सेमीकंडक्टर चालकता

विद्युत प्रवाह चालविण्यास किंवा चालविण्यास सक्षम असलेले पदार्थ केवळ कंडक्टर आणि डायलेक्ट्रिक्सच्या कठोर विभागणीपुरते मर्यादित नाहीत. सिलिकॉन, सेलेनियम, जर्मेनियम यांसारखे अर्धसंवाहक आणि इतर खनिजे आणि मिश्र धातु देखील आहेत जे वेगळे गट म्हणून वेगळे केले जाण्यास पात्र आहेत.

हे पदार्थ डायलेक्ट्रिक्सपेक्षा विद्युत प्रवाह चांगले चालवतात, परंतु धातूंपेक्षा वाईट असतात आणि त्यांची चालकता वाढते तापमान किंवा प्रदीपन वाढते. सेमीकंडक्टरचे हे वैशिष्ट्य त्यांना प्रकाश आणि तापमान सेन्सरमध्ये लागू करते, परंतु त्यांचे मुख्य अनुप्रयोग अद्याप इलेक्ट्रॉनिक्स आहे.

जर तुम्ही पाहिले तर, उदाहरणार्थ, सिलिकॉन क्रिस्टलमध्ये, तुम्हाला आढळेल की सिलिकॉनची व्हॅलेन्सी 4 आहे, म्हणजेच त्याच्या अणूच्या बाहेरील शेलवर 4 इलेक्ट्रॉन आहेत जे क्रिस्टलमधील चार शेजारील सिलिकॉन अणूंशी जोडलेले आहेत. जर अशा क्रिस्टलवर उष्णता किंवा प्रकाशाचा परिणाम झाला, तर व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉनला उर्जा वाढेल आणि त्यांचे अणू सोडतील, मुक्त इलेक्ट्रॉन बनतील - सेमीकंडक्टरच्या खुल्या व्हॉल्यूममध्ये एक इलेक्ट्रॉन वायू दिसेल - जसे की धातूंमध्ये, म्हणजे, तो एक धारण स्थिती उद्भवेल.

परंतु धातूंच्या विपरीत, अर्धसंवाहक त्यांच्या इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांच्या चालकतेमध्ये भिन्न असतात. हे का होत आहे आणि ते काय आहे? जेव्हा व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन त्यांची साइट सोडतात, तेव्हा त्या पूर्वीच्या साइट्समध्ये नकारात्मक चार्ज नसलेले क्षेत्र—“छिद्र” — तयार होतात, ज्यांच्याकडे आता जास्त धनभार आहे.

शेजारचा इलेक्ट्रॉन सहजपणे परिणामी "भोक" मध्ये उडी मारेल आणि हे भोक त्यात उडी मारलेल्या इलेक्ट्रॉनने भरले की, उडी मारलेल्या इलेक्ट्रॉनच्या जागी पुन्हा एक छिद्र तयार होईल.

म्हणजेच, असे दिसून आले की छिद्र हा अर्धसंवाहकाचा सकारात्मक चार्ज केलेला हलणारा प्रदेश आहे. आणि जेव्हा सेमीकंडक्टर EMF स्त्रोतासह सर्किटशी जोडलेला असतो, तेव्हा इलेक्ट्रॉन स्त्रोताच्या सकारात्मक टर्मिनलकडे आणि छिद्र नकारात्मक टर्मिनलकडे जातील. सेमीकंडक्टरची अंतर्गत चालकता अशा प्रकारे घडते.

लागू केलेल्या विद्युत क्षेत्राशिवाय अर्धसंवाहकातील छिद्र आणि वहन इलेक्ट्रॉनची हालचाल गोंधळलेली असेल. जर स्फटिकावर बाह्य विद्युत क्षेत्र लागू केले असेल तर त्यातील इलेक्ट्रॉन फील्डच्या विरुद्ध हलतील आणि छिद्रे फील्डच्या बाजूने फिरतील, म्हणजेच अर्धसंवाहकामध्ये अंतर्गत वहन होण्याची घटना घडेल, जे केवळ नाही. इलेक्ट्रॉन्समुळे, पण छिद्रांमुळे देखील.

सेमीकंडक्टरमध्ये, वहन नेहमीच काही बाह्य घटकांच्या प्रभावाखाली होते: फोटॉनसह विकिरणांमुळे, तापमानाच्या प्रभावामुळे, जेव्हा विद्युत क्षेत्र लागू केले जाते, इ.

सेमीकंडक्टरमधील फर्मी पातळी बँड गॅपच्या मध्यभागी येते. इलेक्ट्रॉनच्या वरच्या व्हॅलेन्स बँडपासून खालच्या वहन बँडमध्ये संक्रमण करण्यासाठी बँडगॅप डेल्टा (आकृती पहा) सारखी सक्रियता ऊर्जा आवश्यक आहे. आणि कंडक्शन बँडमध्ये इलेक्ट्रॉन दिसताच व्हॅलेन्स बँडमध्ये एक छिद्र तयार होते. अशा प्रकारे, वर्तमान वाहकांच्या जोडीच्या निर्मिती दरम्यान खर्च केलेली ऊर्जा समान प्रमाणात विभागली जाते.

अर्धी उर्जा (बँड रुंदीच्या अर्ध्याशी संबंधित) इलेक्ट्रॉन ट्रान्सफरवर आणि अर्धी छिद्र तयार करण्यासाठी खर्च केली जाते; परिणामी, मूळ पट्टीच्या रुंदीच्या मध्याशी संबंधित आहे. सेमीकंडक्टरमधील फर्मी ऊर्जा ही अशी ऊर्जा आहे ज्यावर इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे उत्तेजित होतात. बँड गॅपच्या मध्यभागी सेमीकंडक्टरसाठी फर्मी लेव्हल स्थित आहे हे गणितीय गणनेद्वारे निश्चित केले जाऊ शकते, परंतु आम्ही येथे गणितीय गणना वगळतो.

बाह्य घटकांच्या प्रभावाखाली, उदाहरणार्थ, जेव्हा तापमान वाढते तेव्हा सेमीकंडक्टरच्या क्रिस्टल जाळीच्या थर्मल कंपनांमुळे काही व्हॅलेन्स बॉण्ड्स नष्ट होतात, परिणामी काही इलेक्ट्रॉन्स विभक्त होतात, मुक्त चार्ज वाहक बनतात. .

सेमीकंडक्टरमध्ये, छिद्र आणि इलेक्ट्रॉन्सच्या निर्मितीसह, पुनर्संयोजन प्रक्रिया होते: इलेक्ट्रॉन कंडक्शन बँडमधून व्हॅलेन्स बँडमध्ये जातात, त्यांची ऊर्जा क्रिस्टल जाळीला देतात आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशन उत्सर्जित करतात.अशा प्रकारे, प्रत्येक तापमान छिद्र आणि इलेक्ट्रॉनच्या समतोल एकाग्रतेशी संबंधित आहे, जे खालील अभिव्यक्तीनुसार तापमानावर अवलंबून असते:

अर्धसंवाहकांची अशुद्ध चालकता देखील असते, जेव्हा शुद्ध सेमीकंडक्टरच्या क्रिस्टलमध्ये थोडा वेगळा पदार्थ आणला जातो ज्याची व्हॅलेन्सी मूळ पदार्थापेक्षा जास्त किंवा कमी असते.

जर शुद्ध स्वरूपात म्हणा, समान सिलिकॉन, छिद्र आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन्सची संख्या समान असेल, म्हणजेच ते नेहमी जोड्यांमध्ये तयार होतात, तर सिलिकॉनमध्ये अशुद्धता जोडल्या गेल्यास, उदाहरणार्थ, आर्सेनिक, 5 चे व्हॅलेन्स, छिद्रांची संख्या मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या संख्येपेक्षा कमी असेल, म्हणजेच, मोठ्या संख्येने मुक्त इलेक्ट्रॉनसह अर्धसंवाहक तयार होतो, नकारात्मक चार्ज केला जातो, तो एक एन-प्रकार (नकारात्मक) अर्धसंवाहक असेल. आणि जर तुम्ही इंडियम मिक्स केले, ज्याची व्हॅलेन्सी 3 आहे, जी सिलिकॉनपेक्षा कमी आहे, तर तेथे अधिक छिद्रे होतील - ते p-प्रकार (पॉझिटिव्ह) सेमीकंडक्टर असेल.

आता, जर आपण वेगवेगळ्या चालकतेचे अर्धसंवाहक संपर्कात आणले, तर संपर्काच्या ठिकाणी आपल्याला p-n जंक्शन मिळेल. n-क्षेत्रातून हलणारे इलेक्ट्रॉन्स आणि p-प्रदेशातून हलणारे छिद्र एकमेकांकडे जाऊ लागतील आणि संपर्काच्या विरुद्ध बाजूंना विरुद्ध शुल्क असलेले क्षेत्र असतील (pn-जंक्शनच्या विरुद्ध बाजूंना): एक धन शुल्क n-क्षेत्रात जमा होईल आणि p-क्षेत्रात ऋण शुल्क जमा होईल. संक्रमणाच्या संदर्भात क्रिस्टलचे वेगवेगळे भाग विरुद्ध चार्ज केले जातील. प्रत्येकाच्या कामासाठी हे पद खूप महत्त्वाचे आहे. सेमीकंडक्टर उपकरणे.

अशा उपकरणाचे सर्वात सोपे उदाहरण म्हणजे सेमीकंडक्टर डायोड, जेथे फक्त एक pn जंक्शन वापरला जातो, जो कार्य साध्य करण्यासाठी पुरेसा असतो — फक्त एकाच दिशेने विद्युत प्रवाह चालविण्यासाठी.

n-क्षेत्रातील इलेक्ट्रॉन्स उर्जा स्त्रोताच्या सकारात्मक ध्रुवाकडे जातात आणि p-क्षेत्रातील छिद्र नकारात्मक ध्रुवाकडे जातात. जंक्शनजवळ पुरेसे सकारात्मक आणि नकारात्मक शुल्क जमा होतील, जंक्शनचा प्रतिकार लक्षणीयरीत्या कमी होईल आणि विद्युत प्रवाह सर्किटमधून वाहेल.

डायोडच्या रिव्हर्स कनेक्शनमध्ये, विद्युत् प्रवाह हजारो पट कमी बाहेर येईल, कारण जंक्शनपासून वेगवेगळ्या दिशेने इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र विद्युत क्षेत्राद्वारे उडवले जातील. हे तत्त्व कार्य करते डायोड रेक्टिफायर.