अर्धचालकों की खोज और उनके गुणों के अध्ययन से डायोड और ट्रांजिस्टर पर आधारित सर्किट बनाना संभव हो गया। जल्द ही, बेहतर प्रदर्शन और छोटे आकार के कारण, उन्होंने वैक्यूम ट्यूबों को बदल दिया, फिर अर्धचालक तत्वों के आधार पर एकीकृत सर्किट का उत्पादन करना संभव हो गया।

अर्धचालक क्या होते हैं

अर्धचालकों को परिभाषित करने के लिए विद्युत प्रवाह का संचालन करने की उनकी क्षमता के संदर्भ में उन्हें चिह्नित करना है। इन क्रिस्टलीय पदार्थों के लिए, बढ़ते तापमान, प्रकाश के संपर्क में आने और विभिन्न अशुद्धियों की उपस्थिति के साथ विद्युत चालकता बढ़ जाती है।

सेमीकंडक्टर्स वाइड-गैप और नैरो-गैप होते हैं, जो सेमीकंडक्टर सामग्री के गुणों को निर्धारित करते हैं। इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) में मापा गया बैंड गैप, विद्युत चालकता को निर्धारित करता है। इस पैरामीटर को उस ऊर्जा के रूप में दर्शाया जा सकता है जिसे एक इलेक्ट्रॉन को विद्युत प्रवाह के क्षेत्र में प्रवेश करने की आवश्यकता होती है। अर्धचालकों के लिए औसतन, यह 1 eV है, यह कम या ज्यादा हो सकता है।

यदि एक विदेशी परमाणु द्वारा अर्धचालकों के क्रिस्टल जाली की नियमितता का उल्लंघन किया जाता है, तो ऐसी चालकता एक अशुद्धता होगी। जब अर्धचालक पदार्थों का उद्देश्य माइक्रोक्रिकिट तत्व बनाना होता है, तो उनमें अशुद्धियाँ विशेष रूप से जोड़ी जाती हैं, जो छिद्रों या इलेक्ट्रॉनों के संचय को बढ़ाती हैं:

• दाता - उच्च संयोजकता के साथ, इलेक्ट्रॉनों का दान करें;
• स्वीकर्ता - कम वैलेंस के साथ, छिद्रों का निर्माण करते हुए, इलेक्ट्रॉनों को हटा दें।

जरूरी!कंडक्टरों की विद्युत चालकता को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक तापमान है।

चालकता कैसे प्रदान की जाती है?

अर्धचालक के उदाहरण सिलिकॉन, जर्मेनियम हैं। इन पदार्थों के क्रिस्टल में, परमाणुओं में सहसंयोजक बंधन होते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, कुछ इलेक्ट्रॉनों को छोड़ा जा सकता है। वह परमाणु जिसने एक इलेक्ट्रॉन खो दिया है, फिर एक धनावेशित आयन बन जाता है। और इलेक्ट्रॉन, बंधों की संतृप्ति के कारण दूसरे परमाणु में जाने में सक्षम नहीं होने के कारण मुक्त हो जाता है। एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में, जारी किए गए इलेक्ट्रॉन एक निर्देशित धारा में गति कर सकते हैं।

एक आयन जिसने एक इलेक्ट्रॉन खो दिया है वह निकटतम परमाणु से दूसरे को "दूर" ले जाता है। यदि वह सफल हो जाता है, तो यह परमाणु पहले से ही एक आयन द्वारा रोक दिया जाएगा, बदले में, खोए हुए इलेक्ट्रॉन को बदलने की कोशिश कर रहा है। इस प्रकार, "छेद" (धनात्मक आवेश) की गति होती है, जिसे विद्युत क्षेत्र में भी क्रमित किया जा सकता है।

एक बढ़ा हुआ तापमान इलेक्ट्रॉनों को अधिक ऊर्जावान रूप से मुक्त करने की अनुमति देता है, जिससे अर्धचालक के प्रतिरोध में कमी और चालकता में वृद्धि होती है। शुद्ध क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉन और छिद्र लगभग समान अनुपात में संबंधित होते हैं, ऐसी चालकता को आंतरिक कहा जाता है।

पी-प्रकार और एन-प्रकार चालकता

अशुद्धता प्रकार की चालकता में विभाजित हैं:

1. आर-प्रकार। एक स्वीकर्ता अशुद्धता को जोड़ने पर गठित। कम अशुद्धता संयोजकता छिद्रों की संख्या में वृद्धि का कारण बनती है। टेट्रावैलेंट सिलिकॉन के लिए, त्रिसंयोजक बोरॉन ऐसी अशुद्धता के रूप में काम कर सकता है;
2. एन-प्रकार। यदि सिलिकॉन में पेंटावैलेंट सुरमा मिला दिया जाए, तो सेमीकंडक्टर में जारी ऋणात्मक आवेश वाहक इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ जाएगी।

सेमीकंडक्टर तत्व मुख्य रूप से पी-एन जंक्शन की विशेषताओं के आधार पर कार्य करते हैं। जब विभिन्न प्रकार की चालकता वाली दो सामग्रियों को संपर्क में लाया जाता है, तो उनके बीच की सीमा पर, इलेक्ट्रॉन और छिद्र विपरीत क्षेत्रों में प्रवेश करेंगे।

जरूरी!धनात्मक और ऋणात्मक आवेश वाहकों द्वारा अर्धचालक पदार्थों के आदान-प्रदान की प्रक्रिया की समय सीमाएँ होती हैं - अवरोध परत के निर्माण से पहले।

धनात्मक और ऋणात्मक आवेश के वाहक संपर्क रेखा के दोनों ओर जुड़े भागों में जमा होते हैं। परिणामी संभावित अंतर 0.6 V तक पहुंच सकता है।

जब पी-एन जंक्शन वाला कोई तत्व विद्युत क्षेत्र में प्रवेश करता है, तो इसकी चालकता बिजली आपूर्ति (पीएस) के कनेक्शन पर निर्भर करेगी। पी-कंडक्टिविटी वाले हिस्से पर "प्लस" और एन-कंडक्टिविटी वाले हिस्से पर "माइनस" के साथ, ब्लॉकिंग लेयर नष्ट हो जाएगी, और जंक्शन से करंट प्रवाहित होगा। यदि बिजली की आपूर्ति विपरीत तरीके से जुड़ी हुई है, तो अवरुद्ध परत और भी अधिक बढ़ जाएगी और नगण्य परिमाण के विद्युत प्रवाह के माध्यम से जाने देगी।

जरूरी!पी-एन-जंक्शन में एकतरफा चालकता होती है।

अर्धचालकों का उपयोग

अर्धचालकों के गुणों के आधार पर, विभिन्न उपकरण बनाए गए हैं जिनका उपयोग रेडियो इंजीनियरिंग, इलेक्ट्रॉनिक्स और अन्य क्षेत्रों में किया जाता है।

डायोड

अर्धचालक डायोड के एकतरफा संचालन ने उनके आवेदन के दायरे को निर्धारित किया है - मुख्य रूप से प्रत्यावर्ती धारा के सुधार में। अन्य प्रकार के डायोड:

1. सुरंग। यह इतनी अशुद्धता सामग्री के साथ अर्धचालक पदार्थों का उपयोग करता है कि पी-एन जंक्शन की चौड़ाई तेजी से घट जाती है, और सीधे कनेक्शन के साथ सुरंग टूटने का प्रभाव संभव हो जाता है। आरएफ उपकरणों, जनरेटर, माप उपकरण में प्रयुक्त;
2. परिवर्तित। थोड़ा संशोधित सुरंग डायोड। सीधे कनेक्शन के साथ, इसे खोलने वाला वोल्टेज क्लासिक डायोड की तुलना में बहुत कम है। यह कम वोल्टेज धाराओं को परिवर्तित करने के लिए एक सुरंग डायोड के उपयोग को पूर्व निर्धारित करता है;
3. वैरिकैप। जब p-n जंक्शन बंद होता है, तो इसकी धारिता काफी अधिक होती है। वैरिकैप का उपयोग संधारित्र के रूप में किया जाता है, जिसकी धारिता वोल्टेज को बदलकर भिन्न हो सकती है। यदि रिवर्स वोल्टेज बढ़ता है तो समाई घट जाएगी;

1. ज़ेनर डायोड। समानांतर में जुड़ा हुआ है, किसी दिए गए क्षेत्र में वोल्टेज को स्थिर करता है;
2. धड़कन। शॉर्ट ट्रांज़िएंट के कारण, उनका उपयोग स्पंदित आरएफ सर्किट के लिए किया जाता है;
3. हिमस्खलन-उड़ान। अति उच्च आवृत्ति दोलन उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह आवेश वाहकों के हिमस्खलन जैसे गुणन पर आधारित है।

इस डायोड में दो अर्धचालक पदार्थ नहीं होते हैं, बल्कि अर्धचालक धातु के संपर्क में होता है। चूंकि धातु में क्रिस्टलीय संरचना नहीं होती है, इसलिए इसमें छेद नहीं हो सकते हैं। इसका मतलब यह है कि अर्धचालक पदार्थ के संपर्क के बिंदु पर, दोनों पक्षों के केवल इलेक्ट्रॉन ही कार्य करने में सक्षम होते हैं, कार्य कार्य करते हैं। यह तब संभव हो जाता है जब:

• एक n-प्रकार का अर्धचालक होता है, और इसके इलेक्ट्रॉनों का कार्य फलन धातु की तुलना में कम होता है;
• एक p-प्रकार का अर्धचालक होता है, जिसके इलेक्ट्रॉनों का कार्य फलन धातु से अधिक होता है।

संपर्क के बिंदु पर, अर्धचालक चार्ज वाहक खो देगा, इसकी चालकता कम हो जाएगी। एक अवरोध बनाया जाता है, जिसे आवश्यक मान के प्रत्यक्ष वोल्टेज से दूर किया जाता है। रिवर्स वोल्टेज व्यावहारिक रूप से डायोड को ब्लॉक कर देता है, जो एक रेक्टिफायर के रूप में काम करता है। उनकी उच्च गति के कारण, Schottky डायोड का उपयोग पल्स सर्किट में किया जाता है, कंप्यूटिंग उपकरणों में, वे काफी परिमाण के करंट को ठीक करने के लिए पावर डायोड के रूप में भी काम करते हैं।

लगभग कोई भी माइक्रोक्रिकिट ट्रांजिस्टर के बिना नहीं कर सकता, दो पी-एन जंक्शनों के साथ अर्धचालक तत्व। ट्रांजिस्टर तत्व में तीन आउटपुट संपर्क होते हैं:

• एकत्र करनेवाला;
• आधार;
• उत्सर्जक

यदि आधार पर कम शक्ति नियंत्रण संकेत लागू किया जाता है, तो संग्राहक और उत्सर्जक के बीच बहुत अधिक धारा प्रवाहित होती है। जब आधार पर कोई संकेत नहीं लगाया जाता है, तो कोई धारा संचालित नहीं होती है। इस प्रकार, वर्तमान ताकत को समायोजित किया जा सकता है। सर्किट के सिग्नल और कॉन्टैक्टलेस स्विचिंग को बढ़ाने के लिए एक उपकरण का उपयोग किया जाता है।

अर्धचालक ट्रांजिस्टर के प्रकार:

1. द्विध्रुवी। उनके पास सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज वाहक हैं। बहने वाली धारा आगे और विपरीत दिशा में गुजरने में सक्षम है। एम्पलीफायरों के रूप में उपयोग किया जाता है;
2. खेत। उनके आउटपुट को ड्रेन, सोर्स, गेट कहा जाता है। नियंत्रण एक निश्चित ध्रुवता के विद्युत क्षेत्र के माध्यम से किया जाता है। गेट पर लगाया गया सिग्नल ट्रांजिस्टर के चालन को बदल सकता है। फ़ील्ड उपकरणों में चार्ज वाहकों का केवल एक ही संकेत हो सकता है: सकारात्मक या नकारात्मक। ऑडियो एम्पलीफायरों में शक्तिशाली क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जाता है। उनका मुख्य अनुप्रयोग एकीकृत परिपथ है। कॉम्पैक्ट आयाम और कम बिजली की खपत उन्हें कम बिजली वोल्टेज स्रोतों (घंटे) वाले उपकरणों में स्थापित करना संभव बनाती है;
3. संयुक्त। वे एक अखंड संरचना में अन्य ट्रांजिस्टर तत्वों, प्रतिरोधों के साथ स्थित हो सकते हैं।

अर्धचालकों का डोपिंग

डोपिंग उनकी चालकता को नियंत्रित करने के लिए अर्धचालक क्रिस्टल में अशुद्धता तत्वों, दाता और स्वीकर्ता का परिचय है। यह क्रिस्टल विकास अवधि के दौरान या कुछ क्षेत्रों में स्थानीय परिचय द्वारा होता है।

लागू तरीके:

1. उच्च तापमान प्रसार। सेमीकंडक्टर क्रिस्टल को गर्म किया जाता है, और इसकी सतह के संपर्क में आने वाले अशुद्धता परमाणु गहराई में गिर जाते हैं। क्रिस्टल जाली के कुछ स्थानों पर, अशुद्धता परमाणु मुख्य पदार्थ के परमाणुओं को प्रतिस्थापित करते हैं;
2. आयनिक आरोपण। अशुद्धता परमाणुओं का आयनीकरण और त्वरण होता है, जो एकल क्रिस्टल पर बमबारी करता है, स्थानीय विषमताएँ पैदा करता है और p-n जंक्शन बनाता है;
3. लेजर विकिरण। विधि का लाभ यह है कि, निर्देशित विकिरण का उपयोग करके, अलग-अलग वर्गों को किसी भी तापमान मान पर गर्म किया जा सकता है, जो अशुद्धियों की शुरूआत की सुविधा प्रदान करता है;
4. न्यूट्रॉन डोपिंग। अपेक्षाकृत हाल ही में उपयोग किया गया। इसमें एक रिएक्टर में थर्मल न्यूट्रॉन के साथ एकल क्रिस्टल का विकिरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप परमाणु नाभिक का उत्परिवर्तन होता है। सिलिकॉन परमाणु फास्फोरस में परिवर्तित हो जाते हैं।

डोपिंग के अन्य तरीके हैं: रासायनिक नक़्क़ाशी, स्पटरिंग द्वारा पतली फिल्मों का निर्माण।

अर्धचालक कैसे बनते हैं?

अर्धचालक प्राप्त करने में मुख्य बात अनावश्यक अशुद्धियों से उनका शुद्धिकरण है। उन्हें प्राप्त करने के कई तरीकों में से दो सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:

1. जोन पिघलना। प्रक्रिया एक सीलबंद क्वार्ट्ज कंटेनर में की जाती है, जहां एक अक्रिय गैस की आपूर्ति की जाती है। पिंड का एक संकीर्ण क्षेत्र पिघल जाता है, जो धीरे-धीरे चलता है। पिघलने की प्रक्रिया में, अशुद्धियों को पुनर्वितरित और पुन: क्रिस्टलीकृत किया जाता है, एक शुद्ध भाग जारी किया जाता है;
2. ज़ोक्राल्स्की विधि। इसमें पिघले हुए संघटन से धीरे-धीरे बाहर खींचकर एक बीज से एक क्रिस्टल उगाना शामिल है।

अर्धचालक सामग्री की किस्में

संरचना में अंतर अर्धचालकों के दायरे को निर्धारित करते हैं:

1. सरल - इसमें सजातीय पदार्थ शामिल हैं जो स्वतंत्र रूप से उपयोग किए जाते हैं, साथ ही अशुद्धियाँ और जटिल सामग्री के घटक भाग भी शामिल हैं। सिलिकॉन, सेलेनियम और जर्मेनियम का स्वतंत्र रूप से उपयोग किया जाता है। बोरॉन, सुरमा, टेल्यूरियम, आर्सेनिक, सल्फर, आयोडीन एडिटिव्स के रूप में काम करते हैं;
2. जटिल सामग्री दो या दो से अधिक तत्वों के रासायनिक यौगिक हैं: सल्फाइड, टेल्यूराइड, कार्बाइड;
3. कोबाल्ट, कॉपर, युरोपियम के ऑक्साइड का उपयोग रेक्टिफायर और फोटोकेल में किया जाता है;
4. कार्बनिक अर्धचालक: इंडोल, एक्रिडोन, फ्लेवेंट्रॉन, पेंटासीन। उनके उपयोग का एक क्षेत्र ऑप्टिकल इलेक्ट्रॉनिक्स है;
5. चुंबकीय अर्धचालक। ये फेरोमैग्नेटिक सामग्री हैं, उदाहरण के लिए, यूरोपियम सल्फाइड और ऑक्साइड, साथ ही एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री - निकल ऑक्साइड, यूरोपियम टेलुराइड। उनका उपयोग रेडियो इंजीनियरिंग, चुंबकीय क्षेत्र द्वारा नियंत्रित ऑप्टिकल उपकरणों में किया जाता है।

अब प्रौद्योगिकी के एक क्षेत्र का नाम देना मुश्किल है जहां कोई अर्धचालक सामग्री का उपयोग नहीं किया जाएगा, जिसमें पी-एन जंक्शन की अनुपस्थिति शामिल है, उदाहरण के लिए, तापमान सेंसर में थर्मल प्रतिरोध, रिमोट कंट्रोल में फोटोरेसिस्टेंस, और अन्य।

वीडियो

सेमीकंडक्टर्स विद्युत चालकता मूल्यों की विशेषता वाले पदार्थों की एक विस्तृत श्रेणी है जो धातुओं की विद्युत चालकता और अच्छे डाइलेक्ट्रिक्स के बीच की सीमा में स्थित है, अर्थात, इन पदार्थों को या तो डाइलेक्ट्रिक्स के रूप में वर्गीकृत नहीं किया जा सकता है (क्योंकि वे अच्छे इंसुलेटर नहीं हैं) या धातु (वे बिजली के अच्छे संवाहक नहीं हैं)। अर्धचालक, उदाहरण के लिए, जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम, टेल्यूरियम, साथ ही कुछ ऑक्साइड, सल्फाइड और धातु मिश्र धातु जैसे पदार्थ शामिल हैं।

गुण:

1) बढ़ते तापमान के साथ, धातुओं के विपरीत अर्धचालकों की प्रतिरोधकता कम हो जाती है, जिसमें बढ़ते तापमान के साथ प्रतिरोधकता बढ़ जाती है। इसके अलावा, एक नियम के रूप में, एक विस्तृत तापमान सीमा में, यह वृद्धि तेजी से होती है। प्रकाश या मजबूत इलेक्ट्रॉनिक क्षेत्रों के संपर्क में आने पर अर्धचालक क्रिस्टल की प्रतिरोधकता भी कम हो सकती है।

2) दो अर्धचालकों के संपर्क के एकतरफा चालन की संपत्ति। यह वह गुण है जिसका उपयोग विभिन्न अर्धचालक उपकरणों को बनाने के लिए किया जाता है: डायोड, ट्रांजिस्टर, थाइरिस्टर, आदि।

3) कुछ शर्तों के तहत विभिन्न अर्धचालकों के संपर्क, जब प्रकाशित या गर्म होते हैं, फोटो-ई के स्रोत होते हैं। डी.एस. या, क्रमशः, थर्मो-ई। डी.एस.

अर्धचालक कई विशिष्ट विशेषताओं में ठोस के अन्य वर्गों से भिन्न होते हैं, जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण हैं:

1) विद्युत चालकता का सकारात्मक तापमान गुणांक, अर्थात बढ़ते तापमान के साथ, अर्धचालकों की विद्युत चालकता बढ़ जाती है;

2) अर्धचालकों की विशिष्ट चालकता धातुओं की तुलना में कम होती है, लेकिन इन्सुलेटर की तुलना में अधिक होती है;

3) धातुओं की तुलना में थर्मोइलेक्ट्रोमोटिव बल के बड़े मूल्य;

4) आयनकारी विकिरण के लिए अर्धचालक गुणों की उच्च संवेदनशीलता;

5) अशुद्धियों की नगण्य सांद्रता के प्रभाव में भौतिक गुणों में तेज परिवर्तन की क्षमता;

6) संपर्कों पर वर्तमान सुधार या गैर-ओमिक व्यवहार का प्रभाव।

3. पी-एन में भौतिक प्रक्रियाएं - संक्रमण।

अधिकांश अर्धचालक उपकरणों का मुख्य तत्व इलेक्ट्रॉन-छेद जंक्शन है ( जिला Seoniजंक्शन), जो एक अर्धचालक के दो क्षेत्रों के बीच एक संक्रमण परत है, जिनमें से एक में इलेक्ट्रॉनिक विद्युत चालकता है, और दूसरे में छेद चालकता है।

शिक्षा पीएनसंक्रमण। पीएनसंतुलन संक्रमण

आइए शिक्षा प्रक्रिया पर करीब से नज़र डालें पीएनसंक्रमण। जब कोई बाहरी वोल्टेज नहीं होता है तो संतुलन अवस्था को ऐसी संक्रमण अवस्था कहा जाता है। स्मरण करो कि में आर- क्षेत्र में दो प्रकार के मुख्य आवेश वाहक होते हैं: स्वीकर्ता अशुद्धता परमाणुओं के स्थिर ऋणात्मक आवेशित आयन और मुक्त धनात्मक आवेशित छिद्र; और में एन-क्षेत्र में भी दो प्रकार के मुख्य आवेश वाहक होते हैं: स्वीकर्ता अशुद्धता परमाणुओं के स्थिर धनात्मक आवेशित आयन और मुक्त ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉन।

छूने से पहले पीऔर एनक्षेत्रों, इलेक्ट्रॉनों, छिद्रों और अशुद्धता आयनों को समान रूप से वितरित किया जाता है। सीमा पर संपर्क करने पर पीऔर एनक्षेत्रों में मुक्त आवेश वाहकों और विसरण की सांद्रता प्रवणता उत्पन्न होती है। विसरण की क्रिया के तहत से इलेक्ट्रॉन एन-क्षेत्र में जाता है पीऔर वहां छिद्रों के साथ फिर से जुड़ जाता है। छेद से आर-क्षेत्रों में जाना एनक्षेत्र और वहाँ इलेक्ट्रॉनों के साथ पुनर्संयोजन। सीमा क्षेत्र में मुक्त आवेश वाहकों की ऐसी गति के परिणामस्वरूप, उनकी सांद्रता लगभग शून्य हो जाती है और साथ ही, आरक्षेत्र, स्वीकर्ता अशुद्धता आयनों का एक ऋणात्मक स्थान आवेश बनता है, और में एनदाता अशुद्धता आयनों का क्षेत्र सकारात्मक स्थान प्रभार। इन शुल्कों के बीच एक संपर्क संभावित अंतर है सेऔर विद्युत क्षेत्र ई टू, जो गहराई से मुक्त आवेश वाहकों के प्रसार को रोकता है आर-और एन-के माध्यम से क्षेत्र पी-एन-संक्रमण। इस प्रकार, मुक्त आवेश वाहकों द्वारा अपने विद्युत क्षेत्र के साथ संयुक्त क्षेत्र को कहा जाता है पी-एन-संक्रमण।

पीएनसंक्रमण दो मुख्य मापदंडों की विशेषता है:

1. संभावित बाधा ऊंचाई. यह संपर्क संभावित अंतर के बराबर है से. यह आवेश वाहकों की सांद्रता प्रवणता के कारण संक्रमण में संभावित अंतर है। संभावित अवरोध को दूर करने के लिए यह वह ऊर्जा है जो एक मुक्त प्रभार में होनी चाहिए:

कहाँ पे कबोल्ट्जमान स्थिरांक है; इइलेक्ट्रॉन चार्ज है; टी- तापमान; एन एऔर राक्रमशः छेद और इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों में स्वीकर्ता और दाताओं की सांद्रता हैं; पी पीऔर पी नहींछिद्रों की सांद्रता हैं आर-और एन-क्रमशः क्षेत्र; एन मैं -एक बंद अर्धचालक में आवेश वाहकों की अपनी सांद्रता, टी \u003d केटी / ई- तापमान क्षमता। तापमान पर टी\u003d 27 0 टी=0.025V, जर्मेनियम संक्रमण के लिए से=0.6V, सिलिकॉन जंक्शन के लिए से\u003d 0.8 वी।

2. पी-एन जंक्शन चौड़ाई(चित्र 1) एक सीमावर्ती क्षेत्र है जो आवेश वाहकों में कमी करता है, जो में स्थित है पीऔर एनक्षेत्र: एल पी-एन = एल पी + एल एन:

यहां से,

कहाँ पे ε अर्धचालक सामग्री की सापेक्ष पारगम्यता है; ε 0 मुक्त स्थान का ढांकता हुआ स्थिरांक है।

इलेक्ट्रॉन-छेद संक्रमण की मोटाई (0.1-10) µm के क्रम की है। अगर, तो और पीएन-संक्रमण को सममिति कहा जाता है, यदि , तो और पीएन- संक्रमण को असममित कहा जाता है, और यह मुख्य रूप से कम अशुद्धता वाले अर्धचालक के क्षेत्र में स्थित होता है।

संतुलन अवस्था में (बाहरी वोल्टेज के बिना) के माध्यम से जिला Seoniसंक्रमण, आवेशों की दो प्रतिधाराएँ चलती हैं (दो धाराएँ प्रवाहित होती हैं)। ये माइनॉरिटी चार्ज कैरियर्स की ड्रिफ्ट करंट और डिफ्यूजन करंट हैं, जो कि बहुसंख्यक चार्ज कैरियर्स से जुड़ी हैं। चूंकि कोई बाहरी वोल्टेज नहीं है, और बाहरी सर्किट में कोई करंट नहीं है, ड्रिफ्ट करंट और डिफ्यूजन करंट परस्पर संतुलित होते हैं और परिणामी करंट शून्य होता है।

मैं डॉ + मैं अंतर = 0।

इस संबंध को एक पृथक (संतुलन) में प्रसार और बहाव प्रक्रियाओं के गतिशील संतुलन की स्थिति कहा जाता है। पीएन-संक्रमण।

जिस सतह पर वे संपर्क में हैं पीऔर एनक्षेत्र को धातुकर्मीय सीमा कहते हैं। वास्तव में, इसकी एक सीमित मोटाई है - एम. यदि एक एम<< l p-n , तब पीएनसंक्रमण को तेज कहा जाता है। अगर मी >> एल.पी.-एन, तब पीएनसंक्रमण को चिकना कहा जाता है।

-एनउस पर लागू बाहरी वोल्टेज पर संक्रमण

बाहरी वोल्टेज में धाराओं के गतिशील संतुलन को परेशान करता है पीएन-संक्रमण। पीएन- संक्रमण एक गैर-संतुलन अवस्था में चला जाता है। क्षेत्रों में लागू वोल्टेज की ध्रुवीयता के आधार पर पीएन-संक्रमण संभव ऑपरेशन के दो तरीके।

1) अग्र अभिनतिपीएन संक्रमण. आर-एन-यदि बिजली की आपूर्ति का सकारात्मक ध्रुव जुड़ा हुआ है तो जंक्शन को आगे पक्षपाती माना जाता है आर-क्षेत्र, और ऋणात्मक to एन- क्षेत्र (चित्र 1.2)

आगे के पूर्वाग्रह के साथ, वोल्टेज  से और यू को विपरीत दिशा में निर्देशित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप वोल्टेज होता है पीएन-संक्रमण मूल्य में घटता है से - उ. यह इस तथ्य की ओर जाता है कि विद्युत क्षेत्र की ताकत कम हो जाती है और मुख्य आवेश वाहकों के प्रसार की प्रक्रिया फिर से शुरू हो जाती है। इसके अलावा, फॉरवर्ड ऑफसेट चौड़ाई को कम करता है पीएनसंक्रमण, क्योंकि एलपी-एन( से - यू) 1/2. विसरण धारा, मुख्य आवेश वाहकों की धारा, अपवाह धारा से काफी बड़ी हो जाती है। द्वारा पीएन-संक्रमण प्रत्यक्ष धारा प्रवाह

मैं पी-एन \u003d मैं पीआर \u003d मैं अलग + मैं dr मैं अंतर .

जब एक प्रत्यक्ष धारा प्रवाहित होती है, तो पी-क्षेत्र में बहुसंख्यक आवेश वाहक n-क्षेत्र में चले जाते हैं, जहाँ वे गौण हो जाते हैं। बहुसंख्यक आवेश वाहकों को उस क्षेत्र में शुरू करने की प्रसार प्रक्रिया जहां वे अल्पसंख्यक हो जाते हैं, कहलाती है इंजेक्शन, और डायरेक्ट करंट - डिफ्यूजन करंट या इंजेक्शन करंट। p और n क्षेत्रों में संचित अल्पांश आवेश वाहकों की क्षतिपूर्ति करने के लिए, बाहरी परिपथ में एक वोल्टेज स्रोत से एक इलेक्ट्रॉन धारा उत्पन्न होती है, अर्थात। विद्युत तटस्थता का सिद्धांत संरक्षित है।

वृद्धि के साथ यूवर्तमान तेजी से बढ़ता है, - तापमान क्षमता, और बड़े मूल्यों तक पहुंच सकता है। मुख्य वाहकों से जुड़ा हुआ है, जिसकी सांद्रता अधिक है।

2) विपरीत पूर्वाग्रह, तब होता है जब आर-क्षेत्र को ऋण से लगाया जाता है, और to एन-क्षेत्र प्लस, एक बाहरी वोल्टेज स्रोत (चित्र। 1.3)।

यह बाहरी तनाव यूके अनुसार शामिल से. यह: संभावित अवरोध की ऊंचाई को एक मान तक बढ़ाता है से + यू; विद्युत क्षेत्र की ताकत बढ़ जाती है; चौड़ाई पीएनसंक्रमण बढ़ता है, क्योंकि एल पी-एन ≈( to + यू) 1/2; प्रसार प्रक्रिया पूरी तरह से और बाद में रुक जाती है पीएनसंक्रमण प्रवाह बहाव धारा, अल्पांश वाहक धारा। ऐसा करंट पीएन-संक्रमण को रिवर्स कहा जाता है, और चूंकि यह तापीय उत्पादन के कारण उत्पन्न होने वाले लघु आवेश वाहकों से जुड़ा होता है, इसलिए इसे तापीय धारा कहा जाता है और निरूपित किया जाता है - मैं 0, अर्थात।

मैं p-n \u003d मैं गिरफ्तार हूं \u003d मैं भिन्न हूं + मैं dr मैं डॉ \u003d मैं 0.

यह धारा परिमाण में छोटी है। माइनॉरिटी चार्ज कैरियर्स से जुड़ा हुआ है, जिसकी सांद्रता कम है। इस प्रकार, पीएनसंक्रमण में एक तरफा चालकता है।

रिवर्स बायस के साथ, संक्रमण सीमा पर अल्पसंख्यक चार्ज वाहक की एकाग्रता संतुलन की तुलना में कुछ हद तक कम हो जाती है। इससे अल्पसंख्यक आवेश वाहकों का गहराई से विसरण होता है पीऔर एन-सीमा के क्षेत्र पीएनसंक्रमण। इस तक पहुंचने के बाद, अल्पसंख्यक वाहक एक मजबूत विद्युत क्षेत्र में गिर जाते हैं और इसके माध्यम से स्थानांतरित हो जाते हैं पीएनसंक्रमण, जहां वे बहुसंख्यक चार्ज वाहक बन जाते हैं। सीमा तक लघु आवेश वाहकों का प्रसार पीएनसंक्रमण और इसके माध्यम से उस क्षेत्र में बहाव जहां वे मुख्य आवेश वाहक बन जाते हैं, कहलाते हैं निष्कर्षण. निष्कर्षण और एक रिवर्स करंट बनाता है पीएनसंक्रमण लघु आवेश वाहकों की धारा है।

रिवर्स करंट का परिमाण अत्यधिक निर्भर है: परिवेश का तापमान, अर्धचालक सामग्री और क्षेत्र पीएनसंक्रमण।

रिवर्स करंट की तापमान निर्भरता अभिव्यक्ति द्वारा निर्धारित की जाती है, जहां नाममात्र तापमान है, वास्तविक तापमान है, थर्मल करंट का दोगुना तापमान है।

सिलिकॉन जंक्शन का थर्मल करंट जर्मेनियम-आधारित जंक्शन के थर्मल करंट (परिमाण के 3-4 ऑर्डर) से बहुत कम है। यह से जुड़ा हुआ है सेसामग्री।

संक्रमण क्षेत्र में वृद्धि के साथ, इसकी मात्रा बढ़ जाती है, और इसके परिणामस्वरूप, थर्मल उत्पादन और थर्मल वर्तमान वृद्धि के परिणामस्वरूप अल्पसंख्यक वाहक दिखाई देते हैं।

तो मुख्य संपत्ति पीएन-संक्रमण इसकी एकतरफा चालन है।

4. वर्तमान-वोल्टेज विशेषता पी-एन - संक्रमण।

हमें p-n संधि की धारा-वोल्टेज विशेषता प्राप्त होती है। ऐसा करने के लिए, हम निरंतरता समीकरण को सामान्य रूप में लिखते हैं:

हम स्थिर स्थिति dp/dt = 0 पर विचार करेंगे।

n-प्रकार के अर्धचालक के अर्ध-तटस्थ आयतन में p-n जंक्शन (x > 0) के रिक्त क्षेत्र के दाईं ओर धारा पर विचार करें। एक अर्ध-तटस्थ आयतन में उत्पादन दर G शून्य है: G = 0। विद्युत क्षेत्र E भी शून्य है: E = 0। धारा का बहाव घटक भी शून्य है: I E = 0, इसलिए, वर्तमान प्रसार है। निम्न इंजेक्शन स्तर पर पुनर्संयोजन दर R संबंध द्वारा वर्णित है:

आइए हम प्रसार गुणांक, प्रसार लंबाई और अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल से संबंधित निम्नलिखित संबंधों का उपयोग करें: डीτ = एल पी 2।

उपरोक्त मान्यताओं को ध्यान में रखते हुए, निरंतरता समीकरण का रूप है:

पी-एन जंक्शन में प्रसार समीकरण के लिए सीमा शर्तें हैं:

सीमा शर्तों (*) के साथ अंतर समीकरण (2.58) के समाधान का रूप है:

संबंध (2.59) एक इलेक्ट्रॉन-छेद संक्रमण के लिए n-प्रकार अर्धचालक के अर्ध-तटस्थ आयतन में अंतःक्षेपित छिद्रों के वितरण के नियम का वर्णन करता है (चित्र 2.15)। पी-एन जंक्शन के अर्ध-तटस्थ आयतन के साथ एससीआर सीमा को पार करने वाले सभी वाहक पी-एन जंक्शन करंट में भाग लेते हैं। चूँकि संपूर्ण धारा विसरण है, धारा के व्यंजक में (2.59) प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं (चित्र 2.16):

रिलेशन (2.60) पी-एन जंक्शन होल करंट के डिफ्यूजन कंपोनेंट का वर्णन करता है, जो फॉरवर्ड बायस के तहत माइनॉरिटी कैरियर्स के इंजेक्शन के दौरान उत्पन्न होता है। पी-एन जंक्शन करंट के इलेक्ट्रॉनिक घटक के लिए, हम इसी तरह प्राप्त करते हैं:

वी जी = 0 पर, बहाव और प्रसार घटक एक दूसरे को संतुलित करते हैं। इसलिये, ।

कुल पी-एन जंक्शन वर्तमान सभी चार पी-एन जंक्शन वर्तमान घटकों का योग है:

कोष्ठक में दिए गए व्यंजक में p-n संधि के विपरीत धारा का भौतिक अर्थ होता है। दरअसल, नकारात्मक वोल्टेज पर V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

चावल। 2.15. पी-एन जंक्शन बेस के अर्ध-तटस्थ आयतन पर एमिटर से इंजेक्ट किए गए गैर-संतुलन वाहक का वितरण

यह देखना आसान है कि यह संबंध निरंतरता समीकरण के विश्लेषण में पहले प्राप्त के बराबर है।

यदि एकतरफा इंजेक्शन (उदाहरण के लिए, केवल छिद्रों का इंजेक्शन) की स्थिति को लागू करना आवश्यक है, तो यह संबंध (2.61) से निम्नानुसार है कि पी-क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहक n p0 की एकाग्रता का एक छोटा मूल्य होना चाहिए चुना। यह इस प्रकार है कि पी-टाइप सेमीकंडक्टर को एन-टाइप सेमीकंडक्टर की तुलना में भारी डोप किया जाना चाहिए: एन ए >> एन डी। इस मामले में, पी-एन जंक्शन करंट (चित्र। 2.16) में होल कंपोनेंट हावी होगा।

चावल। 2.16. फॉरवर्ड बायस के साथ सिंगल-एंडेड पी-एन जंक्शन में धाराएं

इस प्रकार, पी-एन जंक्शन की I-V विशेषता का रूप है:

संतृप्ति वर्तमान घनत्व J s है:

संबंध (2.62) द्वारा वर्णित सीवीसी पी-एन संक्रमण, चित्र 2.17 में दिखाया गया है।

चावल। 2.17. एक आदर्श पी-एन जंक्शन की वर्तमान-वोल्टेज विशेषता

जैसा कि संबंध (2.16) और चित्र 2.17 से मिलता है, एक आदर्श पी-एन जंक्शन की वर्तमान-वोल्टेज विशेषता का एक स्पष्ट असममित रूप होता है। प्रत्यक्ष वोल्टेज के क्षेत्र में, पी-एन जंक्शन का प्रवाह प्रसार होता है और बढ़ते वोल्टेज के साथ तेजी से बढ़ता है। ऋणात्मक वोल्टेज के क्षेत्र में, पी-एन जंक्शन धारा बहाव है और लागू वोल्टेज पर निर्भर नहीं है।

5. समाई पीएन - जंक्शन।

कोई भी प्रणाली जिसमें विद्युत आवेश Q बदल जाता है, जब संभावित परिवर्तन में एक समाई होती है। कैपेसिटेंस वैल्यू सी अनुपात द्वारा निर्धारित किया जाता है:।

पी-एन जंक्शन के लिए, दो प्रकार के आवेशों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है: आयनित दाताओं और स्वीकर्ता Q B के अंतरिक्ष आवेश के क्षेत्र में आवेश और उत्सर्जक Q p से आधार में अंतःक्षेपित वाहकों का आवेश। पी-एन जंक्शन पर अलग-अलग पूर्वाग्रहों के साथ, कैपेसिटेंस की गणना करते समय एक या दूसरा चार्ज हावी होगा। इस संबंध में, पी-एन जंक्शन के समाई के लिए, बाधा समाई सी बी और प्रसार समाई सी डी प्रतिष्ठित हैं।

बैरियर कैपेसिटेंस C B रिवर्स बायस V G . पर p-n जंक्शन की कैपेसिटेंस है< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

एक असममित p-n संधि के लिए आयनित दाताओं और स्वीकर्ता Q B प्रति इकाई क्षेत्रफल का आवेश मान है:

विभेदक व्यंजक (2.65), हम प्राप्त करते हैं:

यह समीकरण (2.66) से निम्नानुसार है कि बैरियर कैपेसिटेंस सीबी एक फ्लैट कैपेसिटर की कैपेसिटेंस है, जिसकी प्लेटों के बीच की दूरी स्पेस चार्ज क्षेत्र डब्ल्यू की चौड़ाई के बराबर है। चूंकि एससीआर की चौड़ाई लागू वोल्टेज पर निर्भर करती है वी जी, बैरियर कैपेसिटेंस भी लागू वोल्टेज पर निर्भर करता है। बैरियर कैपेसिटेंस के संख्यात्मक अनुमान बताते हैं कि इसका मूल्य दसियों या सैकड़ों पिकोफैराड है।

डिफ्यूजन कैपेसिटेंस C D एक फॉरवर्ड बायस V G > 0 पर p-n जंक्शन की कैपेसिटेंस है, जो एमिटर Q p से बेस में इंजेक्टेड कैरियर्स के चार्ज Q p में बदलाव के कारण होता है।

लागू रिवर्स वोल्टेज वी जी पर बैरियर कैपेसिटेंस सीबी की निर्भरता का उपयोग वाद्य कार्यान्वयन के लिए किया जाता है। एक अर्धचालक डायोड जो इस निर्भरता को लागू करता है उसे वैरिकैप कहा जाता है। वैरिकैप का अधिकतम समाई मान शून्य वोल्टेज V G पर है। जैसे-जैसे रिवर्स बायस बढ़ता है, वैरिकैप की कैपेसिटेंस घटती जाती है। वोल्टेज पर वैरिकैप कैपेसिटेंस की कार्यात्मक निर्भरता वैरिकैप बेस के डोपिंग प्रोफाइल द्वारा निर्धारित की जाती है। एकसमान डोपिंग के मामले में, समाई लागू वोल्टेज वी जी की जड़ के व्युत्क्रमानुपाती होती है। वैरिकैप एन डी (एक्स) के आधार में डोपिंग प्रोफाइल सेट करके, कोई वोल्टेज सी (वी जी) पर वैरिकैप कैपेसिटेंस की विभिन्न निर्भरता प्राप्त कर सकता है - रैखिक रूप से घट रहा है, तेजी से घट रहा है।

6. सेमीकंडक्टर डायोड: वर्गीकरण, डिजाइन सुविधाएँ, प्रतीक और अंकन।

अर्धचालक डायोड- एक विद्युत जंक्शन और दो लीड (इलेक्ट्रोड) के साथ एक अर्धचालक उपकरण। अन्य प्रकार के डायोड के विपरीत, अर्धचालक डायोड के संचालन का सिद्धांत घटना पर आधारित है पीएन-संक्रमण।

साइट के प्रिय पाठकों को नमस्कार। साइट में शुरुआती रेडियो शौकिया को समर्पित एक खंड है, लेकिन अभी तक मैंने शुरुआती लोगों के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में अपना पहला कदम उठाने के लिए वास्तव में कुछ भी नहीं लिखा है। मैं इस अंतर को भरता हूं, और इस लेख से हम रेडियो घटकों (रेडियो घटकों) के उपकरण और संचालन से परिचित होना शुरू करते हैं।

आइए अर्धचालक उपकरणों से शुरू करते हैं। लेकिन यह समझने के लिए कि डायोड, थाइरिस्टर या ट्रांजिस्टर कैसे काम करता है, किसी को यह समझना चाहिए कि क्या है सेमीकंडक्टर. इसलिए, हम पहले आणविक स्तर पर अर्धचालकों की संरचना और गुणों का अध्ययन करेंगे, और फिर हम अर्धचालक रेडियो घटकों के संचालन और डिजाइन से निपटेंगे।

सामान्य अवधारणाएँ।

बिल्कुल क्यों सेमीकंडक्टरडायोड, ट्रांजिस्टर या थाइरिस्टर? क्योंकि इन रेडियो घटकों का आधार है अर्धचालकोंविद्युत प्रवाह का संचालन करने और इसके पारित होने को रोकने में सक्षम पदार्थ।

यह रेडियो इंजीनियरिंग (जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम, कॉपर ऑक्साइड) में प्रयुक्त पदार्थों का एक बड़ा समूह है, लेकिन अर्धचालक उपकरणों के निर्माण के लिए, वे मुख्य रूप से केवल उपयोग करते हैं सिलिकॉन(सी) और जर्मेनियम(जीई)।

उनके विद्युत गुणों के अनुसार, अर्धचालक विद्युत प्रवाह के कंडक्टर और गैर-चालक के बीच एक मध्य स्थान पर कब्जा कर लेते हैं।

अर्धचालकों के गुण।

कंडक्टरों की विद्युत चालकता परिवेश के तापमान पर अत्यधिक निर्भर है।
बहुत कमपूर्ण शून्य (-273 डिग्री सेल्सियस) के करीब तापमान, अर्धचालक अमल न करेंविद्युत प्रवाह, और पदोन्नतितापमान, वर्तमान के लिए उनका प्रतिरोध कम हो जाती है.

यदि आप अर्धचालक की ओर इशारा करते हैं रोशनी, तो इसकी विद्युत चालकता बढ़ने लगती है। अर्धचालकों की इस संपत्ति का उपयोग करके बनाया गया था फोटोवोल्टिकउपकरण। अर्धचालक भी प्रकाश ऊर्जा को विद्युत प्रवाह में परिवर्तित करने में सक्षम हैं, उदाहरण के लिए, सौर पैनल। और जब अर्धचालकों में पेश किया गया दोषकुछ पदार्थ, उनकी विद्युत चालकता नाटकीय रूप से बढ़ जाती है।

अर्धचालक परमाणुओं की संरचना।

जर्मेनियम और सिलिकॉन कई अर्धचालक उपकरणों की मुख्य सामग्री हैं और इनमें चार रासायनिक संयोजन इलेक्ट्रॉन.

परमाणु जर्मनी 32 इलेक्ट्रॉनों से बना है, और एक परमाणु सिलिकॉन 14 में से। लेकिन केवल 28 जर्मेनियम परमाणु के इलेक्ट्रॉन और 10 सिलिकॉन परमाणु के इलेक्ट्रॉन, उनके कोश की भीतरी परतों में स्थित होते हैं, नाभिक द्वारा मजबूती से पकड़े रहते हैं और उनसे कभी नहीं निकलते हैं। अभी-अभी चारइन कंडक्टरों के परमाणुओं के वैलेंस इलेक्ट्रॉन मुक्त हो सकते हैं, और तब भी हमेशा नहीं। और यदि एक अर्धचालक परमाणु कम से कम एक इलेक्ट्रॉन खो देता है, तो वह बन जाता है सकारात्मक आयन.

अर्धचालक में, परमाणुओं को एक सख्त क्रम में व्यवस्थित किया जाता है: प्रत्येक परमाणु से घिरा होता है चारएक ही परमाणु। इसके अलावा, वे एक-दूसरे के इतने करीब स्थित होते हैं कि उनके वैलेंस इलेक्ट्रॉन पड़ोसी परमाणुओं के चारों ओर से गुजरते हुए एकल कक्षाएं बनाते हैं, जिससे परमाणुओं को एक पूरे पदार्थ में बांध दिया जाता है।

आइए हम एक अर्धचालक क्रिस्टल में परमाणुओं के परस्पर संबंध को एक समतल आरेख के रूप में प्रस्तुत करें।
आरेख में, एक प्लस के साथ लाल गेंदें, पारंपरिक रूप से, निरूपित करती हैं परमाणुओं के नाभिक(सकारात्मक आयन), और नीली गेंदें हैं अणु की संयोजन क्षमता.

यहाँ आप देख सकते हैं कि प्रत्येक परमाणु के चारों ओर स्थित हैं चारबिल्कुल वही परमाणु, और इन चारों में से प्रत्येक का चार अन्य परमाणुओं के साथ संबंध है, इत्यादि। प्रत्येक परमाणु प्रत्येक पड़ोसी से जुड़ा हुआ है दोवैलेंस इलेक्ट्रॉन, और एक इलेक्ट्रॉन उसका अपना होता है, और दूसरा पड़ोसी परमाणु से उधार लिया जाता है। ऐसे बंधन को दो-इलेक्ट्रॉन बंधन कहा जाता है। सहसंयोजक.

बदले में, प्रत्येक परमाणु के इलेक्ट्रॉन खोल की बाहरी परत में होता है आठइलेक्ट्रॉन: चारउनका अपना, और अकेला, चार . से उधार लिया पड़ोसीपरमाणु। यहां यह भेद करना संभव नहीं है कि परमाणु में कौन सा वैलेंस इलेक्ट्रॉन "अपना" है और कौन सा "विदेशी" है, क्योंकि वे आम हो गए हैं। जर्मेनियम या सिलिकॉन क्रिस्टल के पूरे द्रव्यमान में परमाणुओं के इस तरह के बंधन के साथ, हम मान सकते हैं कि अर्धचालक क्रिस्टल एक बड़ा है अणु. आकृति में, गुलाबी और पीले वृत्त दो पड़ोसी परमाणुओं के कोशों की बाहरी परतों के बीच संबंध दर्शाते हैं।

अर्धचालक विद्युत चालकता।

एक अर्धचालक क्रिस्टल के सरलीकृत चित्र पर विचार करें, जहां परमाणुओं को एक लाल गेंद द्वारा एक प्लस के साथ दर्शाया जाता है, और अंतर-परमाणु बंधन को वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का प्रतीक दो पंक्तियों द्वारा दिखाया जाता है।

परम शून्य के करीब तापमान पर, एक अर्धचालक आचरण नहीं करतावर्तमान, क्योंकि इसमें नहीं है मुक्त इलेक्ट्रॉन. लेकिन तापमान में वृद्धि के साथ, परमाणुओं के नाभिक के साथ वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का बंधन कमजोरऔर कुछ इलेक्ट्रॉन, तापीय गति के कारण, अपने परमाणु छोड़ सकते हैं। अंतरपरमाण्विक बंधन से निकलने वाला इलेक्ट्रॉन बन जाता है " नि: शुल्क", और जहां वह पहले था, वहां एक खाली जगह बनती है, जिसे पारंपरिक रूप से कहा जाता है छेद.

कैसे उच्चतरअर्धचालक तापमान, अधिकयह मुक्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र बन जाता है। नतीजतन, यह पता चला है कि एक "छेद" का गठन एक परमाणु के खोल से एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन के प्रस्थान के साथ जुड़ा हुआ है, और छेद स्वयं बन जाता है सकारात्मकइलेक्ट्रिक चार्ज के बराबर नकारात्मकएक इलेक्ट्रॉन का प्रभार।

अब आइए आकृति को देखें, जो योजनाबद्ध रूप से दिखाता है एक अर्धचालक में धारा की घटना की घटना.

यदि आप सेमीकंडक्टर, "+" और "-" संपर्कों पर कुछ वोल्टेज लागू करते हैं, तो इसमें एक करंट दिखाई देगा।
इस कारण थर्मल घटना, एक अर्धचालक क्रिस्टल में अंतरपरमाण्विक बंधों से शुरू होगा जारी कियाकुछ संख्या में इलेक्ट्रॉन (तीर वाली नीली गेंदें)। इलेक्ट्रॉन आकर्षित होते हैं सकारात्मकवोल्टेज स्रोत का ध्रुव होगा हिलानाउसकी ओर, पीछे छोड़कर छेद, जो दूसरों द्वारा भरा जाएगा मुक्त इलेक्ट्रॉन. यही है, बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत, चार्ज वाहक दिशात्मक गति की एक निश्चित गति प्राप्त करते हैं और इस प्रकार बनाते हैं बिजली.

उदाहरण के लिए: मुक्त इलेक्ट्रॉन वोल्टेज स्रोत के सकारात्मक ध्रुव के सबसे करीब है आकर्षितयह पोल। अंतरपरमाण्विक बंधन को तोड़कर उसे छोड़कर, इलेक्ट्रॉन पत्तियाँमेरे बाद छेद. एक और मुक्त इलेक्ट्रॉन, जो किसी पर स्थित है निष्कासनसकारात्मक ध्रुव से भी आकर्षितपोल और चलतीउसकी ओर, लेकिन मिले हुएउसके रास्ते में एक छेद, उसकी ओर आकर्षित होता है सारपरमाणु, अंतर-परमाणु बंधन को बहाल करना।

जिसके परिणामस्वरूप नवीन वदूसरे इलेक्ट्रॉन के बाद छेद, भरणतीसरा मुक्त इलेक्ट्रॉन, इस छिद्र के बगल में स्थित है (चित्र संख्या 1)। इसकी बारी में छेद, जो . के सबसे करीब हैं नकारात्मकपोल, दूसरे से भरा हुआ मुक्त इलेक्ट्रॉन(चित्र संख्या 2)। इस प्रकार, अर्धचालक में विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

जब तक सेमीकंडक्टर संचालित होता है विद्युत क्षेत्र, यह प्रोसेस निरंतर: अंतरपरमाण्विक बंधन टूट जाते हैं - मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रकट होते हैं - छिद्र बनते हैं। छेद जारी किए गए इलेक्ट्रॉनों से भरे हुए हैं - अंतर-परमाणु बंधन बहाल हो जाते हैं, जबकि अन्य अंतर-परमाणु बंधन टूट जाते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन निकल जाते हैं और निम्नलिखित छिद्रों को भरते हैं (चित्र संख्या 2-4)।

इससे हम यह निष्कर्ष निकालते हैं: इलेक्ट्रॉन वोल्टेज स्रोत के ऋणात्मक ध्रुव से धनात्मक की ओर बढ़ते हैं, और छिद्र धनात्मक ध्रुव से ऋणात्मक की ओर बढ़ते हैं।

इलेक्ट्रॉन-छेद चालकता।

एक "शुद्ध" अर्धचालक क्रिस्टल में, संख्या मुक्तइस समय इलेक्ट्रॉन संख्या के बराबर है उभरतेइस मामले में, छेद होते हैं, इसलिए ऐसे अर्धचालक की विद्युत चालकता छोटा, क्योंकि यह एक विद्युत प्रवाह प्रदान करता है बड़ेप्रतिरोध, और इस विद्युत चालकता को कहा जाता है अपना.

लेकिन अगर हम अर्धचालक को रूप में जोड़ते हैं दोषअन्य तत्वों के परमाणुओं की एक निश्चित संख्या, तो इसकी विद्युत चालकता में काफी वृद्धि होगी, और इसके आधार पर संरचनाओंअशुद्धता तत्वों के परमाणु, अर्धचालक की विद्युत चालकता होगी इलेक्ट्रोनिकया छिद्रित.

इलेक्ट्रॉनिक चालकता।

मान लीजिए, एक अर्धचालक क्रिस्टल में, जिसमें परमाणुओं में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, हमने एक परमाणु को एक परमाणु से बदल दिया है जिसमें पंजअणु की संयोजन क्षमता। यह परमाणु चारइलेक्ट्रॉन अर्धचालक के चार पड़ोसी परमाणुओं के साथ बंधेंगे, और पांचवांसंयोजकता इलेक्ट्रॉन रहेगा ज़रूरत से ज़्यादा' का अर्थ है मुक्त। और थान अधिक अधिकमुक्त इलेक्ट्रॉन होंगे, जिसका अर्थ है कि ऐसा अर्धचालक अपने गुणों में एक धातु के पास जाएगा, और इसके माध्यम से विद्युत प्रवाह को पारित करने के लिए, यह अंतर-परमाणु बंधनों को नष्ट करने की आवश्यकता नहीं है.

ऐसे गुणों वाले अर्धचालकों को "प्रकार की चालकता वाले अर्धचालक" कहा जाता है। एन", या अर्धचालक एन-प्रकार। यहाँ लैटिन अक्षर n "नकारात्मक" (नकारात्मक) शब्द से आया है - अर्थात "नकारात्मक"। यह इस प्रकार है कि एक अर्धचालक में एन-प्रकार मुख्यआवेश वाहक हैं - इलेक्ट्रॉनों, और मुख्य नहीं - छेद।

छेद चालन।

आइए हम वही क्रिस्टल लें, लेकिन अब हम इसके परमाणु को एक परमाणु से बदल देंगे जिसमें केवल तीनमुक्त इलेक्ट्रॉन। अपने तीन इलेक्ट्रॉनों के साथ, यह केवल के साथ बंध जाएगा तीनपड़ोसी परमाणु, और चौथे परमाणु के साथ बंधने के लिए, उसके पास पर्याप्त नहीं होगा एकइलेक्ट्रॉन। नतीजतन, यह बनता है छेद. स्वाभाविक रूप से, यह आस-पास के किसी अन्य मुक्त इलेक्ट्रॉन से भर जाएगा, लेकिन, किसी भी मामले में, क्रिस्टल में ऐसा कोई अर्धचालक नहीं होगा। लपकनाछिद्रों को भरने के लिए इलेक्ट्रॉन। और थान अधिकक्रिस्टल में ऐसे परमाणु होंगे, इसलिए अधिकछेद होंगे।

मुक्त इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने और ऐसे अर्धचालक में गति करने के लिए, परमाणुओं के बीच संयोजकता बंधनों को नष्ट किया जाना चाहिए. लेकिन इलेक्ट्रॉन अभी भी पर्याप्त नहीं होंगे, क्योंकि छिद्रों की संख्या हमेशा रहेगी अधिककिसी भी समय इलेक्ट्रॉनों की संख्या।

ऐसे अर्धचालकों को अर्धचालक कहा जाता है छिद्रितचालकता या कंडक्टर पी-प्रकार, जिसका लैटिन में "सकारात्मक" का अर्थ है "सकारात्मक"। इस प्रकार, पी-टाइप सेमीकंडक्टर क्रिस्टल में विद्युत प्रवाह की घटना एक निरंतर . के साथ होती है उद्भवऔर लापता होने केधनात्मक आवेश छिद्र हैं। और इसका मतलब है कि एक अर्धचालक में पी-प्रकार मुख्यचार्ज वाहक हैं छेद, और बुनियादी नहीं - इलेक्ट्रॉन।

अब जब आप अर्धचालकों में होने वाली परिघटनाओं के बारे में कुछ समझ गए हैं, तो आपके लिए सेमीकंडक्टर रेडियो घटकों के संचालन के सिद्धांत को समझना मुश्किल नहीं होगा।

आइए इस पर रुकें, और हम डिवाइस पर विचार करेंगे, डायोड के संचालन का सिद्धांत, हम इसकी वर्तमान-वोल्टेज विशेषता और स्विचिंग सर्किट का विश्लेषण करेंगे।
सफलता मिले!

स्रोत:

1 . बोरिसोव वी.जी. - एक युवा रेडियो शौकिया। 1985
2 . वेबसाइट अकादमिक.रू: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172।

इसकी विशेषताएं क्या हैं? अर्धचालकों का भौतिकी क्या है? वे कैसे बने हैं? अर्धचालक चालकता क्या है? उनके पास क्या भौतिक गुण हैं?

अर्धचालक क्या है?

यह क्रिस्टलीय पदार्थों को संदर्भित करता है जो बिजली का संचालन नहीं करते हैं और साथ ही धातुएं भी करते हैं। लेकिन फिर भी, यह संकेतक इंसुलेटर से बेहतर है। ऐसी विशेषताएं मोबाइल वाहकों की संख्या के कारण हैं। सामान्यतया, कोर से एक मजबूत लगाव होता है। लेकिन जब कई परमाणुओं को कंडक्टर में पेश किया जाता है, उदाहरण के लिए, सुरमा, जिसमें इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, तो इस स्थिति को ठीक किया जाएगा। इंडियम का उपयोग करते समय, धनात्मक आवेश वाले तत्व प्राप्त होते हैं। इन सभी गुणों का व्यापक रूप से ट्रांजिस्टर में उपयोग किया जाता है - विशेष उपकरण जो केवल एक दिशा में करंट को बढ़ा सकते हैं, ब्लॉक कर सकते हैं या पास कर सकते हैं। यदि हम एक एनपीएन-प्रकार के तत्व पर विचार करते हैं, तो हम एक महत्वपूर्ण प्रवर्धन भूमिका को नोट कर सकते हैं, जो कमजोर संकेतों को प्रेषित करते समय विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

विद्युत अर्धचालकों के पास डिज़ाइन सुविधाएँ

कंडक्टरों में कई मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। इंसुलेटर व्यावहारिक रूप से उनके पास नहीं हैं। दूसरी ओर, अर्धचालकों में एक निश्चित मात्रा में मुक्त इलेक्ट्रॉन और धनात्मक आवेश वाले अंतराल होते हैं, जो मुक्त कणों को प्राप्त करने के लिए तैयार होते हैं। और सबसे महत्वपूर्ण बात, वे सभी आचरण करते हैं। पहले चर्चा की गई एनपीएन ट्रांजिस्टर का प्रकार एकमात्र संभावित अर्धचालक तत्व नहीं है। तो, पीएनपी ट्रांजिस्टर, साथ ही डायोड भी हैं।

यदि हम बाद के बारे में संक्षेप में बात करते हैं, तो यह एक ऐसा तत्व है जो केवल एक दिशा में संकेतों को प्रसारित कर सकता है। एक डायोड प्रत्यावर्ती धारा को दिष्ट धारा में भी बदल सकता है। इस तरह के परिवर्तन का तंत्र क्या है? और यह केवल एक ही दिशा में क्यों चलती है? करंट कहां से आता है, इस पर निर्भर करते हुए, इलेक्ट्रॉन और गैप या तो अलग हो सकते हैं या एक दूसरे की ओर जा सकते हैं। पहले मामले में, दूरी में वृद्धि के कारण, आपूर्ति बाधित होती है, और इसलिए नकारात्मक वोल्टेज वाहक का स्थानांतरण केवल एक दिशा में किया जाता है, अर्थात अर्धचालकों की चालकता एकतरफा होती है। आखिरकार, करंट तभी संचरित किया जा सकता है जब घटक कण पास हों। और यह तभी संभव है जब एक तरफ से करंट लगाया जाए। इस प्रकार के अर्धचालक मौजूद हैं और वर्तमान में उपयोग किए जाते हैं।

बैंड संरचना

कंडक्टरों के विद्युत और ऑप्टिकल गुण इस तथ्य से संबंधित हैं कि, जब ऊर्जा का स्तर इलेक्ट्रॉनों से भर जाता है, तो वे एक बैंड गैप द्वारा संभावित अवस्थाओं से अलग हो जाते हैं। उसकी विशेषताएं क्या हैं? तथ्य यह है कि बैंड गैप में कोई ऊर्जा स्तर नहीं होता है। अशुद्धियों और संरचनात्मक दोषों की मदद से इसे बदला जा सकता है। उच्चतम पूर्ण रूप से भरे हुए बैंड को वैलेंस बैंड कहा जाता है। फिर अनुमत है, लेकिन खाली है। इसे कंडक्शन बैंड कहते हैं। सेमीकंडक्टर भौतिकी एक दिलचस्प विषय है, और लेख के ढांचे के भीतर इसे अच्छी तरह से कवर किया जाएगा।

इलेक्ट्रॉन अवस्था

इसके लिए, अनुमत क्षेत्र की संख्या और अर्ध-गति जैसी अवधारणाओं का उपयोग किया जाता है। पहले की संरचना फैलाव कानून द्वारा निर्धारित की जाती है। उनका कहना है कि यह अर्ध-गति पर ऊर्जा की निर्भरता से प्रभावित है। इसलिए, यदि संयोजकता बैंड पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरा हुआ है (जो अर्धचालकों में चार्ज करता है), तो वे कहते हैं कि इसमें कोई प्राथमिक उत्तेजना नहीं है। यदि किसी कारण से कोई कण नहीं है, तो इसका मतलब है कि यहां एक धनात्मक आवेशित अर्ध-कण दिखाई दिया है - एक अंतराल या एक छेद। वे संयोजकता बैंड में अर्धचालकों में आवेश वाहक होते हैं।

पतित क्षेत्र

एक विशिष्ट कंडक्टर में वैलेंस बैंड छह गुना पतित होता है। यह स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन को ध्यान में रखे बिना है और केवल तभी जब अर्ध-गति शून्य हो। इसे एक ही स्थिति में दोगुने और चौगुने पतित बैंडों में विभाजित किया जा सकता है। उनके बीच की ऊर्जा दूरी को स्पिन-ऑर्बिट विभाजन ऊर्जा कहा जाता है।

अर्धचालकों में अशुद्धियाँ और दोष

वे विद्युत रूप से निष्क्रिय या सक्रिय हो सकते हैं। पूर्व का उपयोग अर्धचालकों में एक सकारात्मक या नकारात्मक चार्ज प्राप्त करना संभव बनाता है, जिसे वैलेंस बैंड में एक छेद या प्रवाहकीय बैंड में एक इलेक्ट्रॉन की उपस्थिति से मुआवजा दिया जा सकता है। निष्क्रिय अशुद्धियाँ तटस्थ होती हैं और इलेक्ट्रॉनिक गुणों पर उनका अपेक्षाकृत कम प्रभाव पड़ता है। इसके अलावा, यह अक्सर मायने रखता है कि आवेश हस्तांतरण प्रक्रिया में भाग लेने वाले परमाणुओं की संयोजकता और संरचना क्या होती है

अशुद्धियों के प्रकार और मात्रा के आधार पर, छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बीच का अनुपात भी बदल सकता है। इसलिए, वांछित परिणाम प्राप्त करने के लिए अर्धचालक सामग्री को हमेशा सावधानी से चुना जाना चाहिए। यह गणनाओं की एक महत्वपूर्ण संख्या, और बाद में प्रयोगों से पहले है। वे कण जो अधिकांशतः बहुसंख्यक आवेश वाहक के रूप में संदर्भित होते हैं, गैर-प्राथमिक होते हैं।

अर्धचालकों में अशुद्धियों की खुराक की शुरूआत आवश्यक गुणों वाले उपकरणों को प्राप्त करना संभव बनाती है। अर्धचालकों में दोष निष्क्रिय या सक्रिय विद्युत अवस्था में भी हो सकते हैं। अव्यवस्था, अंतरालीय परमाणु और रिक्ति यहाँ महत्वपूर्ण हैं। तरल और गैर-क्रिस्टलीय कंडक्टर क्रिस्टलीय की तुलना में अशुद्धियों के लिए अलग तरह से प्रतिक्रिया करते हैं। एक कठोर संरचना की अनुपस्थिति अंततः इस तथ्य में परिणत होती है कि विस्थापित परमाणु को एक अलग संयोजकता प्राप्त होती है। यह उस से अलग होगा जिसके साथ वह शुरू में अपने संबंधों को संतृप्त करता है। एक परमाणु के लिए एक इलेक्ट्रॉन देना या जोड़ना लाभहीन हो जाता है। इस मामले में, यह निष्क्रिय हो जाता है, और इसलिए डोप किए गए अर्धचालकों में विफलता की उच्च संभावना होती है। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि डोपिंग की मदद से चालकता के प्रकार को बदलना और बनाना असंभव है, उदाहरण के लिए, पी-एन जंक्शन।

कुछ अनाकार अर्धचालक डोपिंग के प्रभाव में अपने इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बदल सकते हैं। लेकिन यह उन पर क्रिस्टलीय की तुलना में बहुत कम हद तक लागू होता है। डोपिंग के लिए अनाकार तत्वों की संवेदनशीलता को प्रसंस्करण द्वारा सुधारा जा सकता है। अंत में, मैं यह नोट करना चाहूंगा कि, लंबे और कड़ी मेहनत के लिए धन्यवाद, डोप किए गए अर्धचालक अभी भी अच्छी विशेषताओं वाले कई परिणामों द्वारा दर्शाए जाते हैं।

अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन सांख्यिकी

जब यह मौजूद होता है, तो छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या पूरी तरह से तापमान, बैंड संरचना के मापदंडों और विद्युत रूप से सक्रिय अशुद्धियों की एकाग्रता से निर्धारित होती है। जब अनुपात की गणना की जाती है, तो यह माना जाता है कि कुछ कण कंडक्शन बैंड (स्वीकर्ता या दाता स्तर पर) में होंगे। यह इस तथ्य को भी ध्यान में रखता है कि एक हिस्सा वैलेंस क्षेत्र को छोड़ सकता है, और वहां अंतराल बनते हैं।

इलेक्ट्रिकल कंडक्टीविटी

अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉनों के अलावा, आयन भी चार्ज वाहक के रूप में कार्य कर सकते हैं। लेकिन ज्यादातर मामलों में उनकी विद्युत चालकता नगण्य होती है। अपवाद के रूप में, केवल आयनिक सुपरकंडक्टर्स का हवाला दिया जा सकता है। अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के तीन मुख्य तंत्र हैं:

1. मुख्य क्षेत्र। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन उसी अनुमत क्षेत्र के भीतर अपनी ऊर्जा में परिवर्तन के कारण गति में आता है।
2. स्थानीय राज्यों में स्थानांतरण रोकना।
3. पोलारोन।

उत्तेजना

एक छेद और एक इलेक्ट्रॉन एक बाध्य अवस्था बना सकते हैं। इसे वानियर-मॉट एक्साइटन कहा जाता है। इस मामले में, जो अवशोषण किनारे से मेल खाती है, बांड के आकार से घट जाती है। पर्याप्त ऊर्जा के साथ, अर्धचालकों में महत्वपूर्ण मात्रा में एक्साइटन बन सकते हैं। जैसे-जैसे उनकी सांद्रता बढ़ती है, संघनन होता है, और एक इलेक्ट्रॉन-छेद तरल बनता है।

सेमीकंडक्टर सतह

ये शब्द कई परमाणु परतों को दर्शाते हैं जो डिवाइस के किनारे के पास स्थित हैं। सतह के गुण थोक गुणों से भिन्न होते हैं। इन परतों की उपस्थिति क्रिस्टल की ट्रांसलेशनल समरूपता को तोड़ती है। यह तथाकथित सतही अवस्थाओं और ध्रुवों की ओर जाता है। उत्तरार्द्ध के विषय को विकसित करते हुए, किसी को स्पिन और कंपन तरंगों के बारे में भी सूचित करना चाहिए। इसकी रासायनिक गतिविधि के कारण, सतह विदेशी अणुओं या परमाणुओं की एक सूक्ष्म परत से ढकी हुई है जो पर्यावरण से सोख ली गई है। वे उन कई परमाणु परतों के गुणों को निर्धारित करते हैं। सौभाग्य से, अल्ट्रा-हाई वैक्यूम तकनीक का निर्माण, जिसमें अर्धचालक तत्व बनाए जाते हैं, कई घंटों तक एक साफ सतह प्राप्त करना और बनाए रखना संभव बनाता है, जिसका परिणामी उत्पादों की गुणवत्ता पर सकारात्मक प्रभाव पड़ता है।

अर्धचालक। तापमान प्रतिरोध को प्रभावित करता है

जब धातुओं का तापमान बढ़ता है तो उनका प्रतिरोध भी बढ़ जाता है। अर्धचालकों के साथ, विपरीत सच है - समान परिस्थितियों में, यह पैरामीटर उनके लिए कम हो जाएगा। यहां बात यह है कि किसी भी सामग्री की विद्युत चालकता (और यह विशेषता प्रतिरोध के व्युत्क्रमानुपाती होती है) इस बात पर निर्भर करती है कि वाहक के पास विद्युत क्षेत्र में उनके आंदोलन की गति पर और एक इकाई मात्रा में उनकी संख्या पर कितना वर्तमान चार्ज है। सामग्री।

अर्धचालक तत्वों में, बढ़ते तापमान के साथ, कणों की सांद्रता बढ़ जाती है, इससे तापीय चालकता बढ़ जाती है, और प्रतिरोध कम हो जाता है। आप इसकी जांच कर सकते हैं यदि आपके पास एक युवा भौतिक विज्ञानी का एक साधारण सेट और आवश्यक सामग्री - सिलिकॉन या जर्मेनियम है, तो आप उनसे बना अर्धचालक भी ले सकते हैं। तापमान में वृद्धि उनके प्रतिरोध को कम कर देगी। यह सुनिश्चित करने के लिए, आपको माप उपकरणों पर स्टॉक करना होगा जो आपको सभी परिवर्तनों को देखने की अनुमति देगा। यह सामान्य मामले में है। आइए कुछ निजी विकल्पों को देखें।

प्रतिरोध और इलेक्ट्रोस्टैटिक आयनीकरण

यह एक बहुत ही संकीर्ण अवरोध से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों की सुरंग के कारण होता है जो एक माइक्रोमीटर के लगभग सौवें हिस्से की आपूर्ति करता है। यह ऊर्जा क्षेत्रों के किनारों के बीच स्थित है। इसकी उपस्थिति तभी संभव है जब ऊर्जा बैंड झुके हुए हों, जो केवल एक मजबूत विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में होता है। जब टनलिंग होती है (जो एक क्वांटम यांत्रिक प्रभाव है), तब इलेक्ट्रॉन एक संकीर्ण संभावित अवरोध से गुजरते हैं, और उनकी ऊर्जा नहीं बदलती है। इसमें आवेश वाहकों की सांद्रता में वृद्धि होती है, और दोनों बैंडों में: चालन और संयोजकता दोनों। यदि इलेक्ट्रोस्टैटिक आयनीकरण की प्रक्रिया विकसित की जाती है, तो सेमीकंडक्टर का टनलिंग ब्रेकडाउन हो सकता है। इस प्रक्रिया के दौरान अर्धचालकों का प्रतिरोध बदल जाएगा। यह प्रतिवर्ती है, और जैसे ही विद्युत क्षेत्र बंद हो जाता है, सभी प्रक्रियाओं को बहाल कर दिया जाएगा।

प्रतिरोध और प्रभाव आयनीकरण

इस मामले में, छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों को त्वरित किया जाता है, जब वे एक मजबूत विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में औसत मुक्त पथ को मूल्यों के लिए पारित करते हैं जो परमाणुओं के आयनीकरण और सहसंयोजक बंधनों (मुख्य परमाणु या अशुद्धता) में से एक को तोड़ने में योगदान करते हैं। ) प्रभाव आयनीकरण हिमस्खलन की तरह होता है, और आवेश वाहक इसमें हिमस्खलन की तरह गुणा करते हैं। इस मामले में, नव निर्मित छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों को विद्युत प्रवाह द्वारा त्वरित किया जाता है। अंतिम परिणाम में वर्तमान का मूल्य प्रभाव आयनीकरण गुणांक से गुणा किया जाता है, जो पथ के एक खंड में चार्ज वाहक द्वारा गठित इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की संख्या के बराबर होता है। इस प्रक्रिया के विकास से अंततः अर्धचालक का हिमस्खलन टूट जाता है। अर्धचालकों का प्रतिरोध भी बदल जाता है, लेकिन सुरंग के टूटने की तरह, यह प्रतिवर्ती है।

व्यवहार में अर्धचालकों का उपयोग

कंप्यूटर प्रौद्योगिकियों में इन तत्वों के विशेष महत्व पर ध्यान दिया जाना चाहिए। हमें लगभग कोई संदेह नहीं है कि आपको इस सवाल में दिलचस्पी नहीं होगी कि अर्धचालक क्या हैं, अगर यह स्वतंत्र रूप से उनका उपयोग करके किसी वस्तु को इकट्ठा करने की इच्छा के लिए नहीं थे। अर्धचालकों के बिना आधुनिक रेफ्रिजरेटर, टीवी, कंप्यूटर मॉनीटर के काम की कल्पना करना असंभव है। उनके बिना और उन्नत मोटर वाहन विकास के बिना मत करो। उनका उपयोग विमानन और अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी में भी किया जाता है। क्या आप समझते हैं कि अर्धचालक क्या हैं, वे कितने महत्वपूर्ण हैं? बेशक, यह नहीं कहा जा सकता है कि हमारी सभ्यता के लिए यही एकमात्र अपूरणीय तत्व हैं, लेकिन उन्हें भी कम करके नहीं आंका जाना चाहिए।

व्यवहार में अर्धचालकों का उपयोग कई कारकों के कारण भी होता है, जिसमें उन सामग्रियों का व्यापक उपयोग शामिल है जिनसे वे बने हैं, और प्रसंस्करण में आसानी और वांछित परिणाम प्राप्त करना, और अन्य तकनीकी विशेषताएं जिसके कारण वैज्ञानिकों की पसंद जिन्होंने उन पर बसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण विकसित किए।

निष्कर्ष

हमने विस्तार से जांच की कि अर्धचालक क्या हैं, वे कैसे काम करते हैं। उनका प्रतिरोध जटिल भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं पर आधारित है। और हम आपको सूचित कर सकते हैं कि लेख में वर्णित तथ्य पूरी तरह से समझ नहीं पाएंगे कि अर्धचालक क्या हैं, साधारण कारण यह है कि विज्ञान ने भी उनके काम की विशेषताओं का अंत तक अध्ययन नहीं किया है। लेकिन हम उनके मुख्य गुणों और विशेषताओं को जानते हैं, जो हमें उन्हें व्यवहार में लागू करने की अनुमति देते हैं। इसलिए, आप सावधानी बरतते हुए अर्धचालक पदार्थों की तलाश कर सकते हैं और स्वयं उनके साथ प्रयोग कर सकते हैं। कौन जानता है, शायद एक महान खोजकर्ता आप में सो रहा है?!

ठोसों के भौतिक गुण, और मुख्य रूप से उनके विद्युत गुण, इस बात से निर्धारित नहीं होते हैं कि क्षेत्र कैसे बनते हैं, बल्कि इस बात से निर्धारित होते हैं कि वे कैसे भरे जाते हैं। इस दृष्टिकोण से, सभी क्रिस्टलीय निकायों को दो अलग-अलग समूहों में विभाजित किया जा सकता है। पहले समूह में शामिल सभी निकाय संवाहक हैं। ठोस पदार्थों का दूसरा समूह अर्धचालक और डाइलेक्ट्रिक्स को जोड़ता है। दूसरे समूह में वे निकाय शामिल हैं जिनमें पूरी तरह से खाली क्षेत्र पूरी तरह से भरे हुए क्षेत्रों के ऊपर स्थित हैं। इस समूह में हीरे की संरचना वाले क्रिस्टल भी शामिल हैं: सिलिकॉन, जर्मेनियम, ग्रे टिन, हीरा; और कई रासायनिक यौगिक - धातु ऑक्साइड, कार्बाइड, धातु नाइट्राइड, कोरन्डम।

अर्धचालकों को आंतरिक (शुद्ध) और बाह्य (डॉप्ड) में विभाजित किया गया है। उच्च स्तर की शुद्धता वाले अर्धचालकों को आंतरिक कहा जाता है। इस मामले में, पूरे क्रिस्टल के गुण अर्धचालक तत्व के आंतरिक परमाणुओं के गुणों से ही निर्धारित होते हैं। अर्धचालक में संवाहक गुणों की उपस्थिति तापमान में वृद्धि, अन्य बाहरी प्रभावों (प्रकाश विकिरण, तेज इलेक्ट्रॉनों की बमबारी) के कारण हो सकती है। केवल यह महत्वपूर्ण है कि बाह्य क्रिया संयोजकता बैंड से चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के संक्रमण का कारण बनती है या अर्धचालक के थोक में मुक्त आवेश वाहकों के निर्माण के लिए स्थितियां निर्मित होती हैं। विभिन्न संकेतों के वाहक सांद्रता की सख्त समानता के साथ आंतरिक चालकता केवल सुपरप्योर आदर्श अर्धचालक क्रिस्टल में ही महसूस की जा सकती है। वास्तविक परिस्थितियों में, हम हमेशा विभिन्न अशुद्धियों द्वारा एक डिग्री या किसी अन्य दूषित क्रिस्टल से निपटते हैं। इसके अलावा, यह अशुद्धता अर्धचालक हैं जो अर्धचालक प्रौद्योगिकी में सबसे बड़ी रुचि रखते हैं। अशुद्धता अर्धचालक, पेश की गई अशुद्धता के प्रकार के आधार पर, दाता (इलेक्ट्रॉनिक) और स्वीकर्ता (छेद) में विभाजित होते हैं। संयोजकता बैंड में छिद्रों के बनने का अर्थ है क्रिस्टल में छिद्र चालन का प्रकट होना। इस प्रकार की चालकता के कारण स्वयं अर्धचालकों को होल सेमीकंडक्टर या पी-टाइप सेमीकंडक्टर कहा जाता है। वैलेंस बैंड से इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने के लिए अर्धचालक में पेश की गई अशुद्धियों को स्वीकर्ता कहा जाता है, यही कारण है कि इन अशुद्धियों के ऊर्जा स्तर को स्वीकर्ता स्तर कहा जाता है, और ऐसी अशुद्धियों वाले अर्धचालकों को स्वीकर्ता अर्धचालक कहा जाता है।

फोटोकॉन्डक्टिविटी अर्धचालकों में एक गैर-संतुलन प्रक्रिया है, जिसमें किसी भी विकिरण (इन्फ्रारेड, दृश्यमान या पराबैंगनी) के प्रभाव में अर्धचालक के प्रवाहकीय गुणों में उपस्थिति या परिवर्तन होता है। एक नियम के रूप में, प्रकाश के साथ अर्धचालक का विकिरण इसकी विद्युत चालकता में वृद्धि के साथ होता है। चालकता में वृद्धि को मुक्त वाहकों की सांद्रता में वृद्धि द्वारा समझाया गया है (कोई भी संतुलन वाहक की गतिशीलता व्यावहारिक रूप से संतुलन की गतिशीलता से भिन्न नहीं होती है)। प्रकाश के संपर्क में आने पर अतिरिक्त मोबाइल वाहक का निर्माण निम्नलिखित तीन मुख्य कारणों से संभव है:

• प्रकाश क्वांटा, अशुद्धता दाता स्तरों पर स्थित इलेक्ट्रॉनों के साथ परस्पर क्रिया करता है, और उन्हें अपनी ऊर्जा देकर, उन्हें चालन बैंड में स्थानांतरित करता है, जिससे चालन इलेक्ट्रॉनों की एकाग्रता में वृद्धि होती है;
• प्रकाश क्वांटा वैलेंस बैंड में स्थित इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है और उन्हें स्वीकर्ता स्तर पर स्थानांतरित करता है, जिससे वैलेंस बैंड में मुक्त छिद्र बनते हैं और अर्धचालक की छिद्र चालकता में वृद्धि होती है;
• लाइट क्वांटा इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से सीधे कंडक्शन बैंड में स्थानांतरित करता है, जिससे एक ही समय में मोबाइल होल और फ्री इलेक्ट्रॉन दोनों बनते हैं।

वर्तमान में, इलेक्ट्रॉनिक्स और रेडियो इंजीनियरिंग के लगभग सभी क्षेत्रों में सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग किया जाता है। हालांकि, इन उपकरणों की अत्यधिक विविधता के बावजूद, वे आमतौर पर पारंपरिक पी-एन जंक्शन या कई पी-एन जंक्शनों की प्रणाली के संचालन पर आधारित होते हैं। एक अर्धचालक डायोड में केवल एक p-n जंक्शन होता है, जिसके प्रत्येक क्षेत्र में धातु इनपुट ओमिक संपर्कों का उपयोग करके जुड़े होते हैं। सेमीकंडक्टर डायोड मुख्य रूप से प्रत्यावर्ती धारा को ठीक करने के लिए उपयोग किया जाता है।

सेमीकंडक्टर डायोड के विपरीत, ट्रांजिस्टर सेमीकंडक्टर सिस्टम होते हैं जिनमें दो पी-एन जंक्शनों द्वारा अलग किए गए तीन क्षेत्र होते हैं। प्रत्येक क्षेत्र का अपना उत्पादन होता है। इसलिए, वैक्यूम ट्रायोड के साथ सादृश्य द्वारा, ट्रांजिस्टर को अक्सर सेमीकंडक्टर ट्रायोड कहा जाता है। और उद्देश्य के संदर्भ में, ट्रांजिस्टर वैक्यूम ट्रायोड के समान हैं: उनके उपयोग का मुख्य क्षेत्र वोल्टेज और बिजली में विद्युत संकेतों का प्रवर्धन है। एक अर्धचालक एकल-क्रिस्टल प्लेट में एक निश्चित प्रकार की चालकता के साथ ट्रांजिस्टर प्राप्त करने के लिए, इसके दो विपरीत चेहरों पर, एक अशुद्धता को जोड़ा जाता है या फैलाया जाता है, जो विपरीत प्रकार की चालकता को निकट-सतह क्षेत्रों में प्रदान करता है। आप एक ट्रांजिस्टर को p-n-p-type और n-p-n-type के रूप में बना सकते हैं। उनके बीच कोई मौलिक अंतर नहीं है। यह सिर्फ इतना है कि छेद पी-एन-पी-प्रकार ट्रांजिस्टर में मुख्य भूमिका निभाते हैं, और एन-पी-एन-प्रकार ट्रांजिस्टर में इलेक्ट्रॉन।

सेमीकंडक्टर्स तेजी से विज्ञान और प्रौद्योगिकी में फट गए। बिजली की खपत में भारी बचत, सर्किट में तत्वों की असामान्य रूप से उच्च पैकिंग घनत्व के कारण उपकरणों की अद्भुत कॉम्पैक्टनेस, उच्च विश्वसनीयता ने अर्धचालकों को इलेक्ट्रॉनिक्स, रेडियो इंजीनियरिंग और विज्ञान में अग्रणी स्थान हासिल करने की अनुमति दी। अंतरिक्ष में अनुसंधान, जहां आकार, वजन और ऊर्जा की खपत की आवश्यकताएं इतनी महत्वपूर्ण हैं, वर्तमान में अर्धचालक उपकरणों के बिना अकल्पनीय है, जो कि अर्धचालक तत्वों पर चलने वाली सौर बैटरी से डिवाइस की स्वायत्त उड़ान में ऊर्जा प्राप्त करते हैं। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक द्वारा अर्धचालक प्रौद्योगिकी के विकास में आश्चर्यजनक संभावनाएं खोली गईं। हालांकि, सेमीकंडक्टर्स की संभावनाएं खत्म होने से बहुत दूर हैं, और वे अपने नए शोधकर्ताओं की प्रतीक्षा कर रहे हैं।

अर्धचालक अनुप्रयोग

वर्तमान में, इलेक्ट्रॉनिक्स और रेडियो इंजीनियरिंग के लगभग सभी क्षेत्रों में सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग किया जाता है। हालांकि, इन उपकरणों की अत्यधिक विविधता के बावजूद, वे आमतौर पर पारंपरिक पी-एन जंक्शन या कई पी-एन जंक्शनों की प्रणाली के संचालन पर आधारित होते हैं।

एक अर्धचालक डायोड में केवल एक p-n जंक्शन होता है, जिसके प्रत्येक क्षेत्र में धातु इनपुट ओमिक संपर्कों का उपयोग करके जुड़े होते हैं।

दिष्टकारी डायोड। सेमीकंडक्टर डायोड मुख्य रूप से प्रत्यावर्ती धारा को ठीक करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक अर्धचालक डायोड को एक सुधारक तत्व के रूप में उपयोग करने की सबसे सरल योजना चित्र 1 में दिखाई गई है। एक वैकल्पिक वोल्टेज स्रोत i-, डायोड D और एक लोड रोकनेवाला Rn श्रृंखला में जुड़े हुए हैं। डायोड की प्रवाह दिशा एक तीर (एनोड से कैथोड तक) द्वारा इंगित की जाती है।

स्रोत टर्मिनलों पर वोल्टेज को साइनसॉइडल कानून (छवि 2, ए) के अनुसार बदलने दें। सकारात्मक अर्ध-चक्र के दौरान, जब डायोड के एनोड पर "+" और कैथोड पर "-" लगाया जाता है, तो डायोड आगे की दिशा में चालू होता है और उसमें से करंट प्रवाहित होता है। इस मामले में, वर्तमान I का तात्कालिक मूल्य वोल्टेज के तात्कालिक मूल्य और स्रोत टर्मिनलों और लोड प्रतिरोध (आगे की दिशा में डायोड का प्रतिरोध छोटा है और उपेक्षित किया जा सकता है) द्वारा निर्धारित किया जाता है। ऋणात्मक आधे चक्र के दौरान डायोड से कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है। इस प्रकार, सर्किट में एक स्पंदनशील धारा प्रवाहित होती है, जिसका ग्राफ चित्र 2, बी में दिखाया गया है। वही स्पंदन लोड रोकनेवाला पर वोल्टेज संयुक्त राष्ट्र होगा। चूँकि u=iR, वोल्टेज u में परिवर्तन धारा i में परिवर्तन की प्रक्रिया को दोहराता है। लोड प्रतिरोध पर बनाए गए वोल्टेज की ध्रुवता हमेशा समान होती है, और यह संचरित धारा की दिशा के अनुसार निर्धारित होती है: कैथोड के सामने प्रतिरोध के अंत में, "+" होगा, और इसके विपरीत अंत "-"।

सुधार की मानी गई योजना एक-आधा-लहर है। संशोधित वोल्टेज के तरंग को कम करने के लिए, चौरसाई फिल्टर का उपयोग किया जाता है। सबसे सरल चौरसाई विधि एक संधारित्र सी को लोड रोकनेवाला के साथ समानांतर में जोड़ना है (चित्र 1 में बिंदीदार रेखा में दिखाया गया है)। धनात्मक अर्ध-चक्र के दौरान डायोड द्वारा प्रवाहित धारा का कुछ भाग संधारित्र को आवेशित करने के लिए जाता है। ऋणात्मक अर्ध-चक्र के दौरान, जब डायोड लॉक हो जाता है, तो संधारित्र को आरपी के माध्यम से छुट्टी दे दी जाती है, उसी दिशा में उसमें करंट पैदा होता है। इसके कारण, लोड रेसिस्टर में वोल्टेज तरंग काफी हद तक सुचारू हो जाती है।