आंतरिक अर्धचालक क्या है?

आंतरिक अर्धचालक क्या है?

आंतरिक अर्धचालक की परिभाषा

अर्धचालक एक सामग्री है जिसकी चालकता संचारक और अवरोधक के बीच में आती है। वे अर्धचालक जो रासायनिक रूप से शुद्ध होते हैं, अर्थात् दूषण-मुक्त होते हैं, उन्हें आंतरिक अर्धचालक या अनदोष अर्धचालक या i-प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है। सबसे सामान्य आंतरिक अर्धचालक सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) हैं, जो आवर्त सारणी के समूह IV से संबंधित हैं। Si और Ge की परमाणु संख्या क्रमशः 14 और 32 है, जिससे उनकी इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 और 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 होता है।

Si और Ge दोनों के बाहरी, या वैलेंस, शेल में चार इलेक्ट्रॉन होते हैं। ये वैलेंस इलेक्ट्रॉन अर्धचालकों की चालकता के लिए जिम्मेदार होते हैं।

सिलिकॉन (जर्मेनियम के लिए यह भी एक ही है) की दो आयामी क्रिस्टल जाली चित्र 1 में दिखाई गई है। यहाँ देखा जाता है कि प्रत्येक Si परमाणु का वैलेंस इलेक्ट्रॉन आसन्न Si परमाणु के वैलेंस इलेक्ट्रॉन के साथ जोड़कर एक सहसंयोजी बंध बनाता है।

जोड़ने के बाद, आंतरिक अर्धचालकों में वैलेंस इलेक्ट्रॉन जैसे मुक्त आवेश वाहकों की कमी होती है। 0K पर, वैलेंस बैंड भरा होता है, और चालक बैंड खाली होता है। कोई वैलेंस इलेक्ट्रॉन प्रतिबंधित ऊर्जा अंतराल को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं रखता, जिससे 0K पर आंतरिक अर्धचालक अवरोधक की तरह कार्य करते हैं।

हालांकि, कमरे के तापमान पर, ऊष्मीय ऊर्जा कुछ सहसंयोजी बंधों को टूटने का कारण बन सकती है, जिससे चित्र 3a में दिखाए अनुसार मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। इस प्रकार उत्पन्न इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होते हैं और वैलेंस बैंड से चालक बैंड में ऊर्जा बाधा (चित्र 2b) को पार करके चले जाते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में एक छेद छोड़ देता है। इस तरह से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन और छेद आंतरिक आवेश वाहक कहलाते हैं और आंतरिक अर्धचालक सामग्री द्वारा प्रदर्शित चालकता के लिए जिम्मेदार होते हैं।

हालांकि आंतरिक अर्धचालक कमरे के तापमान पर चालक हो सकते हैं, लेकिन उनकी चालकता कम होती है क्योंकि आवेश वाहकों की संख्या कम होती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अधिक सहसंयोजी बंध टूटते हैं, जिससे अधिक मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। ये इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से चालक बैंड में चले जाते हैं, जिससे चालकता बढ़ती है। आंतरिक अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों (ni) की संख्या हमेशा छेदों (pi) की संख्या के बराबर होती है।

इस तरह के आंतरिक अर्धचालक पर एक विद्युत क्षेत्र लगाने पर, इलेक्ट्रॉन-छेद युग्म इसके प्रभाव के तहत ड्रिफ्ट किया जा सकता है। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन लगाए गए क्षेत्र की विपरीत दिशा में चलते हैं जबकि छेद विद्युत क्षेत्र की दिशा में चलते हैं, जैसा कि चित्र 3b में दिखाया गया है। यह इस अर्थ में है कि इलेक्ट्रॉन और छेदों की चलने की दिशाएं एक दूसरे के विपरीत होती हैं। यह क्योंकि, जब किसी विशेष परमाणु का इलेक्ट्रॉन, ध्यान दें, बाएं ओर चलता है, तो वह अपने स्थान पर एक छेद छोड़ देता है, और आसन्न परमाणु का इलेक्ट्रॉन उसके स्थान पर आकर उस छेद के साथ फिर से जुड़ जाता है। हालांकि, ऐसा करते हुए, वह अपने स्थान पर एक और छेद छोड़ देता है। यह अर्धचालक सामग्री में छेदों (इस मामले में दाएं ओर) के चलने की तरह देखा जा सकता है। ये दो चलने, हालांकि दिशा में विपरीत, अर्धचालक के माध्यम से विद्युत धारा के कुल प्रवाह का कारण बनते हैं।

गणितीय रूप से आंतरिक अर्धचालकों में आवेश वाहक घनत्व निम्न प्रकार दिए जाते हैं

यहाँ,

Nc चालक बैंड में प्रभावी घनत्व है।

Nv वैलेंस बैंड में प्रभावी घनत्व है।

boltzmann constant है।

T तापमान है।

EF फर्मी ऊर्जा है।

Ev वैलेंस बैंड का स्तर है।

Ec चालक बैंड का स्तर है।

planck constant है।

mh एक छेद का प्रभावी द्रव्यमान है।

me एक इलेक्ट्रॉन का प्रभावी द्रव्यमान है।