type, the majority 
carriers are electrons.
Higher dopant concentration, lower resistivity.
At the same dopant concentration, n­type has lower 
resistivity than p­type.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

9


Energy Band Structure of an Atom

Valence shells

Nuclei

Conducting band, Ec

Band gap, Eg

Valence band, Ev

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

10


Energy Bands and Band Gap in Solids

Eg = 1.1 eV

Eg = 8 eV

Aluminum

Sodium

Silicon

Silicon dioxide

2.7 µΩ cm

4.7 µΩ cm

~ 1010 µΩ cm

> 1020 µΩ cm

Conductors
9/24/18

Semiconductor
Dr. Nasim Zafar.

Insulator
11


Carrier Concentration and Mobility

v

Higher dopant concentration, more carriers: electrons or 
holes.

v

Electron mobility higher than holes.

v

Higher conductivity, lower resistivity.

v

N­type silicon has lower resistivity than p­type silicon at the 

same dopant concentration.

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

12


Silicon 

Ø

Abundant, inexpensive

Ø

Thermal stability

Ø

Silicon dioxide is a strong dielectric and relatively 
easy to form

Ø

9/24/18

Silicon dioxide can be used as diffusion doping mask

Dr. Nasim Zafar.

13


Summary­Semiconductor Materials
v

Semiconductor Materials: 

         •   Elemental semiconductors
    •   Intrinsic and Extrinsic Semiconductor
    •    Compound semiconductors
       III – V       Gap,  GaAs
               II – V        e.g ZnS,  CdTe
    •   Mixed or Tertiary Compounds
               e.g. GaAsP

9/24/18
v

Applications:

Dr. Nasim Zafar.

14


Summary of Semiconductor Devices 

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

15


Summary of Semiconductor Devices

v

v

Diodes, BJTs and FETs are nonlinear devices made of 
semiconductors, mostly silicon.
Diodes: 
–

A diode allows current to flow in the forward direction and 
hence can perform functions such as rectification, 
demodulation/detection, switch etc.

–

The reverse current may become dramatically large at 
breakdown, such phenomena can be used as voltage 
regulator . 

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

16


Summary of Semiconductor Devices
v

Bipolar Junction Transistors: 
Ø

A BJT has three terminals: base, emitter and collector.   

Ø

The collector current is controlled by voltage/ current on the 
base­emitter junction and is almost independent on collector 
voltage. 

Ø

It can perform functions such as amplification and switch, etc.

Ø

A BJT should be properly biased for normal operation.  

There are three basic configurations, each has different. 
performance (input/output resistance, gain, high frequency 
response, etc.).  Dr. Nasim Zafar.

9/24/18
17
Ø


Basic Devices:

9/24/18

v

Diode: P­N Junction

v

Bipolar Junction Transistor: BJT

v

MOS Transistor

Dr. Nasim Zafar.

18


The Diode

Anode

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

Cathode

19


The Diode      
P­N Junction Diode Schematic Symbol:

Anode

Cathode

p

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

n

20


Biasing a PN Junction
Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

For current flow in a PN junction 
or diode, we have to apply an 
external voltage called Bias.
With this connection, current only 
flows freely from cathode across 
the junction to the anode.
we’d say the switch is closed when 
electrons can flow through the 
diode.
Note:  The current flow may be so 
high that an external resistance R is 
usually needed to minimize the 
current flow to a level a diode can 
withstand.
This arrangement is called forward 
bias.
Dr. Nasim Zafar.

21


Forward­Biased Diode Circuit

R

R
I F > 0A

I F > 0A
IF

V

IF

V

+V

-V

R

R
IF

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

IF

22

Reverse­Biased Diode Circuit
R

R
0A

0A

IT

IT

V

V
+V

-V

R

9/24/18

R

Dr. Nasim Zafar.

23

Diode  I­V characteristics
Voltage­Current relationship for a p­n junction (diode) 

9/24/18

Dr. Nasim Zafar.

24


Complete: Model Diode Curve
IF(mA)
100
IR

VZ

80

VR(V)

80

Reverse operating 
region (also called 
the reverse 
breakdown 
region)

60

Forward 
operating 
region

60

RZ
RZ

Complete model
Accurate model

40

VR
IR

20

40

20

0.2

0.4

0.6

VF(V)

0.8

1.0
I=0

IF

0.7 V

2.0

RB

3.0
RB

9/24/18

IR( A)

Dr. Nasim Zafar.

25

VF
IF