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By: Dr. Ahmed ElShafee Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Electronic Circuits I 1 Lecture (02) Introduction to Electronics II, PN Junction and Diodes I Agenda Current in semiconductors/conductors Ntype, Ptype semiconductors NType Semiconductor PType Semiconductor PN junction Energy Diagrams of the PN Junction and Depletion Region Diode Operation Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Electronic Circuits I 2

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By:

Dr. Ahmed ElShafee

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2019, Electronic Circuits I1

Lecture (02)Introduction to Electronics II, PN 

Junction and Diodes I

Agenda

• Current in semiconductors/conductors

• N‐type, P‐type semiconductors

• N‐Type Semiconductor

• P‐Type Semiconductor

• PN junction

• Energy Diagrams of the PN Junction and Depletion Region

• Diode Operation

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Current in semiconductors

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• Atom electrons exists on certain shell around the atom  each shell has a prescribed energy bands. 

• Adjacent energy bands (between atoms) are separated by band gaps

• Figure shows the energy band diagram for an unexcited atom in a pure silicon crystal

Conduction Electrons and Holes

• An intrinsic (pure) silicon crystal at room temperature has sufficient heat (thermal) energy for some valence electrons to jump the gap from the valence band into the conduction band, becoming free electrons

• Free electrons are also called conduction electrons.

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• When an electron jumps to the conduction band, it leaves a hole in valence band

• every electron raised to the conduction band by external energy, there is one hole left in the valence band, creating what is called an electron‐hole pair.

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• Recombination occurs when a conduction‐band electron loses energy and falls back into a hole in the valence band.

• Electron‐hole pairs in a silicon crystal is; Free electrons are being generated continuously while some recombine with holes.

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Electron and Hole Current in semi conductors

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• When a voltage is applied across a piece of intrinsic silicon

• Applied voltage cause thermal energy 

• Thermal energy generates free electrons in the conduction band, 

• Free electrons are  free to move randomly in the crystal structure, 

• Free electrons are now easily attracted toward the positive end. 

• This movement of free electrons is one type of current in a semi conductive material and is called electron current (occurred in conduction band)

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• Agreed that holes are created by the free electrons exist atoms

• Other valence Electrons remains attached to the atom and can’t move to conduction band

• But these valence electron can move into a nearby hole with little change in its energy, leaving another hole where it came from

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• Effectively the hole has moved from one place to another in the crystal structure,

• Current in the valence band is produced by valence electrons, it is called hole current  (occurred in valence band).

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• conduction in semiconductors : 

– Movement of free electrons in the conduction band 

– movement of holes in the valence band, 

– the movement of valence electrons to nearby atoms, creating hole current in the opposite direction

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Electron Current in conductors

• Copper atoms crystal, atoms consist of a “sea” of positive ion cores (no covalent bond), atoms are stripped of their valence electrons.

• valence electrons are attracted to the positive ions, keeping the positive ions together and forming the metallic bond.

• The valence electrons do not belong to a given atom, but to the crystal as a whole

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• Since the valence electrons in copper are free to move, the application of a voltage results in current. 

• There is only one type of current—the movement of free electrons—because there are no “holes” in the metallic crystal structure.

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N‐type, P‐type semiconductors

• Semiconductors are not good conductors because of the limited number of free electrons in the conduction band and holes in the valence band

• Pure silicon (or germanium) must be modified by increasing the number of free electrons or holes to increase its conductivity and make it useful in electronic devices.

• This is done by adding impurities to the pure material

• Two types of extrinsic (impure) semi‐conductive materials, n‐type and p‐type, are the key building blocks for most types of electronic devices

• This process, called doping, increases the number of current carriers (electrons or holes).

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N‐Type Semiconductor

• pentavalent (atoms with five valence electrons) impurity atoms are added.

• Like : arsenic (As), phosphorus (P), bismuth (Bi), and antimony (Sb).

• Example: 

• Four of the antimony atom’s 

valence electrons are used to 

form the covalent bonds with 

silicon atoms, leaving one extra 

electron.

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• pentavalent atom gives up an electron, it is often called a donor atom.

• number of conduction electrons can be controlled by the number of impurity atoms added to the silicon.

• doping process does not leave a hole in the valence band

• In N‐type semiconductor, the electrons are called the majority carriers.

• A few holes that are created when electron‐hole pairs are thermally generated.

• Holes in an n‐type material are called minority carriers.

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P‐Type Semiconductor

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• To increase the number of holes in pure silicon, trivalent impurity atoms are added, with three valence electrons 

• such as boron (B), indium (In), and gallium (Ga).

• three of the boron atom’s valence 

electrons are used in the covalent 

bonds; a hole results when each

trivalent atom is added.

• trivalent atom can take an 

electron, it is often referred

to as an acceptor atom.

• The number of holes can be controlled by the number of trivalent impurity atoms added to the silicon.

• The holes are the majority carriers in p‐type material.

• a few conduction‐band electrons that are created when electron‐hole pairs are thermally generated.

• Conduction‐band electrons in p‐type material are the minority carriers.

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PN junction

• When you take a block of silicon and dope part of it with a trivalent impurity and the other part with a pentavalent impurity, a boundary called the pn junction is formed between the resulting p‐type and n‐type portions. 

• The pn junction is the basis for diodes, certain transistors, solar cells, and other devices,

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• A p‐type material consists of silicon atoms and trivalent impurity atoms such as boron, adding  a hole when it bonds with the silicon atoms. 

• However, since the number of protons and the number of electrons are equal throughout the material, there is no net charge in the material and so it is neutral

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• n‐type silicon material consists of silicon atoms and pentavalent impurity atoms, that releases an electron when it bonds with four silicon atoms

• still an equal number of protons and electrons, no net charge in the material and so it is neutral

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• a pn junction forms at the boundary between the two regions and a diode is created

• The p region has many holes (majority carriers) and only a few thermally generated free electrons (minority carriers). 

• The n region has many free electrons (majority carriers) and only a few thermally generated holes (minority carriers).

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• For every electron that diffuses across the junction and combines with a hole, a positive charge is left in the n region

• and a negative charge is created in the p region, forming a barrier potential. 

• This action continues until the voltage of the barrier repels further diffusion. 

• The blue arrows between the positive and negative charges in the depletion region represent the electric field.

• When the pn junction is formed, the n region loses free electrons as they diffuse across the junction. 

• This creates a layer of positive charges (pentavalent ions) near the junction.

• the p region loses holes as the electrons and holes combine. 

• This creates a layer of negative charges (trivalent ions) near the junction

• Both regions presents the depletion region

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• term depletion refers, region near the pn junction is depleted of charge carriers, due to diffusion across the junction.

• depletion region is formed very quickly and is very thin compared to the n region and p region.

• After the initial surge of free electrons across the pn junction, the depletion region has expanded to a point where equilibrium is established and there is no further diffusion of electrons across the junction

• Equilibrium happens as follow: A point is reached where the total negative charge in the depletion region repels any further diffusion of electrons into the p region, and the diffusion stops.

• Depletion region acts as a barrier to the further movement of electrons across the junction.

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• Barrier Potential: 

• Coulomb’s law state that any positive charge and a negative charge near eachother, there is a force acting on the charge

• In the depletion region positive charges and many negative charges on opposite sides of the pn junction. 

• The forces between the opposite charges form an electric field

• external energy must be applied to get the electrons to move across the barrier of the electric field in the depletion region.

• Barrier Potential (volts):  is The potential difference of the electric field across the depletion region is the amount of voltage required to move electrons through the electric field.

• The barrier potential of a pn junction depends on several factors, including the type of semiconductive material, the amount of doping, and the temperature.

• The typical barrier potential is approximately 0.7 V for silicon and 0.3 V for germanium at

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Diode Operation

• diode is made from a small piece of semiconductor material, usually silicon, in which half is doped as a p region and half is doped as an n region with a pn junction and depletion region in between.

• p region is called the anode

• n region is called the cathode

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Thanks,..

See you next week (ISA),…

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