Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

CH274 - Electrons in Solids and Materials

Exercise 3.2  electron density in the CB versus temperature

Determine the electron density in the CB for Si at:

    room temperature (Eg = 1.12 eV)

   100 °C                (Eg = 1.14 eV)

    +100 °C                (Eg = 1.09 eV)

    +500 °C                (Eg = 0.95 eV)

Assume a temperature-independent effective density of states, NC ~ 1025 m-3 .

Model answer

The  concentration  of  conduction  electrons  for  an  intrinsic  semiconductor  (pure material) is given by the formula:

n = NC eEg  / 2kT ,

where Eg is the semiconductor band gap and NC is the effective density of states which we assume to be temperature-independent with a value of ~ 1025 m-3 .

As a consequence, for Si we can write:

nSi,RT  = 1025  e1. 12/(20.0256)  = 3. 161015  m-3,

nSi,-100oC  = 1025  e1. 141.61019 /(21.381023 173)  = 2.57108  m-3,

nSi,100oC  = 1025  e1.091.61019 /(21.381023 373)  = 4.391017  m-3,

nSi,500oC  = 1025  e0.951.61019 /(21.381023 773)  = 8.051021  m-3 .

In conclusion, since the conduction electron concentration n depends exponentially on temperature, even relatively small variations in temperature generate massive variations in n.