Lecture Electrical Engineering: Lecture 32 - Dr. Nasim Zafar

The main contents of the chapter consist of the following: Introduction to semiconductor materials, summary of basic semiconductor devices, basics of IC processing.

COMSATS Institute of Information Technology

Virtual campusIslamabad

Summary

Ø This took up a lot of room and were expensive and  cumbersome to assemble, 

v Semiconductors are the materials with conductivity between conductor and insulator

v Its conductivity can be controlled by dopant concentration and applied voltage

v Elemental Semiconductors: Silicon and Germanium

v Compound Semiconductors:

– SiGe, SiC

v Boron doped semiconductor is p­type, majority carriers are holes

v P, As, or Sb doped semiconductor is n­type, the majority carriers are electrons

v Higher dopant concentration, lower resistivity

v At the same dopant concentration, n­type has lower 

resistivity than p­type

Ø Abundant, inexpensive

Ø Thermal stability

Ø Silicon dioxide is a strong dielectric and relatively easy to form

Ø Silicon dioxide can be used as diffusion doping mask

Summary of Semiconductor Devices 

– The reverse current may become dramatically large at 

breakdown, such phenomena can be used as voltage 

regulator . 

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.  

Ø There are three basic configurations, each has different. 

performance (input/output resistance, gain, high frequency response, etc.). 

v Diode: P­N Junction

v Bipolar Junction Transistor: BJT

v MOS Transistor

The Diode

P­N Junction Diode Schematic Symbol:

I F

R +V

R +V

Voltage­Current relationship for a p­n junction (diode) 

0.2 0.4 0.6 0.8 20

40 60 80 100

20 40

60 80

F

V R

I

R Z

R

V R

I

Ø Therefore, Vout will not be constant  and a ripple exists.  

(a) Circuit

(b) Transfer characteristic assuming a constant­voltage­drop 

model for the diodes

Light Emitting diode & Laser Diode

BJT (Bipolar Junction Transistor)

Solar cell Photodetector

HBT (Heterojunction Bipolar Transistor)

FET (Field Effect Transistor)

 JFET   MOSFET ­  memory

 MESFET ­  HEMT

B

C

E

– Ideal transistor behaves like a closed switch.

Ø Cutoff:

– Current reduced to zero

DC Beta (dc) and DC Alpha ( dc ):

Two quantities of great importance in the characterization of the transistors are:

Ø common­base current gain   .

Ø common­emitter current gain 

      =  Common­emitter current gain        =  Common­base current gain

  =  Common­Base Current Gain (typical 0.99)

Ø Saturation Region:

– In Saturation region: The transistor is on. The collector current varies  very little with a change in the base current in the saturation  region.   

Ø  The common­emitter amplifier exhibits high voltage and    current gain. 

Ø The output signal is 180º out of phase with the input

t

f(t)

t g(t)

Analog : Analogous to some physical

      quantity Digital      a finite number of digits: can be represented using

v MOSFETs dominated IC industry since 1980s 

v Three kinds IC chips microprocessor, memory, and ASIC

v Advantages of CMOS: low power, high temperature stability, high noise immunity, and clocking simplicity

v NMOS

v PMOS

v CMOS

D

Body B

oxide

IG=0

ID=IS IS

x

y

( bulk or 

substrate)

Figure 4.2:   The Enhancement­Type NMOSFET Transistor   A  positive voltage applied to the gate. An n channel is 

ID does not increase further, 

saturation region.

Ø As the microelectronics develops, more and more functions are fulfilled by IC chips

Ø The discrete devices and circuits, however, are still very important not only for practical applications, but also for better 

understanding and design of LSICs. 

Ø Quantitative calculation is sometimes complicated but not 

difficult

Thank You