ZAT 389E/3 - Struktur Semikonduktor Dimensi Rendah - Mac 2003

UNIVERSITI SAINS MALAYSIA PeperiksaanSemester Kedua

Sidang Akademik2002/2003 Februari

-

_{Mac 2003}

ZAT _389E/3

-

Struktur Semikonduktor Dimensi _Rendah

Masa ^: 3 jam

Sila pastikan bahawa kertas peperiksaan _ini

mengandungi SEMBILAN _muka surat yang bercetak sebelum anda memulakan peperiksaan _ini.

Jawab mana-mana_{EMPAT soalan.} Pelajar dibenarkan menjawab semua _soalan dalam Bahasa lnggeris ATAU Bahasa MalaysiaATAU _kombinasi kedua-duanya.

1. (a) (i)

(ii)

(iii)

Lakarkan

jalur

tenaga bagi suatu elektron hampir _{bebas di} dalam tiga _zon Brillouin terawalbagi suatu kekisi satu dimensi dengan pemalar_kekisia.

Tentukan vektor-vektor kekisi resiprokal bagi mentranslasikan jalur _{ini ke dalam skim zon}

diperkecilkan dan _lakarkan strukturnya.

Terangkan secara ringkas asalan jurang-jurang _{tenaga di} pusat dan pinggir-pinggirzon Brillouin pertama.

(30/100)

._.2/-

105

(b)

[ZAT _389E]

_ 2 ^-

Gambarajah 1 menunjukkan _zon Brillouin pertama bagi suatu kekisi segiempat_sama dengan pemalar _{kekisi a.}

L

F O - X

Gambarajah1

(i) Lukiskan

jalur

_tenaga

bagi suatu elektron bebas yang bergerak_{dari F ke X, ke L dan}

kembali _ke F.

(ii) jurang—jurangbebas.Tandakan _dengantenaga jikajelas _dielektron tersebut adalahdalam lukisan anda kewujudanhampir

(40/100) Terangkan _ciri-ciri

jalur

_{valens F7 dan}

F8 di dalam silikon (Si) tak tegasan _di pusat zon Brillouin dan bagi nombor gelombang _elektron terhingga.

(30/100) Jurang jalur pada titik-F _{bagi aloi}

AleaHAs

dapat diwakili oleh Eg(x) ⁼

142

⁺ _{1.247x. Perihalkan}

kelakuan jurang

jalur

_sebenar (perbezaan tenaga di antara minimum terendah pada

jalur

_konduksi dan maksimum tertinggi pada jalur valens) _dalam Alea1-xAs apabila x berubah dari sifar ke uniti.

(40/100) Bincangkan asalan kecacatan-kecacatan titik dan peranan mereka bagi menentukan

strukturjalur

di dalam semikonduktor.

(20/100)

(40/100)

...3/—

(a)

(b)

'005363047AS InP '0052AI04BAS

I00.53Gr31047AS

[ZAT 389E]

Perth

reaktor epitaksi alur molekul (MBE) dan pemendapan wap _kimia loggm-orgamk (MOCVD). Berikan komen tentang ciri-ciri terbaik bagi setiap teknik penumbuhan.

(30/100) Jadual menunjukkan parameter—parameter

jalur

_{bagi penumbuhan} heterostruktur kekisi-sepadan

lno_5gGao_47As-lnP-lnolszAlowAs- lno.53Gao.47AS-

Perbezaan tenaga di antara minimajalur—jalur

konduksi

AEC e

^{tenaga dimaksima}jalur valens^{Perbezaanantarajalur-}

AEV e

(C)

(i) heterosimpang menggunakan petuaLukis dan perihalkan penjajaran jalur—jalur diAnderson.heterosimpang-

(ii) heterosimpang.Bincangkan pengurungan elektron dan lohong pada setiap

(40/100) (i) Berikan alasan-alasan menggunakan lapisan-lapisan tegasan

dalam penumbuhan heterostruktur.

(ii) Bincangkan kesan-kesan mampatan dan regangan _{kekisi di} dalam satah simpang ke atasjalur _valens.

(30/100)

...4/—

10

^'7

(a)

(b)

(a)

(b)

[ZAT _389E]

Jumlah tenaga bagielektron yang bergerak _di dalam satah x-y _suatu perigi kuantum segiempat sama tak terhingga dalam _(tenaga keupayaan_hanya bersandarkepada koordinat z) diberi sebagai

2 2

En

(k)=8n

⁺

2k

dengan n (= 1, 2,

3...)

ialah indeks subjalur, _an ialah tenaga bagi suatu keadaan terikat dalam arah 2, dan k (= kx, ky) ialah nombor gelombang _elektron.

Lakar dan terangkan jumlah tenaga bagi tiga subjalur terawal di dalam suatu perigi GaAs _dengan lebar _{10 nm dan} ketumpatan keadaan mereka yang sepadan.

(50/100)

(1') satu-dimensiBincangkan tenaga bagi_{(seperti di} dalamelektron_suatuyangdawai kuantum)terkurung di_dengandalam menganggap keupayaan pengurungan_{= x, y)} sebagai satu fungsi _r

supaya elektron _kekal bebas bergerak dalam arah 2.

(ii) subjalurLakar _danyangbincangkan ketumpatanterhasil. keadaan bagi subjalur-

(50/100) Bincangkan petua emas Fermi bagi satu usikan harmonik yang diberi sebagai

V(t) :

_2Vcosw0t=

\A/(e‘imot +

gm“)

dengan \7 ialah amplitud dan _m0 ialah frekuensi.

(50/100) Gambarajah 2

menunjukkan keadaan-keadaan terikat elektronik (fungsi gelombang sepanjang z dengan paras tenaga) di dalam suatu perigi kuantum

terjajar

_{sepanjang z yang dibentuk}

oleh jalur—

jalur

_{konduksi suatu}

heterostruktur. Penimbangkan _cahaya merambat di dalam satah perigi supaya _medan elektriknya adalah normal kepada perigi kuantum. Dengan mempertimbangkan unsur matriks di antara dua keadaan terikat di dalam persamaan kadar peralihan tunjukkan bahawa

108

[ZAT ³⁸⁹E]

(i) peralihan optik adalah menegak,

(ii) dengan perpisahandanpenyerapan berlaku padakeadaan—keadaanfrekuensi-frekuensiterikat diyangdalamsepadanperigi,

(iii) petua pilihan _bagi

penyerapan optik adalah jika satu keadaan adalah genap yang satu lagi mestilah _ganjil.

Gambarajah 2

(50/100)

109

^...6/—