अर्धचालक के अधिगम मूल बातें

इस पोस्ट में हम बड़े पैमाने पर अर्धचालक उपकरणों के बुनियादी काम के सिद्धांतों के बारे में सीखते हैं, और अर्धचालक की आंतरिक संरचना बिजली के प्रभाव में कैसे कार्य करती है।

इन अर्धचालक सामग्रियों के बीच प्रतिरोधकता मूल्य में न तो पूर्ण कंडक्टर विशेषता है और न ही एक पूर्ण इन्सुलेटर, यह इन दो सीमाओं के बीच है।

यह सुविधा सामग्री की अर्धचालक संपत्ति को परिभाषित कर सकती है, हालांकि यह जानना दिलचस्प होगा कि एक कंडक्टर और एक इन्सुलेटर के बीच अर्धचालक कैसे काम करता है।

प्रतिरोधकता

ओम के नियम के अनुसार, एक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के विद्युत प्रतिरोध को घटक के पार वर्तमान प्रवाह के संभावित अंतर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है।

अब प्रतिरोध माप का उपयोग करने से एक समस्या उत्पन्न हो सकती है, प्रतिरोधक भौतिक परिवर्तनों के भौतिक आयाम के रूप में इसका मूल्य बदल जाता है।

उदाहरण के लिए जब किसी प्रतिरोधक सामग्री को लंबाई में बढ़ाया जाता है, तो उसका प्रतिरोध मूल्य भी आनुपातिक रूप से बढ़ जाता है।
इसी तरह, जब इसकी मोटाई बढ़ जाती है तो इसका प्रतिरोध मूल्य आनुपातिक रूप से घट जाता है।

यहां जरूरत एक ऐसी सामग्री को परिभाषित करने की है, जो विद्युत प्रवाह को या तो इसके प्रवाह, आकार या भौतिक रूप की परवाह किए बिना किसी चालन या विरोध की संपत्ति का संकेत दे सकती है।

इस विशेष प्रतिरोध मूल्य को व्यक्त करने के लिए परिमाण को प्रतिरोधकता के रूप में जाना जाता है, जिसका पर्याय ρ है, (Rho)

प्रतिरोधकता के लिए माप की इकाई ओम-मीटर (,.m) है, और इसे एक पैरामीटर के रूप में समझा जा सकता है जो चालकता के व्युत्क्रम है।

कई सामग्रियों के प्रतिरोधों के बीच तुलना प्राप्त करने के लिए, इन्हें 3 मुख्य श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है: कंडक्टर, इन्सुलेटर और अर्ध-चालक। नीचे दिया गया चार्ट आवश्यक विवरण प्रदान करता है:

जैसा कि आप उपरोक्त आंकड़े में देख सकते हैं कि सोने और चांदी जैसे कंडक्टरों की प्रतिरोधकता में एक नगण्य अंतर है, जबकि क्वार्ट्ज और ग्लास जैसे इन्सुलेटर्स में प्रतिरोधकता में महत्वपूर्ण अंतर हो सकता है।

यह परिवेश के तापमान पर उनकी प्रतिक्रिया के कारण है जो इन्सुलेटर की तुलना में धातुओं को बेहद कुशल कंडक्टर बनाता है

कंडक्टर

उपरोक्त चार्ट से हम समझते हैं कि कंडक्टरों में प्रतिरोधकता की कम से कम मात्रा होती है, जो आमतौर पर माइक्रोहेम / मीटर में हो सकती है।

इलेक्ट्रॉनों की एक बड़ी मात्रा की उपलब्धता के कारण, उनकी कम प्रतिरोधकता के कारण विद्युत प्रवाह आसानी से उनके माध्यम से गुजरने में सक्षम है।

हालाँकि, इन इलेक्ट्रॉनों को केवल तभी धक्का दिया जा सकता है जब चालक के पार उनका दबाव हो, और इस दबाव को चालक के पार एक वोल्टेज लगाकर बनाया जा सकता है।

इस प्रकार, जब एक कंडक्टर को एक सकारात्मक / नकारात्मक संभावित अंतर के साथ लागू किया जाता है, तो कंडक्टर के प्रत्येक परमाणु के मुक्त इलेक्ट्रॉनों को उनके मूल परमाणुओं से अव्यवस्थित होने के लिए मजबूर किया जाता है और वे कंडक्टर के भीतर बहने लगते हैं, और आमतौर पर वर्तमान के प्रवाह के रूप में जाना जाता है। ।

जिस डिग्री पर ये इलेक्ट्रॉन ले जाने में सक्षम होते हैं, वह इस बात पर निर्भर करता है कि वोल्टेज अंतर के जवाब में वे कितनी आसानी से अपने परमाणुओं से मुक्त हो सकते हैं।

धातु आमतौर पर बिजली के अच्छे संवाहक माने जाते हैं, और धातुओं में, सोना, चांदी, तांबा, और एल्युमीनियम सबसे अच्छा कंडक्टर हैं।

चूंकि इन कंडक्टरों के परमाणुओं के वैलेंस बैंड में बहुत कम इलेक्ट्रॉन होते हैं, वे आसानी से एक संभावित अंतर से अव्यवस्थित हो जाते हैं और वे 'डोमिनोज़ इफेक्ट' नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से एक परमाणु से अगले परमाणु तक कूदना शुरू कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान का प्रवाह होता है कंडक्टर।

यद्यपि सोना और चांदी बिजली के सबसे अच्छे संवाहक हैं, तांबे और एल्यूमीनियम को कम लागत और बहुतायत के कारण तारों और केबलों को बनाने के लिए पसंद किया जाता है, और उनके भौतिक परिवेश को भी।

इस तथ्य के बावजूद कि तांबे और एल्यूमीनियम बिजली के अच्छे कंडक्टर हैं, फिर भी उनके पास कुछ प्रतिरोध है, क्योंकि 100% आदर्श कुछ भी नहीं हो सकता है।

हालांकि इन कंडक्टरों द्वारा पेश किए गए छोटे प्रतिरोध उच्च धाराओं के आवेदन के साथ महत्वपूर्ण हो सकते हैं। आखिरकार इन कंडक्टरों पर उच्च धारा का प्रतिरोध गर्मी के रूप में फैल जाता है।

रोधक

कंडक्टरों के विपरीत, इन्सुलेटर बिजली के खराब कंडक्टर हैं। ये आम तौर पर गैर-धातुओं के रूप में होते हैं और अपने माता-पिता के परमाणुओं के साथ बहुत कम संवेदनशील या मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं।

मतलब इन गैर धातुओं के इलेक्ट्रॉनों को उनके मूल परमाणुओं के साथ कसकर बांधा जाता है, जो वोल्टेज के आवेदन के साथ नापसंद करना बेहद मुश्किल है।

इस विशेषता के कारण, जब विद्युत वोल्टेज लागू किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से दूर जाने में विफल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह नहीं होता है और इसलिए कोई चालन नहीं होता है।

यह संपत्ति कई मिलियन ओम के क्रम में इन्सुलेटर के लिए बहुत अधिक प्रतिरोध मूल्य की ओर ले जाती है।

कांच, संगमरमर, पीवीसी, प्लास्टिक, क्वार्ट्ज, रबर, अभ्रक, बैक्लाइट जैसी सामग्री अच्छे इन्सुलेटर के उदाहरण हैं।

बस कंडक्टर की तरह, इंसुलेटर समान रूप से इलेक्ट्रॉनिक्स के दायर में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इन्सुलेटर के बिना सर्किट के चरणों में वोल्टेज अंतर को अलग करना असंभव होगा, जिससे शॉर्ट सर्किट हो सकता है।

उदाहरण के लिए, हम केबल के पार एसी पॉवर को सुरक्षित रूप से संचारित करने के लिए उच्च तनाव वाले टावरों में चीनी मिट्टी के बरतन और कांच के उपयोग को देखते हैं। तारों में हम सकारात्मक, नकारात्मक टर्मिनलों को इन्सुलेट करने के लिए पीवीसी का उपयोग करते हैं, और पीसीबी में हम एक दूसरे से तांबे की पटरियों को अलग करने के लिए बैक्लाइट का उपयोग करते हैं।

अर्धचालकों की मूल बातें

सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge) और गैलियम आर्सेनाइड जैसी सामग्री बुनियादी अर्धचालक सामग्रियों के अंतर्गत आती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि इन सामग्रियों में बिजली के संचालन की विशेषता है जो न तो उचित चालन और न ही उचित इन्सुलेशन को जन्म देती है। इस संपत्ति के कारण इन सामग्रियों को अर्धचालक के रूप में नामित किया गया है।

ये सामग्रियां अपने परमाणुओं में बहुत कम मुक्त इलेक्ट्रॉनों का प्रदर्शन करती हैं, जो एक क्रिस्टलीय जाली प्रकार के गठन में कसकर समूहीकृत होती हैं। फिर भी, इलेक्ट्रॉनों को अव्यवस्थित और प्रवाह प्राप्त करने में सक्षम हैं, लेकिन केवल जब विशिष्ट परिस्थितियों को नियोजित किया जाता है।

ऐसा कहने के बाद, इन अर्धचालक में किसी प्रकार के 'दाता' या 'स्वीकर्ता' परमाणुओं को क्रिस्टलीय लेआउट में प्रस्तुत करने या प्रतिस्थापित करने से, अतिरिक्त 'मुक्त इलेक्ट्रॉनों' और 'छेद' या इसके विपरीत को सक्षम करने से इनकी चालकता को बढ़ाना संभव हो जाता है। छंद।

यह मौजूदा सामग्री जैसे सिलिकॉन या जर्मेनियम के लिए एक बाहरी सामग्री की एक निश्चित मात्रा को लागू करके कार्यान्वित किया जाता है।

अपने आप से, सिलिकॉन और जर्मेनियम जैसी सामग्रियों को आंतरिक चरम अर्धचालक के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, उनके चरम शुद्ध रासायनिक प्रकृति, और पूर्ण अर्धचालक सामग्री की उपस्थिति के कारण।

इसका मतलब यह भी है कि, उन में अशुद्धता की नियंत्रित मात्रा को लागू करने से, हम इन आंतरिक सामग्री में चालन की दर निर्धारित करने में सक्षम हैं।

हम इन इलेक्ट्रॉनों को मुफ्त इलेक्ट्रॉनों या मुक्त छिद्रों के साथ बढ़ाने के लिए इन सामग्रियों को दाता या स्वीकर्ता के रूप में संदर्भित अशुद्धियों का परिचय दे सकते हैं।

इन प्रक्रियाओं में जब एक अशुद्धता आंतरिक सामग्री में 1 अशुद्धता परमाणु प्रति 10 मिलियन सेमीकंडक्टर सामग्री परमाणु के अनुपात में जोड़ा जाता है, तो इसे इस रूप में कहा जाता है डोपिंग ।

पर्याप्त अशुद्धता की शुरूआत के साथ, एक अर्धचालक सामग्री को एन-प्रकार या पी-टाइप सामग्री में बदला जा सकता है।

सिलिकॉन सबसे लोकप्रिय अर्धचालक सामग्री में से एक है, जिसके बाहरी किनारे पर 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं, और आस-पास के परमाणुओं से भी घिरा हुआ है, जो कुल 8 इलेक्ट्रॉनों की कक्षा बनाते हैं।

दो सिलिकॉन परमाणुओं के बीच संबंध इस तरह से विकसित किया जाता है, कि यह एक इलेक्ट्रॉन को अपने आसन्न परमाणु के साथ साझा करने की अनुमति देता है, जिससे एक अच्छा स्थिर संबंध होता है।

अपने शुद्ध रूप में एक सिलिकॉन क्रिस्टल में बहुत कम मुक्त वैलेंस इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, इसके कारण एक अच्छे इन्सुलेटर के गुण होते हैं, जिसमें अत्यधिक प्रतिरोध मान होते हैं।

एक सिलिकॉन सामग्री को संभावित अंतर से जोड़ने से इसके माध्यम से किसी भी चालन में मदद नहीं मिलेगी, जब तक कि इसमें किसी प्रकार की सकारात्मक या नकारात्मक ध्रुवीयता पैदा न हो।

और इस तरह के ध्रुवीकरण बनाने के लिए, डोपिंग की प्रक्रिया को इन सामग्रियों में लागू किया जाता है, जैसा कि पिछले पैराग्राफ में चर्चा की गई अशुद्धियों को जोड़कर किया जाता है।

सिलिकॉन परमाणु संरचना को समझना

उपरोक्त छवियों में हम देखते हैं कि एक नियमित शुद्ध सिलिकॉन क्रिस्टल जाली की संरचना कैसी दिखती है। अशुद्धता के लिए, सामान्य रूप से आर्सेनिक, एंटीमनी या फॉस्फोरस जैसी सामग्रियों को अर्धचालक क्रिस्टल के भीतर पेश किया जाता है, जो उन्हें बाहरी, अर्थात् 'अशुद्धियों' में बदल देता है।

उल्लिखित अशुद्धियाँ उनके सबसे बाहरी बैंड पर 5 इलेक्ट्रॉनों से बनी होती हैं, जिन्हें 'पेंटावैलेंट' अशुद्धता के रूप में जाना जाता है, अपने आस-पास के परमाणुओं के साथ साझा करने के लिए।
यह सुनिश्चित करता है कि 5 परमाणुओं में से 4 आसन्न सिलिकॉन परमाणुओं के साथ जुड़ने में सक्षम हैं, एक एकल 'मुक्त इलेक्ट्रॉन' को छोड़कर जो विद्युत वोल्टेज जुड़ा होने पर मुक्त सेट किया जा सकता है।

इस प्रक्रिया में, क्योंकि अशुद्ध परमाणु अपने आस-पास के परमाणु में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को 'दान' करना शुरू करते हैं, 'पेंटावैलेंट' परमाणुओं को 'दाताओं' के रूप में नामित किया जाता है।

डोपिंग के लिए एंटीमनी का उपयोग करना

एंटीमनी (Sb) और फॉस्फोरस (P) अक्सर सिलिकॉन के लिए 'पेंटावैलेंट' अशुद्धता को पेश करने के लिए सबसे अच्छा विकल्प बन जाते हैं।

एंटिमोनी में 51 इलेक्ट्रॉनों को उसके नाभिक के चारों ओर 5 गोले में स्थापित किया जाता है, जबकि इसके बाहरी बैंड में 5 इलेक्ट्रॉन होते हैं।
इसके कारण, बुनियादी अर्धचालक सामग्री इलेक्ट्रॉनों को अतिरिक्त विद्युत प्रवाह प्राप्त करने में सक्षम है, प्रत्येक को एक नकारात्मक चार्ज के साथ जिम्मेदार ठहराया गया है। इसलिए इसे 'एन-टाइप मटेरियल' नाम दिया गया है।

इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनों को 'अधिकांश वाहक' के रूप में नामित किया जाता है और बाद में विकसित होने वाले छिद्रों को 'अल्पसंख्यक वाहक' के रूप में जाना जाता है।

जब एक एंटीमनी डॉप्ड सेमीकंडक्टर को एक विद्युत क्षमता के अधीन किया जाता है, तो जो इलेक्ट्रॉनों को खटखटाने के लिए होता है, उन्हें तुरंत एंटीमनी परमाणुओं से मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। हालांकि, चूंकि प्रक्रिया अंततः डोप किए गए क्रिस्टल के भीतर एक मुक्त इलेक्ट्रॉन तैरती रहती है, इस कारण यह एक नकारात्मक चार्ज सामग्री है।

इस मामले में, एक अर्धचालक को एन-प्रकार कहा जा सकता है यदि इसमें दाता घनत्व इसकी स्वीकर्ता घनत्व से अधिक है। जब छिद्रों की संख्या की तुलना में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या अधिक होती है, तो नकारात्मक ध्रुवीकरण होता है, जैसा कि नीचे संकेत दिया गया है।

पी-टाइप सेमीकंडक्टर को समझना

यदि हम स्थिति पर विचारणीय रूप से विचार करते हैं, तो सेमीकंडक्टर क्रिस्टल में 3 इलेक्ट्रॉन 'ट्राइएन्टेंट' अशुद्धता का परिचय देते हुए, उदाहरण के लिए यदि हम एल्यूमीनियम, बोरान, या इंडियम का परिचय देते हैं, जिसमें 3 इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उनके वैलेंस बांड में होते हैं, इसलिए एक 4rr बांड बनना असंभव हो जाता है।

इस वजह से पूरी तरह से कनेक्शन मुश्किल हो जाता है, जिससे सेमीकंडक्टर को सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए वाहक के लिए बहुत कुछ मिल सकता है। इन इलेक्ट्रॉनों को पूरे सेमीकंडक्टर जाली में 'छेद' कहा जाता है, जो कि बहुत सारे लापता इलेक्ट्रॉनों के कारण होता है।

अब, सिलिकॉन क्रिस्टल में छिद्रों की उपस्थिति के कारण, पास का इलेक्ट्रॉन छेद में आकर्षित हो जाता है, जो स्लॉट को भरने का प्रयास करता है। हालांकि, जैसे ही इलेक्ट्रॉनों ने ऐसा करने की कोशिश की, उसने अपनी स्थिति को अपनी पिछली स्थिति में एक नया छेद बनाते हुए खाली कर दिया।

यह बदले में अगले पास के इलेक्ट्रॉन को आकर्षित करता है, जो फिर से अगले छेद पर कब्जा करने की कोशिश करते हुए एक नया छेद छोड़ देता है। यह प्रक्रिया यह आभास देती है कि वास्तव में छेद अर्धचालक के पार जा रहे हैं या स्ट्रीमिंग कर रहे हैं, जिसे हम आम तौर पर वर्तमान के पारंपरिक प्रवाह पैटर्न के रूप में पहचानते हैं।

जैसे-जैसे age छेद दिखाई देने लगते हैं ’इलेक्ट्रॉनों की कमी को जन्म देता है, जिससे पूरे डोप किए गए क्रिस्टल को एक सकारात्मक ध्रुवता प्राप्त करने की अनुमति मिलती है।

चूंकि प्रत्येक अशुद्धता परमाणु एक छेद पैदा करने के लिए जिम्मेदार हो जाता है, इसलिए इस प्रक्रिया में लगातार मुक्त इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने के लिए जाने के कारण इन दोषपूर्ण अशुद्धियों को 'स्वीकर्ता' कहा जाता है।
बोरॉन (बी) एक ट्रिटिव एडिटिव्स में से एक है, जो कि ऊपर बताई गई डोपिंग प्रक्रिया के लिए लोकप्रिय है।

जब बोरान का उपयोग डोपिंग सामग्री के रूप में किया जाता है, तो यह मुख्य रूप से धनात्मक आवेशित वाहक के चालन का कारण बनता है।
इसके परिणामस्वरूप पी-प्रकार की सामग्री का निर्माण होता है जिसमें सकारात्मक छिद्र होते हैं जिन्हें 'अधिकांश वाहक' कहा जाता है, जबकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों को 'अल्पसंख्यक वाहक' कहा जाता है।

यह बताता है कि कैसे एक अर्धचालक आधार सामग्री दाता परमाणुओं की तुलना में अपने स्वीकर्ता परमाणुओं के बढ़ते घनत्व के कारण पी-प्रकार में बदल जाती है।

बोरिंग का उपयोग डोपिंग के लिए कैसे किया जाता है

अर्धचालकों की मूल बातों का सारांश

एन-टाइप सेमीकंडक्टर (उदाहरण के लिए एंटीमनी जैसी पेंटावैलेंट अशुद्धता के साथ डोप किया गया)

ऐसे अर्धचालक जिन्हें पेंटावैलेंट अशुद्धता परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है, उन्हें डोनर्स कहा जाता है, क्योंकि वे इलेक्ट्रॉनों की गति के माध्यम से चालन दिखाते हैं और इसलिए उन्हें एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स कहा जाता है।
एन-टाइप सेमीकंडक्टर में हम पाते हैं:

1. सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए डोनर्स
2. मुक्त इलेक्ट्रॉनों की प्रचुर संख्या
3. 'मुक्त इलेक्ट्रॉनों' की तुलना में 'छेद' की अपेक्षाकृत कम संख्या
4. डोपिंग के परिणामस्वरूप, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए दाताओं और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए मुक्त इलेक्ट्रॉनों का निर्माण होता है।
5. एक संभावित अंतर के आवेदन से नकारात्मक चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छिद्रों के विकास में परिणाम होता है।

पी-टाइप सेमीकंडक्टर (उदाहरण के लिए बोरान जैसे एक आकर्षक अशुद्धि के साथ डोप किया गया)

ऐसे अर्धचालकों को जो ट्रिलियनेंट अशुद्धता परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है, उन्हें स्वीकारकर्ता के रूप में कहा जाता है, क्योंकि वे छिद्रों के संचलन के माध्यम से चालन दिखाते हैं और इसलिए उन्हें पी-टाइप अर्धचालक कहा जाता है।
एन-टाइप सेमीकंडक्टर में हम पाते हैं:

1. नकारात्मक रूप से स्वीकृत स्वीकर्ता
2. छिद्रों की प्रचुर मात्रा
3. छिद्रों की उपस्थिति की तुलना में अपेक्षाकृत कम मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या।
4. डोपिंग के परिणामस्वरूप नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए स्वीकर्ता और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छेद का निर्माण होता है।
5. दायर वोल्टेज का उपयोग सकारात्मक चार्ज किए गए छिद्रों और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए मुक्त इलेक्ट्रॉनों की पीढ़ी का कारण बनता है।

अपने आप में, पी और एन प्रकार अर्धचालक स्वाभाविक रूप से विद्युत तटस्थ होने के लिए होता है।
आमतौर पर, एंटीमनी (Sb) और बोरॉन (B) दो सामग्रियां हैं जो अपनी प्रचुर उपलब्धता के कारण डोपिंग सदस्यों के रूप में कार्यरत हैं। इन्हें 'मेटाल्टोइड्स' भी कहा जाता है।

यह कहने के बाद, यदि आप आवर्त सारणी को देखेंगे, तो आपको उनके बाहरी परमाणु बैंड में 3 या 5 इलेक्ट्रॉनों के समान कई अन्य सामग्री मिलेगी। इम्प्लाइज कि, ये सामग्री डोपिंग उद्देश्य के लिए भी उपयुक्त हो सकती है।
आवर्त सारणी