UNIVERSITI MALAYA
UNIVERSITI MALAYA
PEPERIKSAAN IJAZAH SARJANA MUDA KEJURUTERAAN
EXAMINATION FOR THE DEGREE OF BACHELOR OF ENGINEERING
SESI AKADEMIK 2020/2021
:
SEMESTER II
ACADEMIC SESSION 2020/2021
:
SEMESTER II
KIE1006
:
Fizik Elektronik
Electronic Physics
Jun/Julai 2021
Masa : 2 jam
June/July 2021
Time : 2 hours
ARAHAN KEPADA CALON :
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES :
Jawab semua soalan.
Answer all questions.
PART B – Q3 AND Q4 (1 HOUR)
9.45AM – 10.45AM: Answering Part B (Q3 and Q4)
10.45AM – 11.00AM: Submission to UMSPECTRUM and
email to sharifahUM@gmail.com (title: your student
ID_PART A) eg. 17202758_PART B
(Kertas soalan ini mengandungi 2 soalan dalam 6 halaman yang dicetak)
(This question paper consists of 2 questions on 6 printed pages)
KIE1006
Soalan 3
Question 3
(a)
Huraikan perbezaan antara semikonduktor intrinsik dengan semikonduktor
ekstrinsik. Huraikan jawapan anda berkenaan dengan kekonduksian elektrik
mereka, kedudukan tahap fermi dalam sela jalur, pergantungan keberaliran
elektrik terhadap variasi suhu dan ketumpatan pembawa dalam jalur konduksi
dan valensi. Berikan contoh semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik dengan
memilih elemen dari jadual berkala unsur.
Distinguish the difference between an intrinsic semiconductor to an extrinsic
semiconductor. Elaborate your answer with respect to their electrical conductivity,
fermi level position within the band gap, conductivity dependence towards temperature
variation and density of carriers in the conduction and valence bands. Provide intrinsic
and extrinsic semiconductors examples by choosing elements from the periodic table
of elements.
(3 markah / marks)
(b)
Germanium, Ge adalah semikonduktor yang sangat diminati hari ini untuk
digunakan dalam aplikasi optoelektronik, biosensor dan litar berkelajuan tinggi.
Germanium, Ge is a semiconductor of great interest these days for use in
optoelectronics, biosensors and high-speed circuit applications.
i.
Dengan merujuk pada Lampiran A, kirakan kepekatan pembawa
intrinsik di germanium dan nilaikan secara kuantitatif bagaimana
kepekatan pembawa intrinsik di germanium berubah sehubungan
dengan peningkatan suhu.
By referring to Appendix A, calculate the intrinsic carrier concentration of
germanium and evaluate quantitatively how this intrinsic carrier concentration
changes with respect to increase in temperature.
(2 markah / marks)
ii.
Simpulkan samada Ge yang tidak didop akan menjadi pengalir yang baik
pada suhu 200°C. Jelaskan mengapa ia adalah / tidak merupakan
pengalir yang baik pada suhu ini.
Deduce whether an undoped Ge can be a good conductor at 200°C. Explain
why it can / it can not be a good conductor at this temperature.
(2 markah / marks)
2/6
KIE1006
iii.
Analisa secara kualitatif (anda boleh melakarkan plot ni vs suhu untuk
membantu anda dalam penjelasan anda) bagaimana pergantungan
suhu bagi kepekatan pembawa intrinsik Ge dibandingkan dengan
Silikon pada suhu-suhu yang berbeza. Andaikan bahawa sela jalur
tenaga tidak bergantung pada suhu.
Analyse qualitatively (you may sketch an ni vs temperature plot to aid you in
your explanation) how the temperature dependence of the Ge intrinsic carrier
concentration differ compared to that of Silicon and GaAs. Assume that the
energy band gap is independent of temperature.
(2 markah / marks)
(c)
Cari, dengan ketepatan 1 meV, kedudukan tahap Fermi merujuk pada tepi jalur
valens, Ev atau di tepi jalur pengalir, Ec pada setiap bahan sampel yang
disenaraikan di bawah, pada 300 K. Biarkan kepekatan pembawa hakiki
dalam silikon pada 300 K menjadi 1.5 x 1010 cm-3. Anda boleh merujuk kepada
Lampiran A untuk nilai-nilai yang diperlukan bagi pengiraan.
Find, to within an accuracy of 1 meV, the position of the Fermi level referred to the
valence band edge, Ev or in the conduction band edge, Ec in each of the sample
materials listed below, at 300 K. Let the intrinsic carrier concentration in silicon at
300 K to be 1.5 x 1010 cm-3. You may refer to Appendix A for values needed in your
calculation.
Sampel 1 – Silikon jenis-N didop dengan Fosforus dimana kepekatan
penderma, ND = 1.A x 1017 cm−3
Sample 1 – Phosphorous doped n-type silicon with donor concentration ND = 1.A x
1017 cm−3
Sampel 2 – Silikon jenis-p didop dengan Boron dimana kepekatan penerima,
NA = 1.B x 1016 cm−3
Sample 2 – Boron doped p-type silicon with acceptor concentration NA = 1.B x 1016cm−3
Sampel 3 – Silikon didop dengan kedua-dua bendasing dalam amaun masingmasing, 1.A x 1017 cm−3 untuk Fosforus dan 1.B x 1016 cm−3 untuk Boron
Sample 3 – Silicon doped with both types of impurities in the respective amounts of
1.A x 1017 cm−3 of Phosphorous and 1.B x 1016 cm−3 of Boron
Nota : A mewakili digit terakhir (sebelum garis miring) dalam ID Pelajar anda,
manakala B mewakili digit kedua terakhir. Sebagai contoh, untuk ID pelajar
17202315/2, A ialah 5 dan B adalah 1.
Note: A represents the last digit (before the slash) in your Student ID, while B
represents the second last digit. For example, for student ID 17202315/2, A is 5 and B
is 1.
(6 markah / marks)
3/6
KIE1006
Soalan 4
Question 4
(a)
InSb adalah semikonduktor dengan sela jalur yang sangat kecil 0.23 eV. Jalur
pengalir dan valens adalah dengan m∗n = 0.0116 m0 dan m∗p = 0.40 m0.
Kepekatan pembawa intrinsik adalah sekitar 1.4 x 10 16 cm-3 pada suhu bilik.
Terangkan mengapa InSb adalah bahan yang baik untuk digunakan bagi
membina peranti mengukur suhu yang sangat rendah (sebagai contoh, dalam
julat 10 - 50 K).
InSb is a semiconductor with a very small band gap of 0.23 eV. The conduction and
valence bands are with 𝑚𝑛∗ =0.0116 𝑚0 and 𝑚𝑝∗ =0.40 𝑚0 . The intrinsic carrier
concentration is about 1.4 x 1016 cm-3 at room temperature. Explain why InSb is a
favourable material to be used to build a device to measure extremely low
temperatures (eg. in the 10 – 50 K range).
(1 markah / marks)
(b)
InP dan GaN adala antara bahan separuh pengalir sebatian yang mempunyai
Gunn Effect, di mana setelah medan elektrik dalam bahan mencapai tahap
ambang, mobiliti elektron menurun ketika medan elektrik meningkat, sehingga
menghasilkan rintangan negatif. Terangkan, dengan bantuan gambarajah,
bagaimana fenomena ini berlaku dengan menghubungkannya dengan struktur
jalur bahan.
InP and GaN are some of the compound semiconductor materials which demonstrates
the Gunn Effect, where once an applied electric field in the material reaches a
threshold level, the mobility of electrons decrease as the electric field is increased,
thereby producing negative resistance. Explain, with the aid of diagram, how does this
phenomenon occur by relating it to the material’s band structure.
(3 markah / marks)
(c)
Lakarkan persandaran suhu ketumpatan lubang pada jalur valens untuk GaAs
didop dengan unsur Y pada (1+A) x 1017 cm-3 sehingga menjadikan GaAs jenisp. Telah diketahui bahawa separuh pengalir yang didop membuat peralihan
dari kelakuan ekstrinsik ke kelakuan hakiki apabila ketumpatan pembawa cas
diaktifkan haba sama dengan kepadatan dopan. Dengan merujuk kepada
Lampiran A, carikan suhu ini bagi GaAs berdop-Y. Nyatakan suhu yang dikira
dalam lakaran anda. Cadangkan apakah unsur Y.
Sketch the temperature dependence of the density of holes in the valence band for
GaAs doped with an element Y at 1.B x1017 cm-3 such to make the GaAs p-type. It is
known that a doped semiconductor makes a transition from extrinsic behaviour to
intrinsic behaviour when density of thermally activated charge carriers equals to the
density of dopants. By referring to Appendix A, find this temperature for the Y doped
GaAs. Indicate the calculated temperature in your sketch. Suggest what is the
material Y.
4/6
KIE1006
Nota : B mewakili digit kedua terakhir (sebelum garis miring) dalam ID
Pelajar anda. Sebagai contoh, untuk ID pelajar 17202315/2, B ialah 1.
Note: B represents the second last digit (before the slash) in your Student ID. For
example, for student ID 17202315/2, B is 1.
(5 markah / marks)
(d)
Kepekatan dopan arsenik di suatu kawasan kristal silikon berbeza secara linear
dari kepekatan n0 = (1+A+B) x 1014 cm-3 pada X= 0 mm hingga kepekatan n1 =
(1+A+B) x 1017 cm-3 pada X = 1.5 mm. Pemalar penyebaran untuk elektron
adalah Dn = 22.5 cm2 / s, pemalar penyebaran untuk lubang adalah Dp = 5.2
cm2 / s, dan suhu 300K.
The arsenic dopant concentration in a region of a silicon crystal varies linearly from a
concentration of 𝑛0 = (1+A+B) x 1014 cm-3 at X = 0 mm to a concentration of 𝑛1 =
(1+A+B) x 1017 cm-3 at X = 1.5 mm. The diffusion constant for electrons is 𝐷𝑛 = 22.5
cm2/s, the diffusion constant for holes is 𝐷𝑝 = 5.2 cm2/s, and the temperature is 300K.
Nota : A mewakili digit terakhir (sebelum garis miring) dalam ID Pelajar anda,
manakala B mewakili digit kedua terakhir. Sebagai contoh, untuk ID pelajar
17202315/2, A ialah 5 dan B adalah 1.
Note: A represents the last digit (before the slash) in your Student ID, while B
represents the second last digit. For example, for student ID 17202315/2, A is 5 and B
is 1.
i. Tentukan ketumpatan arus penyebaran dalam arah x positif.
Determine the diffusion current density in the positive x-direction.
(4 markah / marks)
ii. Lakarkan plot ketumpatan arus berbanding medan elektrik untuk silikon dan
tunjukkan bagaimana mobiliti dapat ditentukan dari plot ini. Terangkan
dengan lebih lanjut mengapa halaju elektron hanyutan pada medan di atas
sekitar 1000 V / cm.
Sketch the plot of current density versus electric field for silicon and demonstrate
how the mobility can be determined from this plot. Explain further why the electron
drift velocity saturates at fields above about 1000 V/cm.
(2 markah / marks)
5/6
KIE1006
Lampiran A / Appendix A
TAMAT
END
6/6