बेसिक इलेक्ट्रॉनिक्स - अर्धचालक

semiconductorएक पदार्थ है जिसका प्रतिरोध कंडक्टर और इन्सुलेटर के बीच स्थित है। प्रतिरोधकता की संपत्ति केवल एक ही नहीं है जो अर्धचालक के रूप में एक सामग्री का फैसला करती है, लेकिन इसके कुछ गुण निम्नानुसार हैं।

  • अर्धचालक में प्रतिरोधकता होती है जो इन्सुलेटर से कम और कंडक्टर से अधिक होती है।

  • अर्धचालक नकारात्मक तापमान सह-कुशल होते हैं। अर्धचालकों में प्रतिरोध, तापमान में कमी और इसके विपरीत बढ़ता है।

  • एक अर्धचालक परिवर्तन के गुणों का संचालन, जब एक उपयुक्त धातु अशुद्धता को इसमें जोड़ा जाता है, जो एक बहुत ही महत्वपूर्ण संपत्ति है।

इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में सेमीकंडक्टर उपकरणों का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है। ट्रांजिस्टर ने भारी वैक्यूम ट्यूबों को बदल दिया है, जिससे उपकरणों का आकार और लागत कम हो गई है और इस क्रांति ने अपनी गति को बढ़ाते हुए नए आविष्कारों जैसे एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर अग्रसर किया है। निम्नलिखित दृष्टांत अर्धचालक का वर्गीकरण दर्शाता है।

अर्धचालक में आचरण

इलेक्ट्रॉनों पर कुछ ज्ञान होने के बाद, हमें पता चला कि सबसे बाहरी शेल में है valence electronsजो नाभिक से शिथिल रूप से जुड़े होते हैं। इस तरह का एक परमाणु, जिसमें अन्य इलेक्ट्रॉनों के पास होने पर वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, इन दोनों परमाणुओं के वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को शामिल होने के लिए "Electron pairs"। यह संबंध इतना मजबूत नहीं है और इसलिए यह एक हैCovalent bond

उदाहरण के लिए, एक जर्मेनियम परमाणु में 32 इलेक्ट्रॉन होते हैं। पहली कक्षा में 2 इलेक्ट्रॉन, दूसरी कक्षा में 8, तीसरी कक्षा में 18 जबकि अंतिम कक्षा में 4 इलेक्ट्रॉन हैं। ये 4 इलेक्ट्रॉन जर्मेनियम परमाणु के वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं। इन इलेक्ट्रॉनों को परमाणुओं के संयोजी इलेक्ट्रॉनों के साथ संयोजित करने के लिए, इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाने के लिए, जैसा कि निम्नलिखित आकृति में दिखाया गया है।

होल का निर्माण

क्रिस्टल को आपूर्ति की जाने वाली तापीय ऊर्जा के कारण, कुछ इलेक्ट्रॉन अपने स्थान से हट जाते हैं और सहसंयोजक बंधनों को तोड़ देते हैं। इन टूटे सहसंयोजक बंधों के परिणामस्वरूप, मुक्त इलेक्ट्रॉनों जो बेतरतीब ढंग से घूमते हैं। लेकिन वोmoved away electrons पीछे एक खाली जगह या वैलेन्स बनाता है, जिसे ए कहा जाता है hole

यह छेद जो एक लापता इलेक्ट्रॉन का प्रतिनिधित्व करता है, उसे एक इकाई सकारात्मक चार्ज माना जा सकता है जबकि इलेक्ट्रॉन को एक इकाई ऋणात्मक आवेश माना जाता है। मुक्त इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए बेतरतीब ढंग से चलते हैं, लेकिन जब कुछ बाहरी विद्युत क्षेत्र को लागू किया जाता है, तो ये इलेक्ट्रॉन लागू क्षेत्र के विपरीत दिशा में चलते हैं। लेकिन इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति के कारण बनाए गए छेद, लागू फ़ील्ड की दिशा में चलते हैं।

होल करंट

यह पहले से ही समझा जाता है कि जब एक सहसंयोजक बंधन टूट जाता है, तो एक छेद बनाया जाता है। दरअसल, एक सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए अर्धचालक क्रिस्टल की एक मजबूत प्रवृत्ति होती है। इसलिए, क्रिस्टल में एक छेद मौजूद नहीं है। यह निम्नलिखित आंकड़े से बेहतर समझा जा सकता है, एक अर्धचालक क्रिस्टल जाली दिखा रहा है।

एक इलेक्ट्रॉन, जब एक जगह ए से स्थानांतरित हो जाता है, तो एक छेद बनता है। सहसंयोजक बंधन के गठन की प्रवृत्ति के कारण, बी से एक इलेक्ट्रॉन ए। में स्थानांतरित हो जाता है, फिर से बी में सहसंयोजक बंधन को संतुलित करने के लिए, एक इलेक्ट्रॉन सी से बी में स्थानांतरित हो जाता है। यह एक पथ का निर्माण जारी रखता है। एक लागू क्षेत्र की अनुपस्थिति में छेद का यह आंदोलन यादृच्छिक है। लेकिन जब विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो छेद लागू क्षेत्र के साथ बह जाता है, जो बनता हैhole current। इसे होल करंट कहा जाता है लेकिन इलेक्ट्रॉन करंट नहीं, क्योंकि, होल का मूवमेंट करंट फ्लो में योगदान देता है।

यादृच्छिक गति में इलेक्ट्रॉनों और छेद, जोड़े बनाने के लिए एक दूसरे के साथ मुठभेड़ कर सकते हैं। इस पुनर्संयोजन के परिणामस्वरूप गर्मी निकलती है, जो एक और सहसंयोजक बंधन को तोड़ती है। जब तापमान बढ़ता है, तो इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की पीढ़ी की दर बढ़ जाती है, इस प्रकार पुनर्संयोजन की दर बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की घनत्व बढ़ जाती है। नतीजतन, अर्धचालक की चालकता बढ़ जाती है और प्रतिरोधकता घट जाती है, जिसका अर्थ है नकारात्मक तापमान गुणांक।

आंतरिक अर्धचालक

अपने अत्यंत शुद्ध रूप में एक अर्धचालक एक कहा जाता है intrinsic semiconductor। इस शुद्ध अर्धचालक के गुण इस प्रकार हैं -

  • इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को पूरी तरह से थर्मल उत्तेजना द्वारा बनाया जाता है।
  • मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या छिद्रों की संख्या के बराबर है।
  • कमरे के तापमान पर चालन क्षमता छोटी होती है।

आंतरिक अर्धचालक की चालन क्षमता को बढ़ाने के लिए, कुछ अशुद्धियों को जोड़ना बेहतर होता है। अशुद्धियों को जोड़ने की इस प्रक्रिया को कहा जाता हैDoping। अब, इस डोप किए गए आंतरिक सेमीकंडक्टर को एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर कहा जाता है।

डोपिंग

अर्धचालक पदार्थों में अशुद्धियों को जोड़ने की प्रक्रिया को डोपिंग कहा जाता है। गयी अशुद्धियाँ, आम तौर पर पेंटावैलेंट और ट्रिटिव अशुद्धियाँ होती हैं।

Pentavalent Impurities

  • pentavalentअशुद्धियाँ वे हैं जो बाहरी सबसे कक्षा में पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं। उदाहरण: बिस्मथ, एंटीमनी, आर्सेनिक, फॉस्फोरस

  • पेंटावैलेंट परमाणु को एक कहा जाता है donor atom क्योंकि यह शुद्ध अर्धचालक परमाणु के चालन बैंड को एक इलेक्ट्रॉन दान करता है।

Trivalent Impurities

  • trivalentअशुद्धियाँ वे हैं जिनमें बाहरी सबसे अधिक कक्षा में तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं। उदाहरण: गैलियम, इंडियम, एल्युमिनियम, बोरॉन

  • ट्रिटेंट परमाणु को ए कहा जाता है acceptor atom क्योंकि यह अर्धचालक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करता है।

बाहरी सेमीकंडक्टर

एक अशुद्ध अर्धचालक, जिसे एक शुद्ध अर्धचालक डोपिंग द्वारा बनाया जाता है, एक कहा जाता है extrinsic semiconductor। जोड़े गए अशुद्धता के प्रकार के आधार पर दो प्रकार के बाह्य अर्धचालक होते हैं। वे एन-टाइप एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर और पी-टाइप एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर हैं।

एन-टाइप एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर

पेन्टावैलेंट अशुद्धता की एक छोटी मात्रा को शुद्ध अर्धचालक में जोड़ा जाता है जिसके परिणामस्वरूप Ntype बाह्य अर्धचालक होता है। अतिरिक्त अशुद्धता में 5 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं।

उदाहरण के लिए, अगर आर्सेनिक परमाणु को जर्मेनियम परमाणु में जोड़ा जाता है, तो चार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को जीई परमाणुओं के साथ जोड़ा जाता है, जबकि एक इलेक्ट्रॉन एक मुक्त इलेक्ट्रॉन के रूप में रहता है। यह निम्न आकृति में दिखाया गया है।

ये सभी मुक्त इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन करंट का निर्माण करते हैं। इसलिए, शुद्ध अर्धचालक में जोड़ा जाने वाला अशुद्धता, चालन के लिए इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है।

  • एन-प्रकार के बाहरी अर्धचालक में, जैसा कि इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से चालन होता है, इलेक्ट्रॉन बहुसंख्य वाहक होते हैं और छिद्र अल्पसंख्यक वाहक होते हैं।

  • चूंकि सकारात्मक या ऋणात्मक आवेशों का कोई जोड़ नहीं है, इलेक्ट्रान विद्युत रूप से उदासीन होते हैं।

  • जब एक विद्युत क्षेत्र को एन-टाइप सेमीकंडक्टर पर लागू किया जाता है, जिसमें एक पेंटावेलेंट अशुद्धता जोड़ा जाता है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन सकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर जाते हैं। इसे नकारात्मक या एन-प्रकार की चालकता कहा जाता है।

पी-टाइप एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर

पी-टाइप एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर में परिणाम के लिए शुद्ध अर्धचालक में एक छोटी मात्रा में सुगंधित अशुद्धता जोड़ी जाती है। अतिरिक्त अशुद्धता में 3 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। उदाहरण के लिए, यदि बोरोन परमाणु को जर्मेनियम परमाणु में जोड़ा जाता है, तो तीन सहसंयोजक इलेक्ट्रॉन तीन परमाणु सहसंयोजक बंध बनाने के लिए, जीई परमाणुओं के साथ जुड़ जाते हैं। लेकिन, जर्मेनियम में एक और इलेक्ट्रॉन बिना किसी बंधन के बना रहता है। चूंकि सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए बोरान में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं है, इसलिए अंतरिक्ष को एक छेद के रूप में माना जाता है। यह निम्न आकृति में दिखाया गया है।

बोरान अशुद्धता जब थोड़ी मात्रा में जोड़ा जाता है, तो कई छेद प्रदान करता है जो चालन में मदद करता है। इन सभी छेदों में छेद करंट बनता है।

  • पी-प्रकार के बाहरी अर्धचालक में, चूंकि चालन छिद्रों के माध्यम से होता है, छिद्र बहुसंख्य वाहक होते हैं जबकि इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक वाहक होते हैं।

  • यहां जोड़ी गई अशुद्धता छिद्र प्रदान करती है जिसे कहा जाता है acceptors, क्योंकि वे जर्मेनियम परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करते हैं।

  • जैसे ही मोबाइल छेदों की संख्या स्वीकार करने वालों की संख्या के बराबर रहती है, Ptype अर्धचालक विद्युत रूप से तटस्थ रहता है।

  • जब एक बिजली के क्षेत्र को पी-टाइप सेमीकंडक्टर पर लागू किया जाता है, जिसमें एक सुव्यवस्थित अशुद्धता जोड़ा जाता है, तो छेद नकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर यात्रा करते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनों की तुलना में धीमी गति से। इसे पी-टाइप चालकता कहा जाता है।

  • इस पी-प्रकार की चालकता में, वैलेंस इलेक्ट्रॉन एन-प्रकार के विपरीत, एक सहसंयोजक बंधन से दूसरे में जाते हैं।

सिलिकॉन अर्धचालक में क्यों पसंद किया जाता है?

जर्मेनियम और सिलिकॉन जैसी अर्धचालक सामग्रियों के बीच, विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक घटकों के निर्माण के लिए बड़े पैमाने पर उपयोग की जाने वाली सामग्री है Silicon (Si)। जर्मेनियम पर सिलिकॉन कई कारणों से पसंद किया जाता है जैसे कि -

  • ऊर्जा बैंड का अंतर 0.7ev है, जबकि जर्मेनियम के लिए यह 0.2ev है।

  • थर्मल जोड़ी पीढ़ी छोटी है।

  • SiO2 परत का गठन सिलिकॉन के लिए आसान है, जो एकीकरण प्रौद्योगिकी के साथ कई घटकों के निर्माण में मदद करता है।

  • जीई की तुलना में सी आसानी से प्रकृति में पाया जाता है।

  • Ge की तुलना में Si से बने घटकों में शोर कम है।

इसलिए, सिलिकॉन का उपयोग कई इलेक्ट्रॉनिक घटकों के निर्माण में किया जाता है, जिनका उपयोग विभिन्न उद्देश्यों के लिए विभिन्न सर्किट बनाने के लिए किया जाता है। इन घटकों में व्यक्तिगत गुण और विशेष उपयोग हैं।

मुख्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों में शामिल हैं - रेसिस्टर्स, वेरिएबल रेसिस्टर्स, कैपेसिटर, वेरिएबल कैपेसिटर, इंडक्टर्स, डायोड्स, टनल डायोड, वैक्टर डायोड, ट्रांजिस्टर, BJTs, UJTs, FETs, MOSFETs, LDR, LED, सोलर सेल, थर्मिस्टर, Varistor, ट्रांसफार्मर, स्विचेस। , रिले, आदि।