आंतरिक अर्धचालक क्या है?

आंतरिक अर्धचालक क्या है?

आंतरिक अर्धचालक की परिभाषा

अर्धचालक एक सामग्री होती है जिसकी चालकता चालक और अचालक के बीच में होती है। रासायनिक रूप से शुद्ध, अर्थात विसंगतियों से मुक्त, अर्धचालकों को आंतरिक अर्धचालक या अडोप्ड अर्धचालक या i-टाइप अर्धचालक कहा जाता है। सबसे सामान्य आंतरिक अर्धचालक सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) हैं, जो आवर्त सारणी के ग्रुप IV से संबंधित हैं। Si और Ge की परमाणु संख्या क्रमशः 14 और 32 है, जो उनकी इलेक्ट्रॉनिक विन्यास को 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 और 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 के रूप में देती 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) का क्रिस्टल लैटिस दो आयाम में चित्र 1 में दिखाया गया है। यहाँ देखा जाता है कि प्रत्येक Si परमाणु का वैलेंस इलेक्ट्रॉन आसन्न Si परमाणु के वैलेंस इलेक्ट्रॉन के साथ जोड़कर एक कोवेलेंट बंध बनाता है।

जोड़ने के बाद, आंतरिक अर्धचालकों में वैलेंस इलेक्ट्रॉन जैसे मुक्त आवेश धारक नहीं होते हैं। 0K पर, वैलेंस बैंड पूरा होता है, और चालक बैंड खाली होता है। कोई वैलेंस इलेक्ट्रॉन निषेधित ऊर्जा अंतराल को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं रखता, जिससे आंतरिक अर्धचालक 0K पर अचालक की तरह कार्य करते हैं।

हालांकि, कमरे के तापमान पर, तापीय ऊर्जा काफी से काफी कोवेलेंट बंधों को तोड़ सकती है, जिससे चित्र 3a में दिखाए गए तरह मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। इस प्रकार उत्पन्न इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होते हैं और वैलेंस बैंड से चालक बैंड में ऊर्जा अवरोध (चित्र 2b) को पार करके चले जाते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में एक छेद छोड़ देता है। इस तरह उत्पन्न इलेक्ट्रॉन और छेद आंतरिक आवेश धारक 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 धारक कम होते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अधिक कोवेलेंट 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 विद्युत क्षेत्र लगाने पर, इलेक्ट्रॉन-छेद युग्म इसके प्रभाव के तहत ड्रिफ्ट किए जा सकते हैं। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन लगाए गए क्षेत्र के विपरीत दिशा में चलते हैं जबकि छेद विद्युत क्षेत्र की दिशा में चलते हैं जैसा कि चित्र 3b में दिखाया गया है। यह इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन और छेद दोनों की दिशाएं व्युत्क्रम होती हैं। इसका कारण यह है कि, जब किसी विशेष परमाणु का इलेक्ट्रॉन, धारा के विपरीत दिशा में, दाईं ओर चलता है, तो वह अपने स्थान पर एक छेद छोड़ देता है, और आसन्न परमाणु का इलेक्ट्रॉन उस छेद के साथ फिर से जोड़ता है। हालांकि, इस कार्य के दौरान, वह अपने स्थान पर एक और छेद छोड़ देता है। यह अर्धचालक सामग्री में छेदों (इस मामले में दाईं ओर) के चलने के रूप में देखा जा सकता है। ये दो गतियाँ, हालांकि दिशा में विपरीत, अर्धचालक में विद्युत धारा के संपूर्ण प्रवाह का परिणाम होती हैं।

गणितीय रूप से आंतरिक अर्धचालकों में आवेश धारक घनत्व निम्नलिखित द्वारा दिया जाता है

यहाँ,

N c चालक बैंड में प्रभावी दशाओं का घनत्व है।

Nv वैलेंस बैंड में प्रभावी दशाओं का घनत्व है।

boltzmann नियतांक है।

T तापमान है।

EF फर्मी ऊर्जा है।

Ev वैलेंस बैंड का स्तर दर्शाता है।

Ec चालक बैंड का स्तर दर्शाता है।

planck नियतांक है।

mh एक छेद का प्रभावी द्रव्यमान है।

me एक इलेक्ट्रॉन का प्रभावी द्रव्यमान है।