अर्धसंवाहकांमध्ये विद्युत प्रवाह

कंडक्टर आणि डायलेक्ट्रिक्स दरम्यान, प्रतिकारशक्तीच्या बाबतीत, स्थित आहेत सेमीकंडक्टर… सिलिकॉन, जर्मेनियम, टेल्युरियम, इ. — आवर्त सारणीतील अनेक घटक आणि त्यांची संयुगे अर्धसंवाहकांची आहेत. अनेक अजैविक पदार्थ अर्धसंवाहक असतात. सिलिकॉन निसर्गात इतरांपेक्षा विस्तीर्ण आहे; पृथ्वीच्या कवचाचा 30% भाग आहे.

सेमीकंडक्टर आणि धातू यांच्यातील मुख्य फरक हा नकारात्मक तापमान गुणांकात आहे: सेमीकंडक्टरचे तापमान जितके जास्त असेल तितका त्याचा विद्युत प्रतिकार कमी असेल. धातूंसाठी, हे उलट आहे: तापमान जितके जास्त असेल तितके जास्त प्रतिकार. जर सेमीकंडक्टर निरपेक्ष शून्यावर थंड केला तर तो होतो डायलेक्ट्रिक.

उच्च तापमान - कमी प्रतिकार

तापमानावरील सेमीकंडक्टर चालकतेचे हे अवलंबित्व एकाग्रता दर्शवते मोफत टॅक्सी चालक सेमीकंडक्टरमध्ये स्थिर नसते आणि तापमानासह वाढते.सेमीकंडक्टरद्वारे विद्युत प्रवाह जाण्याची यंत्रणा धातूंप्रमाणे मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या वायूच्या मॉडेलमध्ये कमी केली जाऊ शकत नाही. ही यंत्रणा समजून घेण्यासाठी, आपण जर्मेनियम क्रिस्टलवर उदाहरणार्थ पाहू शकतो.

सामान्य स्थितीत, जर्मेनियम अणूंमध्ये त्यांच्या बाह्य शेलमध्ये चार व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन असतात - चार इलेक्ट्रॉन जे न्यूक्लियसला सैलपणे बांधलेले असतात. शिवाय, जर्मेनियम क्रिस्टल जाळीतील प्रत्येक अणू चार शेजारच्या अणूंनी वेढलेला असतो. आणि येथे बंध सहसंयोजक आहे, याचा अर्थ ते व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉनच्या जोडीने बनलेले आहे.

असे दिसून आले की प्रत्येक व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन एकाच वेळी दोन अणूंशी संबंधित आहेत आणि जर्मेनियममधील व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉनचे बंध त्याच्या अणूंसह धातूंपेक्षा अधिक मजबूत आहेत. म्हणूनच, खोलीच्या तपमानावर, सेमीकंडक्टर धातूंपेक्षा अधिक तीव्रतेच्या अनेक ऑर्डरचे प्रवाह करतात. आणि निरपेक्ष शून्यावर, जर्मेनियमचे सर्व व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन बाँडमध्ये व्यापले जातील आणि विद्युत प्रवाह प्रदान करण्यासाठी कोणतेही मुक्त इलेक्ट्रॉन नसतील.

जसजसे तापमान वाढते तसतसे काही व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन ऊर्जा मिळवतात जी सहसंयोजक बंध तोडण्यासाठी पुरेशी होते. अशाप्रकारे मुक्त वहन इलेक्ट्रॉन तयार होतात. डिस्कनेक्शन झोनमध्ये एक प्रकारची रिक्त जागा तयार केली जाते- इलेक्ट्रॉनशिवाय छिद्र.

हे भोक शेजारच्या जोडीतील व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉनद्वारे सहजपणे व्यापले जाऊ शकते, नंतर भोक शेजारच्या अणूच्या जागी जाईल. विशिष्ट तापमानात, क्रिस्टलमध्ये तथाकथित इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या तयार होतात.

त्याच वेळी, इलेक्ट्रॉन-होल रीकॉम्बिनेशनची प्रक्रिया घडते - एक छिद्र मुक्त इलेक्ट्रॉनला भेटल्यास जर्मेनियम क्रिस्टलमधील अणूंमधील सहसंयोजक बंध पुनर्संचयित करतो. अशा जोड्या, ज्यामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि एक छिद्र असते, सेमीकंडक्टरमध्ये केवळ तापमानाच्या क्रियेमुळेच उद्भवू शकत नाही, तर जेव्हा अर्धसंवाहक प्रकाशित होतो, म्हणजेच त्यावरील ऊर्जेच्या घटनेमुळे देखील उद्भवू शकतात. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक विकिरण.

जर सेमीकंडक्टरवर कोणतेही बाह्य विद्युत क्षेत्र लागू केले नाही, तर मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र गोंधळलेल्या थर्मल गतीमध्ये गुंततात. परंतु जेव्हा अर्धसंवाहक बाह्य विद्युत क्षेत्रात ठेवला जातो तेव्हा इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे क्रमाने हलू लागतात. तसा तो जन्माला येतो अर्धसंवाहक प्रवाह.

यात इलेक्ट्रॉन करंट आणि होल करंट असतात. सेमीकंडक्टरमध्ये, छिद्र आणि वहन इलेक्ट्रॉनची एकाग्रता समान असते. आणि केवळ शुद्ध अर्धसंवाहकांमध्येच असे होते. इलेक्ट्रॉन होल वहन यंत्रणा… ही सेमीकंडक्टरची आंतरिक विद्युत चालकता आहे.

अशुद्धता वहन (इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र)

सेमीकंडक्टरमध्ये अशुद्धता असल्यास, शुद्ध सेमीकंडक्टरच्या तुलनेत त्याची विद्युत चालकता लक्षणीय बदलते. सिलिकॉन क्रिस्टलमध्ये फॉस्फरसच्या स्वरूपात अशुद्धता 0.001 अणू टक्के प्रमाणात जोडल्यास, चालकता 100,000 पटीने वाढेल! चालकतेवर अशुद्धतेचा इतका महत्त्वपूर्ण प्रभाव समजण्यासारखा आहे.

अशुद्धता चालकतेच्या वाढीसाठी मुख्य अट म्हणजे अशुद्धतेची संयोज्यता आणि मूळ घटकाच्या संयोजीमधील फरक. अशा अशुद्धता वहन म्हणतात अशुद्धता वहन आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र असू शकते.

जर जर्मेनियम क्रिस्टलमध्ये पेंटाव्हॅलेंट अणू, म्हणा, आर्सेनिक, समाविष्ट केले तर इलेक्ट्रॉनिक चालकता सुरू होते, तर जर्मेनियमच्या अणूंची व्हॅलेन्स स्वतः चार असते. जेव्हा पेंटावॅलेंट आर्सेनिक अणू जर्मेनियम क्रिस्टल जाळीच्या जागी असतो, तेव्हा आर्सेनिक अणूचे चार बाह्य इलेक्ट्रॉन चार शेजारच्या जर्मेनियम अणूंसह सहसंयोजक बंधांमध्ये गुंतलेले असतात. आर्सेनिक अणूचा पाचवा इलेक्ट्रॉन मुक्त होतो, तो सहजपणे त्याचा अणू सोडतो.

आणि इलेक्ट्रॉनने सोडलेला अणू अर्धसंवाहकाच्या क्रिस्टल जाळीच्या जागी सकारात्मक आयनमध्ये बदलतो. ही तथाकथित दात्याची अशुद्धता आहे जेव्हा अशुद्धतेची व्हॅलेन्स मुख्य अणूंच्या व्हॅलेन्सपेक्षा जास्त असते. येथे बरेच मुक्त इलेक्ट्रॉन दिसतात, म्हणूनच, अशुद्धतेच्या परिचयाने, सेमीकंडक्टरचा विद्युत प्रतिकार हजारो आणि लाखो वेळा कमी होतो. मोठ्या प्रमाणातील अशुद्धता असलेला अर्धसंवाहक चालकतेमध्ये धातूंकडे जातो.

आर्सेनिक-डोपेड जर्मेनियम क्रिस्टलमधील आंतरिक चालकतेसाठी इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र जबाबदार असले तरी, आर्सेनिक अणू सोडलेले इलेक्ट्रॉन हे मुख्य मुक्त चार्ज वाहक आहेत. अशा परिस्थितीत, मुक्त इलेक्ट्रॉनची एकाग्रता छिद्रांच्या एकाग्रतेपेक्षा खूप जास्त असते आणि या प्रकारच्या चालकतेला सेमीकंडक्टरची इलेक्ट्रॉनिक चालकता म्हणतात आणि सेमीकंडक्टरलाच एन-टाइप सेमीकंडक्टर म्हणतात.

जर पेंटाव्हॅलेंट आर्सेनिक ऐवजी, ट्रायव्हॅलेंट इंडियम जर्मेनियम क्रिस्टलमध्ये जोडले गेले तर ते फक्त तीन जर्मेनियम अणूंसह सहसंयोजक बंध तयार करेल. चौथा जर्मेनियम अणू इंडियम अणूशी अनबंधित राहील. परंतु सहसंयोजक इलेक्ट्रॉन शेजारच्या जर्मेनियम अणूंद्वारे पकडले जाऊ शकते.इंडियम नंतर ऋण आयन असेल आणि शेजारील जर्मेनियम अणू एक रिक्त जागा व्यापेल जिथे सहसंयोजक बंध अस्तित्वात असेल.

अशी अशुद्धता, जेव्हा एखादा अशुद्धता अणू इलेक्ट्रॉन पकडतो, त्याला स्वीकारकर्ता अशुद्धता म्हणतात. जेव्हा स्वीकारकर्ता अशुद्धता सादर केली जाते, तेव्हा क्रिस्टलमध्ये अनेक सहसंयोजक बंध तुटले जातात आणि अनेक छिद्रे तयार होतात ज्यामध्ये इलेक्ट्रॉन सहसंयोजक बंधांमधून उडी मारू शकतात. विद्युत प्रवाहाच्या अनुपस्थितीत, छिद्र क्रिस्टलवर यादृच्छिकपणे फिरतात.

विपुल प्रमाणात छिद्र तयार केल्यामुळे एक स्वीकारकर्ता अर्धसंवाहकांच्या चालकतेमध्ये तीव्र वाढ करतो आणि या छिद्रांची एकाग्रता अर्धसंवाहकच्या अंतर्गत विद्युत चालकतेच्या इलेक्ट्रॉनच्या एकाग्रतेपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त असते. हे छिद्र वहन आहे आणि अर्धसंवाहकाला पी-प्रकार अर्धसंवाहक म्हणतात. त्यातील मुख्य चार्ज वाहक छिद्रे आहेत.