اینٹرینسک سلیکون اور ایکسٹرینسک سلیکون کیا ہیں؟

اینٹرینسک سلیکون اور ایکسٹرینسک سلیکون کیا ہیں؟

اینٹرینسک سلیکون

سلیکون ایک اہم عنصر سیمی کنڈکٹر ہے۔ سلیکون ایک گروپ IV مادہ ہے۔ اس کے بیرونی مدار میں چار ویلنس الیکٹران ہوتے ہیں جو آپ کے والینس الیکٹران کے ساتھ چار ملحقہ سلیکون اتموں کے ساتھ کووالنٹ بانڈز کے ذریعے تعلق رکھتے ہیں۔ ان ویلنس الیکٹران کو برق کے لئے دستیاب نہیں ہوتے ہیں۔ تو، OoK پر اینٹرینسک سلیکون ایک عازل کی طرح کام کرتا ہے۔ جب درجہ حرارت بڑھتا ہے، کچھ ویلنس الیکٹران گرمائشی توانائی کے باعث اپنے کووالنٹ بانڈز کو توڑ دیتے ہیں۔ یہ خالی جگہ، جہاں الیکٹران تھا، کو ہول کہا جاتا ہے۔ دوسرے الفاظ میں، صفر درجہ کیلنڈن سے زیادہ کسی بھی درجہ حرارت پر سیمی کنڈکٹر کے کرسٹل میں کچھ ویلنس الیکٹران کافی توانائی حاصل کرتے ہیں تاکہ والینس بینڈ سے کنڈکشن بینڈ میں چلے جائیں اور والینس بینڈ میں ایک ہول چھوڑ دیں۔ اس توانائی کا تخمینہ کمرہ کے درجہ حرارت (یعنی 300oK) پر 1.2 eV ہوتا ہے جو سلیکون کی بینڈ گیپ توانائی کے برابر ہوتا ہے۔

اینٹرینسک سلیکون کرسٹل میں، ہولوں کی تعداد آزاد الیکٹرانوں کی تعداد کے برابر ہوتی ہے۔ ہر الیکٹران جب کووالنٹ بانڈ چھوڑ دیتا ہے تو توڑے ہوئے بانڈ میں ایک ہول شامل ہوتا ہے۔ کسی معین درجہ حرارت پر، نئے الیکٹران-ہول جوڑے گرمائشی توانائی کے ذریعے مسلسل بنائے جاتے ہیں، جبکہ ایک برابر تعداد کے جوڑے دوبارہ مل جاتے ہیں۔ اس لیے کسی معین درجہ حرارت پر ایک معین حجم کے اینٹرینسک سلیکون میں الیکٹران-ہول جوڑوں کی تعداد ایک ہی رہتی ہے۔ یہ تعادلی حالت ہے۔ اس لیے، یہ واضح ہے کہ تعادلی حالت میں، آزاد الیکٹران کی تركز n اور ہول کی تركز p ایک دوسرے کے برابر ہوتی ہیں، اور یہ کچھ بھی نہیں بلکہ اینٹرینسک چارج کیریئر کی تركز (ni) ہے۔ یعنی، n = p = ni۔ ایٹمک ساخت نیچے دکھائی گئی ہے۔

0oK پر اینٹرینسک سلیکون

کمرہ کے درجہ حرارت پر اینٹرینسک سلیکون

ایکسٹرینسک سلیکون

اینٹرینسک سلیکون کو کنٹرول شدہ مقدار میں ڈوپنٹس کے ساتھ ملا دیا جا سکتا ہے تو یہ ایکسٹرینسک سلیکون میں تبدیل ہو جاتا ہے۔ اگر یہ ڈونر اتم (گروپ V عناصر) کے ساتھ ڈوپ ہو تو یہ این-ٹائپ سیمی کنڈکٹر بن جاتا ہے اور جب یہ ایکسسپٹر اتم (گروپ III عناصر) کے ساتھ ڈوپ ہو تو یہ پی-ٹائپ سیمی کنڈکٹر بن جاتا ہے۔

چھوٹی مقدار میں گروپ V عنصر کو اینٹرینسک سلیکون کرسٹل میں شامل کیا جائے۔ گروپ V عناصر کے مثالیں فاسفورس (P)، آرسینک (As)، انٹیموانی (Sb) اور بسمتھ (Bi) ہیں۔ ان کے پاس پانچ ویلنس الیکٹران ہوتے ہیں۔ جب وہ کسی Si اتم کو بدل دیتے ہیں تو چار ویلنس الیکٹران ملحقہ اتموں کے ساتھ کووالنٹ بانڈ بناتے ہیں اور پانچواں الیکٹران جو کووالنٹ بانڈ بنانے میں حصہ نہیں لیتا وہ مالک اتم کے ساتھ ضعیف طور پر منسلک ہوتا ہے اور آسانی سے اتم سے آزاد الیکٹران کی حیثیت سے چل بسا۔ سلیکون کے لئے اس مقصد کے لئے مطلوبہ توانائی جو کہ پانچواں الیکٹران کو رہا کرنے کے لئے ہوتی ہے یہ 0.05 eV ہوتی ہے۔ اس قسم کی آلودگی کو ڈونر کہا جاتا ہے کیونکہ یہ سلیکون کرسٹل کو آزاد الیکٹران فراہم کرتا ہے۔ سلیکون کو این-ٹائپ یا منفی ٹائپ سلیکون کہا جاتا ہے کیونکہ الیکٹران منفی چارج کے ذرات ہیں۔

n-ٹائپ سلیکون میں فریمی توانائی سطح کنڈکشن بینڈ کے قریب منتقل ہوتی ہے۔ یہاں آزاد الیکٹران کی تعداد اینٹرینسک الیکٹران کی ترکیز سے بڑھ جاتی ہے۔ دوسری طرف، ہول کی تعداد اینٹرینسک ہول کی ترکیز سے کم ہوجاتی ہے کیونکہ بڑی تعداد کے آزاد الیکٹران کی ترکیز کی وجہ سے دوبارہ ملنا زیادہ ممکن ہوتا ہے۔ الیکٹران اکثریتی چارج کیریئرز ہوتے ہیں۔

پینٹا ولینٹ آلودگی کے ساتھ ایکسٹرینسک سلیکون

اگر چھوٹی مقدار میں گروپ III عناصر کو اینٹرینسک سیمی کنڈکٹر کرسٹل میں شامل کیا جائے تو وہ سلیکون اتم کو بدل دیتے ہیں، گروپ III عناصر جیسے AI، B، IN کے پاس تین ویلنس الیکٹران ہوتے ہیں۔ ان تین الیکٹران ملحقہ اتموں کے ساتھ کووالنٹ بانڈ بناتے ہیں اور ایک ہول بناتے ہیں۔ یہ قسم کے آلودگی کے اتموں کو ایکسسپٹر کہا جاتا ہے۔ سیمی کنڈکٹر کو پی-ٹائپ سیمی کنڈکٹر کہا جاتا ہے کیونکہ ہول کو مثبت چارج کے طور پر سمجھا جاتا ہے۔

ٹری ولینٹ آلودگی کے ساتھ ایکسٹرینسک سلیکون

پی-ٹائپ سیمی کنڈکٹرز میں فریمی توانائی سطح والینس بینڈ کے قریب منتقل ہوتی ہے۔ ہولوں کی تعداد بڑھتی ہے، جبکہ الیکٹران کی تعداد اینٹرینسک سلیکون کے مقابلے میں کم ہوتی ہے۔ پی-ٹائپ سیمی کنڈکٹرز میں، ہول اکثریتی چارج کیریئرز ہوتے ہیں۔

سلیکون کی اینٹرینسک کیریئر ترکیز

جب کسی الیکٹران کو والینس بینڈ سے کنڈکشن بینڈ میں گرمائشی تحریک کے باعث چلانا پڑتا ہے تو دونوں بینڈوں میں آزاد کیریئرز بنائے جاتے ہیں جو کہ کنڈکشن بینڈ میں الیکٹران اور والینس بینڈ میں ہول ہوتے ہیں۔ ان کیریئرز کی ترکیز کو اینٹرینسک کیریئر ترکیز کہا جاتا ہے۔ عملی طور پر صاف یا اینٹرینسک سلیکون کرسٹل میں ہول (p) اور الیکٹران (n) کی تعداد ایک دوسرے کے برابر ہوتی ہے، اور وہ اینٹرینسک کیریئر ترکیز ni کے برابر ہوتی ہے۔ اس لیے، n = p = ni

ان کیریئرز کی تعداد بینڈ گیپ توانائی پر منحصر ہوتی ہے۔ سلیکون کے لئے بینڈ گیپ توانائی 298oK پر 1.2 eV ہوتی ہے اور اینٹرینسک کیریئر ترکیز سلیکون میں درجہ حرارت کے بڑھنے کے ساتھ بڑھتی ہے۔ سلیکون میں اینٹرینسک کیریئر ترکیز کو یوں دیا جاتا ہے،

یہاں، T = مطلق پیمانے پر درجہ حرارت

300oK پر اینٹرینسک کیریئر ترکیز 1.01 × 1010 cm-3 ہے۔ لیکن پہلے قبول کی گئی قدر 1.5 × 1010 cm-3 ہے۔