आंतरिक सेमीकंडक्टर और एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर - एनर्जी बैंड और डोपिंग क्या है?

सेमीकंडक्टर, जैसा कि नाम से पता चलता है, एक प्रकार की सामग्री है जो कंडक्टर और इंसुलेटर दोनों के गुण दिखाती है। एक अर्धचालक सामग्री को चालन के लिए अपने वाहक को मुक्त करने के लिए एक निश्चित स्तर के वोल्टेज या गर्मी की आवश्यकता होती है। इन अर्धचालकों को वाहकों की संख्या के आधार पर 'आंतरिक' और 'बाह्य' के रूप में वर्गीकृत किया गया है। आंतरिक वाहक अर्धचालक का सबसे शुद्ध रूप है और इलेक्ट्रॉनों की समान संख्या (ऋणात्मक आवेश वाहक) और छिद्र (धनात्मक आवेश वाहक) हैं। सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge), और गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक पदार्थ हैं। आइए हम इस प्रकार के अर्धचालकों की विशेषताओं और व्यवहार का अध्ययन करें। एक आंतरिक अर्धचालक क्या है? आंतरिक अर्धचालक को बिना किसी डोपिंग या अशुद्धता के रासायनिक रूप से शुद्ध सामग्री के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। उपलब्ध सबसे अधिक ज्ञात आंतरिक या शुद्ध अर्धचालक सिलिकॉन (सी) और जर्मेनियम (जीई) हैं। एक निश्चित वोल्टेज लगाने पर अर्धचालक का व्यवहार उसकी परमाणु संरचना पर निर्भर करता है। सिलिकॉन और जर्मेनियम दोनों के सबसे बाहरी कोश में चार-चार इलेक्ट्रॉन होते हैं। एक दूसरे को स्थिर करने के लिए आस-पास के परमाणु वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के बंटवारे के आधार पर सहसंयोजक बंधन बनाते हैं। सिलिकॉन की क्रिस्टल जालक संरचना में यह बंधन चित्र 1 में दिखाया गया है। यहाँ यह देखा जा सकता है कि दो Si परमाणु जोड़ी के संयोजक इलेक्ट्रॉन एक सहसंयोजक बंधन बनाते हैं। चित्रा 1. सिलिकॉन परमाणु के सहसंयोजक बंधन सभी सहसंयोजक बंधन स्थिर होते हैं और चालन के लिए कोई वाहक उपलब्ध नहीं होते हैं। यहां आंतरिक अर्धचालक एक इन्सुलेटर या गैर-कंडक्टर के रूप में व्यवहार करता है। अब यदि परिवेश का तापमान कमरे के तापमान के करीब आता है तो सहसंयोजक बंध टूटने लगते हैं। इस प्रकार संयोजकता कोश से इलेक्ट्रॉन चालन में भाग लेने के लिए मुक्त होते हैं। जैसे ही चालन के लिए वाहकों की संख्या अधिक होती है, अर्धचालक एक संवाहक सामग्री के रूप में व्यवहार करना शुरू कर देता है। नीचे दिया गया ऊर्जा बैंड आरेख वैलेंस बैंड से चालन बैंड में वाहकों के इस संक्रमण की व्याख्या करता है। ऊर्जा बैंड आरेख चित्र 2(ए) में दिखाया गया ऊर्जा बैंड आरेख दो स्तरों, कंडक्शन बैंड और वैलेंस बैंड को दर्शाता है। दो बैंडों के बीच के स्थान को निषिद्ध अंतराल कहा जाता है चित्रा 2 (ए)। ऊर्जा बैंड आरेख चित्र चित्रा 2 (बी)। अर्धचालक में चालन और संयोजकता बैंड इलेक्ट्रॉन जब एक अर्धचालक पदार्थ को गर्मी या लागू वोल्टेज के अधीन किया जाता है, तो कुछ सहसंयोजक बंधन टूट जाते हैं, जो चित्र 2 (बी) में दिखाए गए अनुसार मुक्त इलेक्ट्रॉनों को उत्पन्न करता है। ये मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्तेजित हो जाते हैं और निषिद्ध अंतराल को पार करने के लिए ऊर्जा प्राप्त करते हैं और वैलेंस बैंड से चालन बैंड में प्रवेश करते हैं। जैसे ही इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड छोड़ता है, यह वैलेंस बैंड में एक छेद छोड़ देता है। एक आंतरिक अर्धचालक में हमेशा समान संख्या में इलेक्ट्रॉन और छेद बनाए जाएंगे और इसलिए यह विद्युत तटस्थता प्रदर्शित करता है। आंतरिक अर्धचालक में विद्युत प्रवाह के संचालन के लिए इलेक्ट्रॉन और छेद दोनों जिम्मेदार होते हैं। एक बाहरी अर्धचालक क्या है? बाहरी अर्धचालक को एक अतिरिक्त अशुद्धता या डोप किए गए अर्धचालक के साथ सामग्री के रूप में परिभाषित किया जाता है। डोपिंग वाहकों की संख्या बढ़ाने के लिए जानबूझकर अशुद्धियों को जोड़ने की प्रक्रिया है। उपयोग किए गए अशुद्धता तत्वों को डोपेंट कहा जाता है। चूंकि बाह्य चालक में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या अधिक होती है, इसलिए यह आंतरिक अर्धचालकों की तुलना में अधिक चालकता प्रदर्शित करता है। उपयोग किए गए डोपेंट के आधार पर बाहरी अर्धचालकों को 'एन-टाइप सेमीकंडक्टर' और 'पी-टाइप सेमीकंडक्टर' के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स: एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स को पेंटावैलेंट अशुद्धियों के साथ डोप किया जाता है। पेंटावेलेंट तत्वों को इसलिए कहा जाता है क्योंकि उनके वैलेंस शेल में 5 इलेक्ट्रॉन होते हैं। पेंटावैलेंट अशुद्धता के उदाहरण फास्फोरस (पी), आर्सेनिक (एएस), सुरमा (एसबी) हैं। जैसा कि चित्र 3 में दर्शाया गया है, डोपेंट परमाणु अपने चार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को चार पड़ोसी सिलिकॉन परमाणुओं के साथ साझा करके सहसंयोजक बंधन स्थापित करता है। पाँचवाँ इलेक्ट्रॉन डोपेंट परमाणु के नाभिक से शिथिल रूप से बंधा रहता है। पांचवें इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए बहुत कम आयनीकरण ऊर्जा की आवश्यकता होती है ताकि यह वैलेंस बैंड को छोड़कर चालन बैंड में प्रवेश करे। पेंटावैलेंट अशुद्धता जाली संरचना को एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करती है और इसलिए इसे दाता अशुद्धता कहा जाता है।चित्रा 3. दाता अशुद्धता के साथ एन-प्रकार अर्धचालक पी-प्रकार अर्धचालक: पी-प्रकार अर्धचालक त्रिसंयोजक अर्धचालक के साथ डोप किए जाते हैं। त्रिसंयोजक अशुद्धियों के संयोजकता कोश में 3 इलेक्ट्रॉन होते हैं। त्रिसंयोजक अशुद्धियों के उदाहरणों में बोरॉन (बी), गैलियम (जी), इंडियम (इन), एल्युमिनियम (अल) शामिल हैं। जैसा कि चित्र 4 में दर्शाया गया है, डोपेंट परमाणु केवल तीन पड़ोसी सिलिकॉन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन स्थापित करता है और चौथे सिलिकॉन परमाणु के साथ बंधन में एक छेद या रिक्ति उत्पन्न होती है। छेद इलेक्ट्रॉन के कब्जे के लिए एक सकारात्मक वाहक या स्थान के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार त्रिसंयोजक अशुद्धता ने एक सकारात्मक रिक्ति या छिद्र प्रदान किया है जो इलेक्ट्रॉनों को आसानी से स्वीकार कर सकता है और इसलिए इसे स्वीकर्ता अशुद्धता कहा जाता है।  चित्रा 4. स्वीकर्ता अशुद्धता के साथ पी-प्रकार अर्धचालक आंतरिक अर्धचालक में वाहक एकाग्रता आंतरिक वाहक एकाग्रता को चालन बैंड में प्रति इकाई मात्रा में इलेक्ट्रॉनों की संख्या या वैलेंस बैंड में प्रति इकाई मात्रा में छिद्रों की संख्या के रूप में परिभाषित किया जाता है। लागू वोल्टेज के कारण, इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड को छोड़ देता है और उसके स्थान पर एक सकारात्मक छेद बनाता है। यह इलेक्ट्रॉन आगे चालन बैंड में प्रवेश करता है और धारा के चालन में भाग लेता है। एक आंतरिक अर्धचालक में, चालन बैंड में उत्पन्न इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में छिद्रों की संख्या के बराबर होते हैं। इसलिए इलेक्ट्रॉन एकाग्रता (एन) एक आंतरिक अर्धचालक में छेद एकाग्रता (पी) के बराबर है। आंतरिक वाहक एकाग्रता के रूप में दिया जा सकता है: एन_आई = एन = पी जहां, एन_आई: आंतरिक वाहक एकाग्रता एन: इलेक्ट्रॉन-वाहक एकाग्रता पी: छेद -वाहक एकाग्रता आंतरिक अर्धचालक की चालकता चूंकि आंतरिक अर्धचालक गर्मी या लागू वोल्टेज के अधीन होता है, इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक यात्रा करते हैं और वैलेंस बैंड में एक सकारात्मक छेद या रिक्ति छोड़ देते हैं। इन छिद्रों को अन्य इलेक्ट्रॉनों द्वारा फिर से भर दिया जाता है क्योंकि अधिक सहसंयोजक बंधन टूट जाते हैं। इस प्रकार इलेक्ट्रॉन और छिद्र विपरीत दिशा में यात्रा करते हैं और आंतरिक अर्धचालक का संचालन शुरू हो जाता है। चालकता बढ़ जाती है जब कई सहसंयोजक बंधन टूट जाते हैं जिससे चालन के लिए अधिक इलेक्ट्रॉन छेद निकलते हैं। एक आंतरिक अर्धचालक की चालकता को आवेश वाहकों की गतिशीलता और एकाग्रता के संदर्भ में व्यक्त किया जाता है। एक आंतरिक अर्धचालक की चालकता के लिए अभिव्यक्ति इस प्रकार व्यक्त की जाती है:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) जहां σ_i: एक आंतरिक की चालकता सेमीकंडक्टर n_i: आंतरिक वाहक सांद्रता μ_e: इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता μ_h: छिद्रों की गतिशीलता सेमीकंडक्टर थ्योरी MCQs के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया इस लिंक को देखें

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