सेमीकंडक्टर चालकता

विद्युत प्रवाह का संचालन करने या न करने में सक्षम पदार्थ केवल कंडक्टर और डाइलेक्ट्रिक्स के सख्त विभाजन तक सीमित नहीं हैं। सिलिकॉन, सेलेनियम, जर्मेनियम, और अन्य खनिजों और मिश्र धातुओं जैसे अर्धचालक भी एक अलग समूह के रूप में अलग होने के योग्य हैं।

ये पदार्थ विद्युत प्रवाह को डाइलेक्ट्रिक्स से बेहतर करते हैं, लेकिन धातुओं से भी बदतर होते हैं, और बढ़ते तापमान या रोशनी के साथ उनकी चालकता बढ़ जाती है। सेमीकंडक्टर्स की यह विशेषता उन्हें प्रकाश और तापमान सेंसर में लागू करती है, लेकिन उनका मुख्य अनुप्रयोग अभी भी इलेक्ट्रॉनिक्स है।

यदि आप देखें, उदाहरण के लिए, एक सिलिकॉन क्रिस्टल में, आप पा सकते हैं कि सिलिकॉन की संयोजकता 4 है, अर्थात इसके परमाणु के बाहरी आवरण पर 4 इलेक्ट्रॉन होते हैं जो क्रिस्टल में चार पड़ोसी सिलिकॉन परमाणुओं से बंधे होते हैं। यदि ऐसा क्रिस्टल गर्मी या प्रकाश से प्रभावित होता है, तो वैलेंस इलेक्ट्रॉन ऊर्जा में वृद्धि प्राप्त करेंगे और मुक्त इलेक्ट्रॉन बनकर अपने परमाणुओं को छोड़ देंगे - अर्धचालक की खुली मात्रा में एक इलेक्ट्रॉन गैस दिखाई देगी - जैसे कि धातुओं में, अर्थात यह एक होल्डिंग स्थिति होगी।

लेकिन धातुओं के विपरीत, अर्धचालक इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की अपनी चालकता में भिन्न होते हैं। ऐसा क्यों हो रहा है और क्या है? जब वैलेंस इलेक्ट्रॉन अपनी साइटों को छोड़ देते हैं, तो नकारात्मक चार्ज की कमी के क्षेत्र- "छेद" - उन पूर्व साइटों में बनते हैं, जिनमें अब धनात्मक चार्ज की अधिकता होती है।

पड़ोसी इलेक्ट्रॉन आसानी से परिणामी "छेद" में कूद जाएगा, और जैसे ही यह छेद उस इलेक्ट्रॉन से भर जाता है जो उसमें कूद गया था, कूदने वाले इलेक्ट्रॉन के स्थान पर फिर से एक छेद बन जाता है।

यही है, यह पता चला है कि एक छेद अर्धचालक का एक सकारात्मक रूप से आवेशित गतिमान क्षेत्र है। और जब एक सेमीकंडक्टर एक ईएमएफ स्रोत के साथ एक सर्किट से जुड़ा होता है, तो इलेक्ट्रॉन स्रोत के सकारात्मक टर्मिनल और छिद्रों को नकारात्मक टर्मिनल पर ले जाएंगे। इस प्रकार अर्धचालक की आंतरिक चालकता होती है।

एक लागू विद्युत क्षेत्र के बिना एक अर्धचालक में छिद्रों और चालन इलेक्ट्रॉनों की गति अराजक होगी। यदि किसी बाहरी विद्युत क्षेत्र को क्रिस्टल पर लागू किया जाता है, तो उसके अंदर के इलेक्ट्रॉन क्षेत्र के विरुद्ध गति करेंगे, और छिद्र क्षेत्र के साथ-साथ चलेंगे, अर्थात अर्धचालक में आंतरिक चालन की घटना घटित होगी, जो न केवल होगी इलेक्ट्रॉनों के कारण, बल्कि छिद्रों के कारण भी।

एक अर्धचालक में, चालन हमेशा कुछ बाहरी कारकों के प्रभाव में होता है: फोटोन के विकिरण के कारण, तापमान के प्रभाव से, जब विद्युत क्षेत्र लागू होते हैं, आदि।

सेमीकंडक्टर में फर्मी स्तर बैंड गैप के बीच में पड़ता है। ऊपरी वैलेंस बैंड से निचले चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉन के संक्रमण के लिए बैंडगैप डेल्टा के बराबर सक्रियण ऊर्जा की आवश्यकता होती है (चित्र देखें)। और जैसे ही कंडक्शन बैंड में एक इलेक्ट्रॉन दिखाई देता है, वैलेंस बैंड में एक छेद बन जाता है। इस प्रकार, वर्तमान वाहकों की एक जोड़ी के निर्माण के दौरान खर्च की गई ऊर्जा को समान रूप से विभाजित किया जाता है।

आधी ऊर्जा (बैंड की आधी चौड़ाई के अनुरूप) इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण पर और आधी छेद बनाने पर खर्च की जाती है; नतीजतन, मूल पट्टी चौड़ाई के मध्य से मेल खाती है। सेमीकंडक्टर में फर्मी ऊर्जा वह ऊर्जा है जिस पर इलेक्ट्रॉन और छिद्र उत्तेजित होते हैं। बैंड गैप के बीच में सेमीकंडक्टर के लिए फर्मी स्तर की स्थिति की पुष्टि गणितीय गणनाओं द्वारा की जा सकती है, लेकिन हम यहां गणितीय गणनाओं को छोड़ देते हैं।

बाहरी कारकों के प्रभाव में, उदाहरण के लिए, जब तापमान बढ़ता है, अर्धचालक के क्रिस्टल जाली के थर्मल कंपन कुछ वैलेंस बांडों के विनाश की ओर ले जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कुछ इलेक्ट्रॉन मुक्त चार्ज वाहक बन जाते हैं, अलग हो जाते हैं .

अर्धचालकों में, छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों के निर्माण के साथ, पुनर्संयोजन प्रक्रिया होती है: इलेक्ट्रॉन चालन बैंड से वैलेंस बैंड में गुजरते हैं, क्रिस्टल जाली को अपनी ऊर्जा देते हैं और विद्युत चुम्बकीय विकिरण के क्वांटा का उत्सर्जन करते हैं।इस प्रकार, प्रत्येक तापमान छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों की संतुलन सांद्रता से मेल खाता है, जो निम्न अभिव्यक्ति के अनुसार तापमान पर निर्भर करता है:

अर्धचालकों की अशुद्धता चालकता भी होती है, जब एक शुद्ध अर्धचालक के क्रिस्टल में थोड़ा अलग पदार्थ पेश किया जाता है जिसमें मूल पदार्थ की तुलना में उच्च या निम्न वैधता होती है।

यदि शुद्ध में, कहते हैं, एक ही सिलिकॉन, छिद्रों और मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान है, अर्थात, वे जोड़े में हर समय बनते हैं, तो सिलिकॉन में अशुद्धता के मामले में, उदाहरण के लिए, आर्सेनिक, एक 5 की वैलेंस, छिद्रों की संख्या मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या से कम होगी, अर्थात, एक अर्धचालक बड़ी संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ बनता है, नकारात्मक रूप से चार्ज होता है, यह एक एन-प्रकार (नकारात्मक) अर्धचालक होगा। और अगर आप इंडियम को मिलाते हैं, जिसकी संयोजकता 3 है, जो सिलिकॉन से कम है, तो अधिक छिद्र होंगे—यह एक p-प्रकार (सकारात्मक) अर्धचालक होगा।

अब, यदि हम विभिन्न चालकता वाले अर्धचालकों को संपर्क में लाते हैं, तो संपर्क के बिंदु पर हमें p-n जंक्शन मिलता है। एन-क्षेत्र से चलने वाले इलेक्ट्रॉन और पी-क्षेत्र से जाने वाले छिद्र एक-दूसरे की ओर बढ़ने लगेंगे, और संपर्क के विपरीत दिशा में विपरीत चार्ज वाले क्षेत्र होंगे (पीएन-जंक्शन के विपरीत तरफ): एक सकारात्मक आवेश n-क्षेत्र में संचित होगा और ऋणात्मक आवेश p-क्षेत्र में। संक्रमण के संबंध में क्रिस्टल के विभिन्न भाग विपरीत रूप से आवेशित होंगे। यह पद सभी के कार्य के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण होता है। अर्धचालक उपकरण.

इस तरह के एक उपकरण का सबसे सरल उदाहरण अर्धचालक डायोड है, जहां केवल एक पीएन जंक्शन का उपयोग किया जाता है, जो कार्य को प्राप्त करने के लिए पर्याप्त है - केवल एक दिशा में वर्तमान का संचालन करने के लिए।

एन-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन शक्ति स्रोत के धनात्मक ध्रुव की ओर बढ़ते हैं और पी-क्षेत्र से छिद्र ऋणात्मक ध्रुव की ओर बढ़ते हैं। जंक्शन के पास पर्याप्त सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज जमा हो जाएंगे, जंक्शन का प्रतिरोध काफी कम हो जाएगा और सर्किट से करंट प्रवाहित होगा।

डायोड के रिवर्स कनेक्शन में, करंट हजारों गुना कम निकलेगा, क्योंकि जंक्शन से अलग-अलग दिशाओं में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को बस एक विद्युत क्षेत्र द्वारा उड़ाया जाएगा। यह सिद्धांत काम करता है डायोड सही करनेवाला.