Solid State Devices. Avik Ghosh Electrical and Computer Engineering University of Virginia Fall 2010. Outline. 1) Course Information 2) Motivation – why study semiconductor devices? 3) Types of material systems 4) Classification and geometry of crystals 5) Miller Indices.
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Solid State Devices Avik Ghosh Electrical and Computer Engineering University of Virginia Fall 2010
Outline 1) Course Information 2) Motivation – why study semiconductor devices? 3) Types of material systems 4) Classification and geometry of crystals 5) Miller Indices Ref: Ch1, ASF
Distance Learning Info CoordinatorRita Kostoff, rfk2u@virginia.edu, Phone: 434-924-4051. CGEP/Collab Websites: https://collab.itc.virginia.edu/portal http://cgep.virginia.edu (UVa) http://cgep.virginia.gov (Off-site) http://ipvcr.scps.virginia.edu (Streaming Video) Notes: • Please press buzzer before asking questions in class • Email HW PDFs to dincer@virginia.edu or hand in class
Grading Info • Homework - weekly assignments on website, no late homework accepted but lowest score dropped • Exams - three exams • Mathcad, Matlab, etc. necessary for some HWs/exams • Grade weighting: • Exam 1 ~20% • Exam 2 ~30% • Final ~30% • Homework ~20%
ECE 663 Class Topics • Crystals and Semiconductor Materials • Introduction to Quantum Mechanics (QM101) • Application to Semiconductor Crystals – Energy Bands • Carriers and Statistics • Recombination-Generation Processes • Carrier Transport Mechanisms • P-N Junctions • Non-Ideal Diodes • Metal-Semiconductor Contacts – Schottky Diodes • Bipolar Junction Transistors (BJT) • MOSFET Operation • MOSFET Scaling • Photonic Devices (photodetectors, LEDs, lasers) Soft Cover Semiconductors Where can the electrons sit? How are they distributed? How do they move? Midterm1 Hard Cover Basic Devices Midterm2 Final
Biological incentives Transistors in Biology: Ion channels in axons involve Voltage dependent Conductances Modeled using circuits (Hodgkin-Huxley, ’52)
Calculating current in semiconductors I V Nonequilibrium stat mech (transport) • Drift-diffusion with Generation/ Recombination (Ch 5-6, Pierret) I = q A nv Quantum mech + stat mech • Effective mass, Occupation factors (Ch 1-4, Pierret)
Calculating Electrons and Velocity • What are atoms made of? (Si, Ga, As, ..) • How are they arranged? (crystal structure) • How can we quantify crystal structures? • Where are electronic energy levels?
Bravais Lattices Courtesy: Ashraf Alam, Purdue Univ Each atom has the same environment
2D Bravais Lattices Courtesy: Ashraf Alam, Purdue Univ Only angles 2p/n, n=1,2,3,4,6 (Pentagons not allowed!)
Epitaxial growth by vapor deposition of CO/hydroC on metals (Rutter et al, NIST) Chemical Exfoliation of HOPG on SiO2 (Kim/Avouris) 2D non-Bravais Lattice – e.g. Graphene • Missing atom not all atoms have the same environment • Can reduce to Bravais lattice with a basis
Irreducible Non-Bravais Lattices MC Escher “Quasi-periodic” (Lower-D Projections of Higher-D periodic systems) Early Islamic art Penrose Tilings
Not just on paper... 5-fold diffraction patterns Pentagons ! (5-fold symmetry not possible in a perfect Xal) MoAl6 FeAl6 (Pauling, PRL ’87)