1. A conductor is a material which permits a flow of energy. A material which allows the flow of charged particles is an electrical conductor. A material which allows the transfer of thermal energy is a thermal conductor or heat conductor. A material that is neither a good conductor of electricity (like copper) nor a good insulator (like rubber). The most common semiconductor materials are silicon and germanium. These materials are then doped to create an excess or lack of electrons.silicondoped Insulators:An insulator is a material such as plastic, rubber, glass or ceramic that prevents the flow or transfer of electricity. Insulative materials can not be grounded. Attaching a ground wire to an insulator would have no effect.

2. semiconductor, solid material whose electrical conductivity at room temperature is between that of a conductor and that of an insulator. At high temperatures its conductivity approaches that of a metal, and at low temperatures it acts as an insulator. In a semiconductor there is a limited movement of electrons, depending upon the crystal structure of the material used. The substances first used for semiconductors were the elements germanium, silicon, and gray tin. It was found that the incorporation of certain impurities in them enhances their conductive properties. The impurities either add free electrons or create holes (electron deficiencies) in the crystal structures of the host substances by attracting electrons. Thus there are two types of semiconductor: the N- type (negative), in which the current carriers (electrons) are negative, and the P-type (positive), in which the positively charged holes move and carry the current. The process of adding these impurities is called doping; the impurities themselves are called dopants. Dopants that contribute mobile electrons are called donor impurities; those that cause holes to form are acceptor impurities. Undoped semiconductor material is called intrinsic semiconductor material. Certain chemical compounds, including gallium arsenide, indium antimonide, and aluminum phosphide are semiconductors. Semiconductors are used to produce such electronic devices as diodes, transistors, and computer memory devices. The field of solid-state physics includes the study of semiconductors.diodestransistorssolid-state physics

3. أشباه الموصلات، والمواد الصلبة التي لها توصلية كهربائية في درجة حرارة الغرفة هي المواد التي تسلك سلوك مواد موصلة في ظروف معينة ومواد عازلة في ظروف معينة. في درجات الحرارة العالية تعمل هذه المواد كموصلة للتيار، وعند درجات حرارة منخفضة تعمل هذه المواد بمثابة عازل. في أشباه الموصلات هناك حركة محدودة من الإلكترونات، وهذا يتوقف على التركيب البلوري للمواد المستخدمة. كانت اول المواد المستخدمة في أشباه الموصلات لعناصر الجرمانيوم والسليكون والقصدير الرمادي. وقد وجد أن اندماج بعض الشوائب يعزز من توصيل المادة. الشوائب إما إضافة الإلكترونات الحرة أو إنشاء الثقوب ( نقص الإلكترون ) في بنية الكريستال من المواد الداخلة ( الشوائب ) من خلال جذب الإلكترونات. وبالتالي هناك نوعان من أشباه الموصلات : من نوع N-( سالب ) ، التيار ناقل الحالية ( الإلكترونات ) سلبية، و P من نوع ( إيجابية ) ، الذي ثقوب موجبة الشحنة التحرك وتحمل الحالية. الشحنات الموجبة تتحرك وتحمل التيار. وتسمى عملية إضافة الشوائب هذه المنشطات doping ؛ تسمى الشوائب أنفسهم dopants. ويطلق Dopants التي تساهم في حركة الإلكترونات الشوائب المانحة، وتلك التي تسبب ثقوب في شكل الشوائب هي متقبل. ويسمى Undoped المواد أشباه الموصلات الجوهرية المواد أشباه الموصلات. مركبات كيميائية معينة، بما في ذلك زرنيخيد الغاليوم، الإنديوم antimonide ، وفوسفيد الألمنيوم هي أشباه الموصلات. وتستخدم أشباه الموصلات في الأجهزة الإلكترونية مثل الثنائيات والترانزستورات وأجهزة ذاكرة الكمبيوتر. مجال فيزياء الحالة الصلبة تشمل دراسة أشباه الموصلات.

4. n-type semiconductors result from the addition of pentavalent impurities like phosphorus, arsenic and antimony. These donors contribute “extra” electrons. p-type semiconductors result from the addition of trivalent impurities like boron, aluminum and gallium. These additions create valence “holes” which act as additional levels

5. 5 Figure 13.29: Effect of doping silicon.

6. 6 Figure 13.30: A p-n junction as a rectifier.

7. Insulators: Valence band full or nearly full Wide band gap with empty conduction band Essentially no available energy states to which electron energies can be increased Dielectric breakdown at high potential Conduction band Empty Valence band Full EgEg Wide bandgap

8. اشباه الموصلات : هذه المواد تعتبر وسطاً بين المواد الموصلة والاخرى العازلة حيث تكون الاولى من الفلزات والاخيرة من اللافلزات وتسمى هذه باشباه الفلزات وهي التي تقع بين الحد الفاصل بين الفلزات واللافلزات في الجدول الدوري. مثال ذلك عنصر السليكون. الماد العازلة : هذ النوع من المواد يكون الفرق في الطاقة بين الحزمة التكافؤية والحزمة التوصلية فرق كبير ولذلك فإن الالكترونات لايمكنها أن تستغل الحزمة التوصلية لتحريك الالكترونات عند فرق الجهد المعقول،وبذلك تكون هذه المواد عازلة. مثل : الزجاج - الالماس - المطاط الا انه يمكن أن تتحول المواد العازله الى مواد موصلة في مرحلة من المراحل.

9. عنصر السليكون(Si) حيث تتميز بالبعد المناسب بين التكافؤية التي تتشكل من مدارات (3s,3p) والحزمة التوصيلية والتي تتشكل بدورها من المدارات الاعلى في الطاقة وهي (3d,4s,4p)ولكن اذا اعطيت هذه المواد حرارة كافية فإن الالكترونات تتهيج من الحزمة التكافؤية وتنتقل الى الحزمة التوصيلية. وتعتمد في ذلك على عاملين اساسين هما: درجة الحرارة 2- الفرق في الطاقة بين الحزمتين التكافؤية والتوصلية.

10. Semiconductors: Similar to insulators but narrow band gap At electrical temperatures some electrons can be promoted to the conduction band Most are cubic Diamond FCC (single element) Zinc blende (FCC ZnS) Some common band gaps: Elementgap (ev) Ge0.6 Si1.1 GaAs1.4 SiO29.0 Conduction band Almost Empty Valence band Almost Full Conduction band Empty Valence band Full T > 0K T = 0K EgEg bandgap S Zn Mark McClure, UNC- Pembroke

11. Band Theory As the half-filled 4s orbitals of an increasing number of Cu atoms overlap, their energies are split into a half- filled valence band. Electrons can move from the filled half (purple) to the slightly higher energy upper half (red), where they are free to migrate from one empty orbital to another.

12. Metallic Bonds Band theory is an extension of molecular orbital theory that describes bonding in solids. Bands of orbitals that are filled or partially filled by valence electrons are called valence bands. Higher-energy unoccupied bands in which electrons are free to migrate are called conduction bands.

13. Conduction band: First empty band above the highest filled band أي حزمة اخرى سواء كانت خالية أو ممتلئة جزئياً ومستمرة فوق الشبكية البلورية تسمى الحزمة التوصلية Valence band: Outermost band containing electrons الحزمة التي تحتوي على الكترونات الغلاف الخارجي أي غلاف التكافؤ تسمى الحزمة التكافؤية. nucleus Conduction band Valence band Outermost band containing elelectrons Electron energy Band gap Partially full Full Empty band

14. نظرية الرابطةهو امتداد لنظرية المدار الجزيئي الذي يصف الترابط في المواد الصلبة. وتسمى رابطة المدارات التي تمتلئ أو تمتلي جزئيا بواسطة إلكترونات التكافؤ تسمى الحزمة لتكافؤية. ويطلق على أعلى نطاقات الطاقة الخالية في الإلكترونات التي هي حرة في الروابط الخالية عالية الطاقة في الالكترونات الحرة الهجرة الحزمة لتوصلية. أي حزمة سواء كانت ممتلئة جزئياً ومستمرة فوق الشبكبية البلورية تسمى الحزمة التوصلية

15. Band Gap The energy gap between the valence and conduction bands is called the band gap. تسمى فجوة الطاقة بين حزمة التكافؤوحزمة التوصيل بفجوة الرابطة.

16. Band Theory The Band Gap influences the electrical and optical properties of the material. Semiconductor “doping” can be used to create solar cell (PV), diodes, transistors, etc.

17. Band Theory The Fermi Energy (Level) is the energy of the highest occupied state.

18. Some semiconducting materials and ssociated bandgaps (eV)

19. Other Ionic Crystals

20. Other forms of Silica

21. Band Theory of Solids In isolated atoms the electrons are arranged in energy levels

22. In solids the outer electron energy levels become smeared out to form bands The highest occupied band is called the VALENCE band. This is full. For conduction of electrical energy there must be electrons in the CONDUCTION band. Electrons are free to move in this band.

23. Insulators : There is a big energy gap between the valence and conduction band. Examples are plastics, paper ….. Conductors : There is an overlap between the valence and conduction band hence electrons are free to move about. Examples are copper, lead …. Semiconductors : There is a small energy gap between the two bands. Thermal excitation is sufficient to move electrons from the valence to conduction band. Examples are silicon,germanium….

24. When a conductor is heated its resistance increases ; The atoms vibrate more and the electrons find it more difficult to move through the conductor. R T R T But in a semiconductor the resistance decreases with an increase in temperature. Electrons can be excited up to the conduction band. Conductivity increases

25. Band Theory When two atomic orbitals combine they produce both a bonding and an antibonding molecular orbital When many atomic orbitals combine they produce a band of bonding molecular orbitals and a band of antibonding molecular orbitals The band of bonding molecular orbitals is called the valence band The band of antibonding molecular orbitals is called the conduction band 25 Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

26. Solids: Conductors, Insulators and Semiconductors 26 Conductor InsulatorSemiconductor Valence Band in red Conduction Band: white Band gap No gap

27. Electrical conductivity in a conductor, semiconductor, and insulator. conductor semiconductor insulator

28. Types of Band Gaps and Conductivity Types of Band Gaps and Conductivity 28 Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

29. Band Gap and Conductivity The more electrons at any one time that a substance has in the conduction band, the better conductor of electricity it is If the band gap is ~0, then the electrons will be almost as likely to be in the conduction band as the valence band and the material will be a conductor ◦ metals ◦ the conductivity of a metal decreases with temperature If the band gap is small, then a significant number of the electrons will be in the conduction band at normal temperatures and the material will be a semiconductor ◦ graphite ◦ the conductivity of a semiconductor increases with temperature If the band gap is large, then effectively no electrons will be in the conduction band at normal temperatures and the material will be an insulator 29 Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

30. X-ray Diffraction X-ray diffraction (XRD) is a technique for determining the arrangement of atoms or ion in a crystal by analyzing the pattern that results when X-rays are scattered after bombarding the crystal. The Bragg equation relates the angle of diffraction (2  ) of X-rays to the spacing (d) between the layers of ions or atoms in a crystal: n  2dsin .

31. X-ray Diffraction (XRD). The Bragg equation n  λ = 2  d  sin θ Can be used in conjunction with XRD data to find the spacing between crystal planes (d). is the wavelength of the X-rays; n is an integer; d is the distance between crystal planes; θ is the angle of incidence. Structure Determination

32. Fig. 10.3c: This is an example of an XRD spectrum for quartz. Peaks result from constructive interference for the reflected X-rays