Effect of Adding Selected Impurities the Optical and Electrical Properties of Silicon Mohamed Osman Ahmed Ibrahim Postgraduate Diploma in Physics-University of Gezira (2014) B.Sc. in Education physics &mathematics, University of Gezira (2012) A Dissertation Submitted to the University of Gezira in Partial Fulfillment of the Requirements for the Award of the Degree of Master of Science in Physics Sciences Department of Electronics Engineering Faculty of Engineering and Technology May, 2018 i Effect of Adding Selected Impurities the Optical and Electrical Properties of Silicon Mohamed Osman Ahmed Ibrahim Supervision Committee: Name Position Signature Dr. Hasaballrasoul Gesmallh Ismail Main Supervisor ……………. Prof. Mubarak Dirar Abdullah Yagoup Co. Supervisor …………..... April /2018 ii Effect of Adding Selected Impurities the Optical and Electrical Properties of Silicon Mohamed Osman Ahmed Ibrahim Examination Committee: Name Position Signature Dr. Hasaballrasoul Gesmallh Ismail Chairperson ………....... Dr. Nooreldain Edriss Fadol Adam External Examiner …………... Dr. Murtada Mohammed Abdelwahab Internal Examiner …………... Date of Examination: 28/April, 2018. iii Holly Quran قَاَل تَ َعاََل: م آ آ م آ ﴿يرفَ آ َنُ َ ني َ َ ُ َ ُ َ ني َ آ ٍ آ أُ تُ َ َ ع ل َ َدَرَجات َنُ مباتَعَملُ َن َخبريٌ ﴾ سورةالمجادلة ﴿11﴾ iv Dedication To those who taught me how to catch the pen a speak to my mother Who taught me contestation My father My brothers To my teachers my friends My colleagues in the study To Family of department of physics &mathematics, Faculty of Education –El Hasaheisa, University of Gezira to all those who are the source of their nation`s progress. v Acknowledgements Thanks to the University of Gezira, college of Engineering and technology, especially the electronics department that we have and to Dr. Hasaballrasoul Gesmallh Ismail Professor Mubarak Dirar Abdullah "University of Sudan", Dr. Mohammed Saeed Dawalbait and Dr. Murtada Abdul Wahab Mohammed "University of Gezira. Dr. Abdalsaki University of Elnileen. vi Effect of Adding Selected Impurities the Optical and Electrical Properties of Silicon Mohamed Osman Ahmed Ibrahim M.Sc. in Physics Abstract The Impurities are used to improve optical and electrical properties for semiconductor, in this piece of study impurities are used to improve the optical and electrical properties of a silicon semiconductor. The aim of this study effect of adding impurities to improve the optical and electrical properties of silicon. For this reason three different samples are prepared from silicon doped with different types of impurities having the different concentration. One sample is doped with iodine pointedly (1.03%), another one is doped with Coumarin 500 pointedly (1.05%) and the third one is doped with Rohdamin B pointedly (1.07%). Spectrometer is used to measure absorption, absorption coefficient, extintion coefficient, and energy gap each of the above three mentioned samples. The results showed that for absorption the maximum is absorbed in the case of iodine sample and the minimum is in the case of the Coumarin 500 while the absorption of the Rohdamin B is found to lie in between that of these two samples. For the absorption coefficient the results showed that the maximum is in the case of the Rohdamin B sample and the minimum is for the Coumarin 500 sample while the coefficient of absorption for the iodine sample is found to lie in between that of these two samples. As for the excitation coefficient it is found that the maximum occurred in the case of the Rohdamin B sample and the minimum is in the case of the Coumarin 500 sample while that for the iodine sample is found to lie in between that of the above two cases. Finally the results of measurements of the energy gap are found to be 2.11 ev for the Coumarin 500 sample, 2.08 ev for the iodine sample, 2.03 ev for the Rohdamin B sample. The outcome of the results found in this piece of study indicate that the energy gap and the absorption increase of the three doped samples. However, the absorption coefficient and excitation coefficient are found to depend on the type of the impurity used. Here they are found to increase in the case of the iodine and Rohdamin B impurities and to decrease in the case of Coumarin 500. This study recommends to use same types of impurities added to anther semiconductor like germanium having the same concentration used have so as to see whether the results obtained here constitute a general rule or they just a special singular case. vii أثر تغيير إضافة الشوائب في تحسين الصفات الضوئية والكهربية للسليكون محمد عثمان أحمد إبراهيم ماجستير العلوم في الفيزياء ملخص الدراسة الشووووووها ا لدووووووو ال ووووووو ة علوووووووى تحسوووووووات الضوووووو ال وووووووه اة والكدرب اوووووووة ﻷشوووووووو ﻻ ال ه ووووووو . فووووووا جوووووواا السووووووائ ووووووت ال ا ووووووة الشووووووها ا تسووووووكو لكحسووووووات الضوووووو ال ووووووه اة والكدرباووووووة للسوووووولاكه شووووووو ال ه ووووو . والدووووو ا وووووت ال ا وووووة ا وووووة تووووور صفووووو فة الشوووووها ا فوووووا تحسوووووات الضووووو ال وووووه اة والكدرباوووووة للسووووولاكه . لدووووواا السووووووا توووووا تح وووووار تووووو ن عاوووووو وكل وووووة وووووت السووووولاكه وشوووووهب بووووو ها وكل ووووووة ووووووت الشووووووها ا بكرا اووووووا وكل ووووووة. ال اوووووووة اﻷولووووووى شووووووهب ب وضوووووور الاووووووه بكر اووووووا 1.03%(، وال اوووووووة الش اووووووة شووووووهب ب وضوووووور الكووووووه ر ت 500بكر اووووووا %1.05(، وال اوووووووة الش لشووووووة شووووووهب ب وضوووووور الووووووووووورو ا ات بكر اوووووووووووا %1.07(. وجدووووووووووو إ اووووووووووو ا وووووووووووه ص بوووووووووووا 2000 سوووووووووووكو ل اووووووووووو اﻹ كضووووووو ، ووووووو اﻹ كضووووووو ، ووووووو الكوووووووهجات، وفسوووووووهة ال نوووووووة لل اوووووووو ال وووووووا ه ة عووووووو ﻻ. الوكووووووو وفوووووووح علوووووووى ص كضووووووو ووووووو لل اووووووووة ال شوووووووهبة ب وضووووووورالاه و نووووووو نا وووووووو لل اووووووووة ال شووووووهبة ب وضوووووور الكووووووه ر ت 500، باو وووووو اﻹ كضوووووو ل اوووووووة الوووووورو ا ات وجوووووو فووووووا ال وووووو بووووووات ال اوكووووووات عوووووو ﻻ. ل وووووو اﻹ كضوووووو الوكوووووو وفووووووح علووووووى نا ووووووة فووووووا لووووووة ال اوووووووة ال شووووووهبو ب وضووووور الووووورو ا ات و نووووو نا وووووة فوووووا لوووووة ال اووووووة ال شوووووهبو ب وضووووور الكوووووه ر ت 500 باو ووووو لل اووووووة ال شوووووهبو ب وضووووور الاوووووه وجووووو بوووووات ال اوكوووووات عووووو ﻻ. ب لوسووووووة ل ووووو الكوووووهجات وجووووو علوووووا نا وووووة لوووووو فوووووا ال اووووووة ال شوووووهبة ب وضووووور الووووورو ا ات و نووووو نا وووووة لل اووووووة ال شوووووهبة ب وضووووور الكوووووه ر ت 500 باو ووووو لل اووووووة ال شوووووهبو ب وضووووور الاوووووه وجووووو فوووووا ال ووووو بوووووات ال اوكوووووات عووووو ﻻ. اووووورا كووووو نا ووووو فسووووووووووهة ال نووووووووووة وووووووووو 2.11 صلككوووووووووورو فهلوووووووووو لل اوووووووووووة ال شووووووووووهبو ب وضوووووووووور الكووووووووووه ر ت 500، 2.08صلككوووووووورو فهلوووووووو لل اوووووووووة ال شووووووووهبو ب وضوووووووور الاووووووووه و2.03 صلككوووووووورو فهلوووووووو لل اوووووووووة ال شووووووووهبو ل وضووووور الووووورو ا ات . ورجووووو جووووواﻻ السا اوووووو وووووت ال ا وووووو وجووووو دووووو تشوووووار صلوووووى فسوووووهة ال نوووووو واﻹ كضووووووو ا ووووووو ا فوووووووا لوووووووة الش توووووووة عاوووووووو ال شوووووووهبة، باو ووووووو ووووووو اﻹ كضووووووو و ووووووو الكووووووهجات وجوووووو د وووووو ك وووووو ا علووووووا هعاووووووة الشووووووها ا ال سووووووكو و اوووووو د وووووو ا وووووو ا فووووووا لووووووة الكشووووووه ا بوووووو لاه والوووووورو ا ات وت وووووو فووووووا لووووووة الكووووووه ر ت 500. جوووووواﻻ ال ا ووووووة ته ووووووا ب ووووووكو ا وووووو الشوووووها ا وصفووووو فكد لشووووووو ه ووووو ووووور لسر ووووو اه بوووووو و الكرا اوووووا ل رفوووووة جووووو جووووواﻻ الوكووووو ال ة ت كور ن ع ة ع و لة ة ب لسلاكه . viii Table of Contents NO Subject page 1 Halley Quran iv 2 Dedication v 3 Acknowledgment vi 6 English Abstract vii 7 Arabic Abstract viii 8 Table of Contents ix 9 List of Figures xi 10 List of Abbreviations xii Chapter One Introduction 1.1 Overview 1 1.2 A study Problem 2 1.3 Aims of research 3 1.4 Methodology 3 1.5 Lay out of these 3 Chapter Two Literature Review 2.1 Introduction 4 2.2 Semiconductor 4 2.3 Semiconductor types 4 2.4 Semiconductor devices 6 2.5 Energy bands and electrical conduction 10 2.6 Conductivity 21 2.7 Impurities 23 2.8 Doping of Semiconductor 25 2.9 Silicon 26 2.10 Absorption 28 ix 2.11 Absorption Coefficients 28 2.12 Determination Of Band Gaps 29 2.13 Literature Review 29 Chapter Three Material and Method 3.1 Material 32 3.1.1 Iodine 32 3.1.2 Coumarine500 32 3.1.3 Rohdamin B 32 3.1.4 Spin Coating 32 3.1.5 USB2000 33 3.2 Methods 33 Chapter Four Results and Discussion 4.1 Results 35 4.2 Discussion 37 Chapter Five Conclusion and Recommendations 5.1 Conclusion 39 5.2 Recommendation 39 5.3 Reference 40 x List of Figures No Figures Page 2.1 Fermi levels to metal, semimetal, semiconductor and insulator 10 2.2 Two-dimensional representation of the silicon lattice 18 2.3 (a) Donor and (b) acceptor levels in extrinsic semiconductors 19 2.4 Schematic representation of the number of electrons per cubic 20 centimeter in the conduction band versus temperature for an extrinsic semiconductor with low doping 2.5 Conductivity of two extrinsic semiconductor 21 3.1 USB 2000 spectrometer 33 4.1 relationship between absorbance and wavelength 35 4.2 the relation between the Absorption coefficient and 35 wavelengths 4.3 the relation between the Excitation coefficient and wavelengths 36 4.4 relationship between ( (αhf)² ev. m⁻ ¹ and (hf) ev) 36 xi List of Abbreviations Abbreviation Full name ICs Integrated circuits. LED Light Emitting Diode USB Universal Serial Bus xii Chapter One Introduction 1.1 Overview A semiconductor material has an electrical conductivity value falling between that of a conductor, such as copper, and an insulator, such as glass. Their resistance decreases as their temperature increases, which is behavior opposite to that of a metal.