विद्युत प्रतिरोधकता के मान के अनुसार अर्धचालकोंपर कब्जा कंडक्टर और डाइलेक्ट्रिक्स के बीच मध्यवर्ती स्थान। अर्धचालकों में कई रासायनिक तत्व (जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम, टेल्यूरियम, आर्सेनिक, आदि), बड़ी संख्या में मिश्र धातु और रासायनिक यौगिक शामिल हैं।

अर्धचालकों और धातुओं के बीच गुणात्मक अंतर मुख्य रूप से तापमान पर प्रतिरोधकता की निर्भरता में प्रकट होता है। घटते तापमान के साथ धातुओं का प्रतिरोध कम हो जाता है। अर्धचालकों में, इसके विपरीत, घटते तापमान के साथ, प्रतिरोध बढ़ता है और पूर्ण शून्य के करीब वे व्यावहारिक रूप से इन्सुलेटर बन जाते हैं।

निरपेक्ष तापमान के फलन के रूप में शुद्ध अर्धचालक की प्रतिरोधकता टी.

अर्धचालकोंवे पदार्थ कहलाते हैं जिनकी प्रतिरोधकता बढ़ते तापमान के साथ कम हो जाती है।

निर्भरता का ऐसा व्यवहार (टी) से पता चलता है कि अर्धचालकों में मुक्त आवेश वाहकों की सांद्रता स्थिर नहीं रहती है, बल्कि बढ़ते तापमान के साथ बढ़ती है। अर्धचालकों में विद्युत प्रवाह के तंत्र को मुक्त इलेक्ट्रॉन गैस मॉडल के भीतर नहीं समझाया जा सकता है। कंडक्टरों में देखी गई घटनाओं की व्याख्या क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के आधार पर संभव है। आइए हम एक उदाहरण के रूप में जर्मेनियम (जीई) का उपयोग करके अर्धचालकों में विद्युत प्रवाह के तंत्र पर गुणात्मक रूप से विचार करें।

जर्मेनियम परमाणुओं के बाहरी कोश में चार ढीले-ढाले इलेक्ट्रॉन होते हैं। वे कहते हैं अणु की संयोजन क्षमता. एक क्रिस्टल जाली में, प्रत्येक परमाणु चार निकटतम पड़ोसियों से घिरा होता है। जर्मेनियम क्रिस्टल में परमाणुओं के बीच का बंधन है सहसंयोजक, जो कि वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के जोड़े द्वारा किया जाता है। प्रत्येक संयोजकता इलेक्ट्रॉन दो परमाणुओं से संबंधित होता है।

जर्मेनियम क्रिस्टल में वैलेंस इलेक्ट्रॉन धातुओं की तुलना में परमाणुओं से अधिक मजबूती से बंधे होते हैं; इसलिए, अर्धचालकों में कमरे के तापमान पर चालन इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता धातुओं की तुलना में कम परिमाण के कई क्रम हैं। जर्मेनियम क्रिस्टल में पूर्ण शून्य तापमान के करीब, सभी इलेक्ट्रॉन बांड बनाने में लगे होते हैं। ऐसा क्रिस्टल बिजली का संचालन नहीं करता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, कुछ वैलेंस इलेक्ट्रॉन सहसंयोजक बंधों को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। तब क्रिस्टल होगामुक्त इलेक्ट्रॉन(चालन इलेक्ट्रॉन)। उसी समय, रिक्तियां जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा कब्जा नहीं की जाती हैं, बंधन टूटने के स्थलों पर बनती हैं।

वे रिक्तियाँ जिनमें इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं, कहलाती हैं छेद.

एक खाली जगह पर एक पड़ोसी जोड़ी से एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन का कब्जा हो सकता है, फिर छेद क्रिस्टल में एक नए स्थान पर चला जाएगा। किसी दिए गए अर्धचालक तापमान पर, की एक निश्चित मात्रा इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े.

उसी समय, रिवर्स प्रक्रिया चल रही है - जब एक मुक्त इलेक्ट्रॉन एक छेद से मिलता है, तो जर्मेनियम परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनिक बंधन बहाल हो जाता है। इस प्रक्रिया को कहा जाता है पुनर्संयोजन.

पुनर्संयोजन -परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनिक बंधन की बहाली।

विद्युतचुंबकीय विकिरण की ऊर्जा के कारण अर्धचालक को रोशन करने पर इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े भी उत्पन्न हो सकते हैं।

विद्युत क्षेत्र की अनुपस्थिति में, चालन इलेक्ट्रॉन और छिद्र अराजक तापीय गति में भाग लेते हैं।

यदि एक अर्धचालक को विद्युत क्षेत्र में रखा जाता है, तो न केवल मुक्त इलेक्ट्रॉन क्रमबद्ध गति में शामिल होते हैं, बल्कि छिद्र भी होते हैं, जो धनात्मक आवेशित कणों की तरह व्यवहार करते हैं। इसलिए, वर्तमान मैंअर्धचालक में एक इलेक्ट्रॉनिक से बना होता है मेंऔर छेद आईपीधाराएं: मैं = में + आईपी

अर्धचालकों में विद्युत धाराइलेक्ट्रॉनों के निर्देशित आंदोलन को सकारात्मक ध्रुव, और छिद्रों को नकारात्मक कहा जाता है।

अर्धचालक में चालन इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता छिद्रों की सांद्रता के बराबर होती है: एन नहीं = एनपी. चालन का इलेक्ट्रॉन-छेद तंत्र केवल शुद्ध (अर्थात अशुद्धियों के बिना) अर्धचालकों में प्रकट होता है। यह कहा जाता है अपनी विद्युत चालकताअर्धचालक।

खुद की विद्युत चालकता अर्धचालकों को इलेक्ट्रॉन-छेद चालकता तंत्र कहा जाता है, जो केवल शुद्ध (अर्थात अशुद्धियों के बिना) अर्धचालकों में ही प्रकट होता है।

अशुद्धियों की उपस्थिति में, अर्धचालकों की विद्युत चालकता बहुत बदल जाती है।

अशुद्धता चालकताअशुद्धियों की उपस्थिति में अर्धचालकों की चालकता कहलाती है।

अशुद्धियों की शुरूआत पर अर्धचालक की प्रतिरोधकता में तेज कमी के लिए एक आवश्यक शर्त अशुद्धता परमाणुओं की संयोजकता और क्रिस्टल के मुख्य परमाणुओं की संयोजकता के बीच का अंतर है।

अशुद्धता चालन दो प्रकार का होता है - इलेक्ट्रोनिकतथा छेदचालकता।

1. इलेक्ट्रॉनिक चालकतातब होता है जब एक अर्धचालक क्रिस्टल इंजेक्ट किया जाता है एक उच्च संयोजकता के साथ एक मिश्रण।

उदाहरण के लिए, पेंटावैलेंट आर्सेनिक परमाणु, जैसे, टेट्रावैलेंट परमाणुओं के साथ जर्मेनियम क्रिस्टल में पेश किए जाते हैं।

यह चित्र जर्मेनियम के एक जालक स्थल में एक पेंटावैलेंट आर्सेनिक परमाणु को दर्शाता है। आर्सेनिक परमाणु के चार संयोजकता इलेक्ट्रॉन चार पड़ोसी जर्मेनियम परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधों के निर्माण में शामिल होते हैं। पाँचवाँ वैलेंस इलेक्ट्रॉन ज़रूरत से ज़्यादा निकला; यह आसानी से आर्सेनिक परमाणु से अलग हो जाता है और मुक्त हो जाता है। एक परमाणु जिसने एक इलेक्ट्रॉन खो दिया है, क्रिस्टल जाली में एक साइट पर स्थित एक सकारात्मक आयन में बदल जाता है।

दाता अशुद्धता- अर्धचालक क्रिस्टल के मुख्य परमाणुओं की संयोजकता से अधिक संयोजकता वाले परमाणुओं की अशुद्धता कहलाती है।

इसकी शुरूआत के परिणामस्वरूप, क्रिस्टल में एक महत्वपूर्ण संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं। इससे अर्धचालक की प्रतिरोधकता में तेज कमी आती है - हजारों या लाखों गुना। अशुद्धियों की उच्च सामग्री वाले कंडक्टर की प्रतिरोधकता धातु के कंडक्टर के करीब पहुंच सकती है।

आर्सेनिक अशुद्धता वाले जर्मेनियम क्रिस्टल में, क्रिस्टल की आंतरिक चालकता के लिए जिम्मेदार इलेक्ट्रॉन और छिद्र होते हैं। लेकिन मुख्य प्रकार के मुक्त आवेश वाहक आर्सेनिक परमाणुओं से अलग इलेक्ट्रॉन होते हैं। ऐसे क्रिस्टल में एन नहीं >> एनपी.

चालकता जिसमें बहुसंख्यक मुक्त आवेश वाहक इलेक्ट्रॉन होते हैं, कहलाते हैं इलेक्ट्रोनिक।

एक अर्धचालक जो इलेक्ट्रॉनिक चालकता प्रदर्शित करता है, कहलाता है एन-प्रकार अर्धचालक.

1. छेद चालनतब होता है जब अशुद्धता के साथ कम संयोजकता।

उदाहरण के लिए, त्रिसंयोजक परमाणुओं में एक जर्मेनियम क्रिस्टल में पेश किया जाता है।

यह आंकड़ा एक इंडियम परमाणु को दर्शाता है जिसने अपने वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके केवल तीन पड़ोसी जर्मेनियम परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बनाए हैं। इंडियम परमाणु में चौथे जर्मेनियम परमाणु के साथ बंधन बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन नहीं होता है। इस लापता इलेक्ट्रॉन को एक इंडियम परमाणु द्वारा पड़ोसी जर्मेनियम परमाणुओं के सहसंयोजक बंधन से पकड़ा जा सकता है। इस मामले में, इंडियम परमाणु क्रिस्टल जाली की साइट पर स्थित एक नकारात्मक आयन में बदल जाता है, और पड़ोसी परमाणुओं के सहसंयोजक बंधन में एक रिक्ति बनती है।

स्वीकर्ता अशुद्धता -पी कहा जाता हैइलेक्ट्रॉनों को पकड़ने में सक्षम अर्धचालक क्रिस्टल के मुख्य परमाणुओं की संयोजकता से कम संयोजकता वाले परमाणुओं का मिश्रण।

क्रिस्टल में एक स्वीकर्ता अशुद्धता की शुरूआत के परिणामस्वरूप, कई सहसंयोजक बंधन टूट जाते हैं और रिक्त स्थान (छेद) बन जाते हैं। इलेक्ट्रॉन इन स्थानों पर पड़ोसी सहसंयोजक बंधों से कूद सकते हैं, जिससे क्रिस्टल के चारों ओर छिद्रों का यादृच्छिक भटकना होता है।

बड़ी संख्या में मुक्त छिद्रों की उपस्थिति के कारण एक स्वीकर्ता अशुद्धता की उपस्थिति अर्धचालक की प्रतिरोधकता को तेजी से कम कर देती है। एक स्वीकर्ता अशुद्धता वाले अर्धचालक में छिद्रों की सांद्रता, अर्धचालक की आंतरिक विद्युत चालकता के तंत्र के कारण उत्पन्न होने वाले इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता से काफी अधिक है: एनपी >> एन नहीं.

चालकता जिसमें छिद्र मुक्त आवेश के बहुसंख्यक वाहक होते हैं, कहलाते हैं छेद चालकता.

छिद्र चालकता वाले अर्धचालक को कहा जाता है पी-प्रकार अर्धचालक.

इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि छेद चालकता वास्तव में एक जर्मेनियम परमाणु से दूसरे में रिक्तियों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण होती है, जो एक सहसंयोजक बंधन को अंजाम देती है।

तापमान और रोशनी पर अर्धचालकों की विद्युत चालकता की निर्भरता

1. बढ़ते तापमान वाले अर्धचालकों के लिएइलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की गतिशीलता कम हो जाती है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाता है, क्योंकि जब अर्धचालक को गर्म किया जाता है, तो गतिजवैलेंस इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा बढ़ जाती है और व्यक्तिगत बंधन टूट जाते हैं, जिससे मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या में वृद्धि होती है, अर्थात विद्युत चालकता में वृद्धि होती है।

1. जब रोशन अर्धचालक, अतिरिक्त वाहक इसमें दिखाई देते हैं, जोइसकी विद्युत चालकता में वृद्धि की ओर जाता है।यह इस तथ्य के परिणामस्वरूप होता है कि प्रकाश एक परमाणु से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालता है और साथ ही इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या में वृद्धि होती है।

अर्धचालक पदार्थों का एक वर्ग है जिसमें बढ़ते तापमान के साथ चालकता बढ़ती है और विद्युत प्रतिरोध कम हो जाता है। यह अर्धचालक मूल रूप से धातुओं से भिन्न होते हैं।

विशिष्ट अर्धचालक जर्मेनियम और सिलिकॉन के क्रिस्टल होते हैं, जिसमें परमाणु एक सहसंयोजक बंधन द्वारा एकजुट होते हैं। अर्धचालकों में किसी भी तापमान पर मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। एक बाहरी विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत मुक्त इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल में स्थानांतरित हो सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनिक चालन चालू हो सकता है। क्रिस्टल जालक के परमाणुओं में से एक के बाहरी आवरण से एक इलेक्ट्रॉन को हटाने से यह परमाणु एक सकारात्मक आयन में बदल जाता है। पड़ोसी परमाणुओं में से एक से इलेक्ट्रॉन को पकड़कर इस आयन को बेअसर किया जा सकता है। इसके अलावा, परमाणुओं से सकारात्मक आयनों में इलेक्ट्रॉनों के संक्रमण के परिणामस्वरूप, लापता इलेक्ट्रॉन के साथ जगह के क्रिस्टल में अराजक गति की प्रक्रिया होती है। बाह्य रूप से, इस प्रक्रिया को एक सकारात्मक विद्युत आवेश की गति के रूप में माना जाता है, जिसे कहा जाता है छेद.

जब एक क्रिस्टल को विद्युत क्षेत्र में रखा जाता है, तो छिद्रों की एक क्रमबद्ध गति होती है - एक छिद्र चालन धारा।

एक आदर्श अर्धचालक क्रिस्टल में, समान संख्या में ऋणात्मक आवेशित इलेक्ट्रॉनों और धनात्मक आवेशित छिद्रों की गति से विद्युत धारा उत्पन्न होती है। आदर्श अर्धचालकों में चालकता को आंतरिक चालकता कहा जाता है।

अर्धचालकों के गुण अशुद्धियों की सामग्री पर अत्यधिक निर्भर होते हैं। अशुद्धियाँ दो प्रकार की होती हैं-दाता और स्वीकर्ता।

वे अशुद्धियाँ जो इलेक्ट्रॉन दान करती हैं और इलेक्ट्रॉनिक चालकता उत्पन्न करती हैं, कहलाती हैं दाता(अशुद्धियों की संयोजकता मुख्य अर्धचालक से अधिक होती है)। अर्धचालक जिनमें इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता छिद्रों की सांद्रता से अधिक होती है, n-प्रकार के अर्धचालक कहलाते हैं।

अशुद्धियाँ जो इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेती हैं और इस तरह चालन इलेक्ट्रॉनों की संख्या को बढ़ाए बिना मोबाइल छिद्र बनाती हैं, कहलाती हैं हुंडी सकारनेवाला(अशुद्धियों की संयोजकता मुख्य अर्धचालक की संयोजकता से कम होती है)।

कम तापमान पर, एक स्वीकर्ता अशुद्धता के साथ अर्धचालक क्रिस्टल में छेद मुख्य वर्तमान वाहक होते हैं, और इलेक्ट्रॉन मुख्य वाहक नहीं होते हैं। अर्धचालक जिनमें छिद्रों की सांद्रता चालन इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता से अधिक होती है, छिद्र अर्धचालक या p-प्रकार अर्धचालक कहलाते हैं। विभिन्न प्रकार की चालकता वाले दो अर्धचालकों के संपर्क पर विचार करें।

बहुसंख्यक वाहकों का पारस्परिक प्रसार इन अर्धचालकों की सीमा के माध्यम से होता है: इलेक्ट्रॉन एन-सेमीकंडक्टर से पी-सेमीकंडक्टर में फैलते हैं, और पी-सेमीकंडक्टर से एन-सेमीकंडक्टर में छेद करते हैं। नतीजतन, संपर्क से सटे n-अर्धचालक का खंड इलेक्ट्रॉनों में समाप्त हो जाएगा, और नंगे अशुद्धता आयनों की उपस्थिति के कारण इसमें एक अतिरिक्त सकारात्मक चार्ज बन जाएगा। पी-सेमीकंडक्टर से एन-सेमीकंडक्टर तक छिद्रों की आवाजाही से पी-सेमीकंडक्टर के सीमा क्षेत्र में एक अतिरिक्त नकारात्मक चार्ज दिखाई देता है। नतीजतन, एक दोहरी विद्युत परत बनती है, और एक संपर्क विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है, जो मुख्य आवेश वाहकों के आगे प्रसार को रोकता है। इस परत को कहा जाता है ताला.

एक बाहरी विद्युत क्षेत्र बाधा परत की विद्युत चालकता को प्रभावित करता है। यदि अर्धचालक स्रोत से जुड़े हैं जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 55, फिर बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत, मुख्य चार्ज वाहक - एन-सेमीकंडक्टर में मुक्त इलेक्ट्रॉन और पी-सेमीकंडक्टर में छेद - अर्धचालक के इंटरफेस में एक-दूसरे की ओर बढ़ेंगे, जबकि पीएन की मोटाई जंक्शन कम हो जाता है, इसलिए इसका प्रतिरोध कम हो जाता है। इस मामले में, वर्तमान ताकत बाहरी प्रतिरोध द्वारा सीमित है। बाहरी विद्युत क्षेत्र की इस दिशा को प्रत्यक्ष कहा जाता है। पी-एन-जंक्शन का सीधा कनेक्शन वर्तमान-वोल्टेज विशेषता पर खंड 1 से मेल खाता है (चित्र 57 देखें)।

विभिन्न मीडिया में विद्युत प्रवाह वाहक और वर्तमान-वोल्टेज विशेषताओं को तालिका में संक्षेपित किया गया है। एक।

यदि अर्धचालक स्रोत से जुड़े हैं जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 56 है, तो n-अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन और p-अर्धचालक में छिद्र सीमा से बाहरी विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत विपरीत दिशाओं में गति करेंगे। बैरियर परत की मोटाई और इसलिए इसका प्रतिरोध बढ़ जाता है। बाहरी विद्युत क्षेत्र की इस दिशा के साथ - रिवर्स (अवरुद्ध) केवल अल्पसंख्यक चार्ज वाहक इंटरफ़ेस से गुजरते हैं, जिनमें से एकाग्रता मुख्य लोगों की तुलना में बहुत कम है, और वर्तमान व्यावहारिक रूप से शून्य है। पीएन जंक्शन का रिवर्स समावेश वर्तमान-वोल्टेज विशेषता (छवि 57) पर धारा 2 से मेल खाता है।

अर्धचालकों में, यह छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों की निर्देशित गति है, जो एक विद्युत क्षेत्र से प्रभावित होती है।

प्रयोगों के परिणामस्वरूप, यह नोट किया गया कि अर्धचालकों में विद्युत प्रवाह पदार्थ के हस्तांतरण के साथ नहीं है - वे किसी भी रासायनिक परिवर्तन से नहीं गुजरते हैं। इस प्रकार, अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनों को वर्तमान वाहक माना जा सकता है।

इसमें विद्युत प्रवाह बनाने के लिए सामग्री की क्षमता निर्धारित की जा सकती है। इस सूचक के अनुसार, कंडक्टर कंडक्टर और डाइलेक्ट्रिक्स के बीच एक मध्यवर्ती स्थिति पर कब्जा कर लेते हैं। अर्धचालक विभिन्न प्रकार के खनिज, कुछ धातु, धातु सल्फाइड आदि होते हैं। अर्धचालकों में विद्युत धारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता के कारण उत्पन्न होती है, जो किसी पदार्थ में एक दिशा में गति कर सकते हैं। धातुओं और कंडक्टरों की तुलना में, यह ध्यान दिया जा सकता है कि उनकी चालकता पर तापमान के प्रभाव में अंतर होता है। तापमान में वृद्धि से कमी होती है अर्धचालकों में, चालकता सूचकांक बढ़ता है। यदि अर्धचालक में तापमान बढ़ता है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गति अधिक अराजक होगी। यह टकराव की संख्या में वृद्धि के कारण है। हालांकि, अर्धचालकों में, धातुओं की तुलना में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता काफी बढ़ जाती है। इन कारकों का चालकता पर विपरीत प्रभाव पड़ता है: अधिक टकराव, चालकता जितनी कम होती है, सांद्रता उतनी ही अधिक होती है। धातुओं में, तापमान और मुक्त इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता के बीच कोई संबंध नहीं होता है, इसलिए बढ़ते तापमान के साथ चालकता में परिवर्तन के साथ, मुक्त इलेक्ट्रॉनों के एक क्रमबद्ध आंदोलन की संभावना कम हो जाती है। अर्धचालकों के संबंध में, सांद्रता बढ़ाने का प्रभाव अधिक होता है। इस प्रकार, जितना अधिक तापमान बढ़ेगा, चालकता उतनी ही अधिक होगी।

अर्धचालकों में आवेश वाहकों की गति और विद्युत धारा जैसी अवधारणा के बीच एक संबंध है। अर्धचालकों में, आवेश वाहकों की उपस्थिति विभिन्न कारकों की विशेषता होती है, जिनमें से सामग्री का तापमान और शुद्धता विशेष रूप से महत्वपूर्ण होती है। शुद्धता से, अर्धचालकों को अशुद्धता और आंतरिक में विभाजित किया जाता है।

आंतरिक कंडक्टर के लिए, एक निश्चित तापमान पर अशुद्धियों के प्रभाव को उनके लिए महत्वपूर्ण नहीं माना जा सकता है। चूंकि अर्धचालकों में बैंड गैप छोटा होता है, एक आंतरिक अर्धचालक में, जब तापमान पहुंचता है, तो वैलेंस बैंड पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भर जाता है। लेकिन चालन बैंड पूरी तरह से मुक्त है: इसमें कोई विद्युत चालकता नहीं है, और यह एक पूर्ण ढांकता हुआ के रूप में कार्य करता है। अन्य तापमानों पर, एक संभावना है कि थर्मल उतार-चढ़ाव के दौरान कुछ इलेक्ट्रॉन संभावित अवरोध को दूर कर सकते हैं और खुद को चालन बैंड में पा सकते हैं।

थॉमसन प्रभाव

थर्मोइलेक्ट्रिक थॉमसन प्रभाव का सिद्धांत: जब अर्धचालकों में एक विद्युत प्रवाह पारित किया जाता है जिसके साथ एक तापमान ढाल होता है, जूल गर्मी के अलावा, अतिरिक्त मात्रा में गर्मी जारी की जाएगी या उनमें अवशोषित हो जाएगी, यह उस दिशा पर निर्भर करता है जिसमें वर्तमान बहता है।

एक सजातीय संरचना वाले नमूने का अपर्याप्त रूप से समान ताप उसके गुणों को प्रभावित करता है, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ अमानवीय हो जाता है। इस प्रकार, थॉमसन घटना एक विशिष्ट पेल्ट घटना है। अंतर केवल इतना है कि यह नमूने की रासायनिक संरचना भिन्न नहीं है, बल्कि तापमान की विलक्षणता इस विषमता का कारण बनती है।

इस पाठ में, हम विद्युत प्रवाह के पारित होने के लिए ऐसे माध्यम को अर्धचालक के रूप में मानेंगे। हम उनकी चालकता के सिद्धांत, तापमान पर इस चालकता की निर्भरता और अशुद्धियों की उपस्थिति पर विचार करेंगे, पी-एन जंक्शन और बुनियादी अर्धचालक उपकरणों के रूप में ऐसी अवधारणा पर विचार करेंगे।

यदि आप एक सीधा संबंध बनाते हैं, तो बाहरी क्षेत्र लॉकिंग को बेअसर कर देगा, और वर्तमान मुख्य चार्ज वाहक (चित्र। 9) द्वारा बनाया जाएगा।

चावल। 9. सीधे कनेक्शन के साथ पी-एन जंक्शन ()

इस मामले में, अल्पसंख्यक वाहकों की धारा नगण्य है, यह व्यावहारिक रूप से न के बराबर है। इसलिए, पी-एन जंक्शन विद्युत प्रवाह का एकतरफा चालन प्रदान करता है।

चावल। 10. बढ़ते तापमान के साथ सिलिकॉन की परमाणु संरचना

अर्धचालकों का चालन इलेक्ट्रॉन-छिद्र होता है, और इस तरह के चालन को आंतरिक चालन कहा जाता है। और प्रवाहकीय धातुओं के विपरीत, बढ़ते तापमान के साथ, मुक्त आवेशों की संख्या बस बढ़ जाती है (पहले मामले में, यह नहीं बदलता है), इसलिए, बढ़ते तापमान के साथ अर्धचालकों की चालकता बढ़ जाती है, और प्रतिरोध कम हो जाता है (चित्र 10)।

अर्धचालकों के अध्ययन में एक बहुत ही महत्वपूर्ण मुद्दा उनमें अशुद्धियों की उपस्थिति है। और अशुद्धियों की उपस्थिति के मामले में, अशुद्धता चालकता की बात करनी चाहिए।

अर्धचालकों

संचरित संकेतों के छोटे आकार और बहुत उच्च गुणवत्ता ने अर्धचालक उपकरणों को आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी में बहुत आम बना दिया है। ऐसे उपकरणों की संरचना में न केवल उपरोक्त सिलिकॉन अशुद्धियों के साथ शामिल हो सकते हैं, बल्कि उदाहरण के लिए, जर्मेनियम भी शामिल हो सकते हैं।

इन उपकरणों में से एक डायोड है - एक उपकरण जो एक दिशा में करंट पास करने में सक्षम है और दूसरी दिशा में इसके पारित होने को रोकता है। यह एक अन्य प्रकार के अर्धचालक को p- या n-प्रकार के अर्धचालक क्रिस्टल (चित्र 11) में आरोपित करके प्राप्त किया जाता है।

चावल। 11. डायग्राम पर डायोड का पदनाम और उसके उपकरण का आरेख, क्रमशः

एक अन्य उपकरण, जिसमें अब दो p-n जंक्शन हैं, ट्रांजिस्टर कहलाते हैं। यह न केवल वर्तमान प्रवाह की दिशा का चयन करने के लिए, बल्कि इसे परिवर्तित करने के लिए भी कार्य करता है (चित्र 12)।

चावल। 12. क्रमशः विद्युत परिपथ पर ट्रांजिस्टर की संरचना और उसके पदनाम की योजना ()

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि आधुनिक माइक्रोक्रेसीट डायोड, ट्रांजिस्टर और अन्य विद्युत उपकरणों के कई संयोजनों का उपयोग करते हैं।

अगले पाठ में हम निर्वात में विद्युत धारा के प्रसार को देखेंगे।

ग्रन्थसूची

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1. उपकरणों के संचालन के सिद्धांत ()।
2. भौतिकी और प्रौद्योगिकी का विश्वकोश ()।

गृहकार्य

1. अर्धचालक में चालन इलेक्ट्रॉनों का क्या कारण है?
2. अर्धचालक की आंतरिक चालकता क्या है?
3. अर्धचालक की चालकता तापमान पर कैसे निर्भर करती है?
4. दाता अशुद्धता और स्वीकर्ता अशुद्धता में क्या अंतर है?
5. * ए) गैलियम, बी) इंडियम, सी) फास्फोरस, डी) सुरमा के मिश्रण के साथ सिलिकॉन की चालकता क्या है?

अर्धचालकों में कई रासायनिक तत्व (जर्मेनियम, सिलिकॉन, सेलेनियम, टेल्यूरियम, आर्सेनिक, आदि), बड़ी संख्या में मिश्र धातु और रासायनिक यौगिक शामिल हैं। हमारे आसपास की दुनिया के लगभग सभी अकार्बनिक पदार्थ अर्धचालक हैं। प्रकृति में सबसे आम अर्धचालक सिलिकॉन है, जो पृथ्वी की पपड़ी का लगभग 30% हिस्सा बनाता है।

अर्धचालकों और धातुओं के बीच गुणात्मक अंतर प्रकट होता है प्रतिरोधकता की तापमान निर्भरता(अंजीर.9.3)

अर्धचालकों की इलेक्ट्रॉन-छेद चालकता का बैंड मॉडल

ठोसों के निर्माण के दौरान, एक ऐसी स्थिति संभव है जब प्रारंभिक परमाणुओं के वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों से उत्पन्न ऊर्जा बैंड पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरा हो, और इलेक्ट्रॉनों से भरने के लिए उपलब्ध निकटतम ऊर्जा स्तर से अलग हो जाते हैं संयोजी बंध ई वी अनसुलझे ऊर्जा राज्यों का एक अंतराल - तथाकथित निषिद्ध क्षेत्र ई जीबैंड गैप के ऊपर इलेक्ट्रॉनों के लिए अनुमत ऊर्जा अवस्थाओं का क्षेत्र है - चालन बैंड ई सी।

0 K पर चालन बैंड पूरी तरह से मुक्त है, जबकि संयोजकता बैंड पूरी तरह से व्याप्त है। इसी तरह की बैंड संरचनाएं सिलिकॉन, जर्मेनियम, गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम फॉस्फाइड (InP) और कई अन्य अर्धचालक ठोस की विशेषता हैं।

अर्धचालकों और डाइलेक्ट्रिक्स के तापमान में वृद्धि के साथ, इलेक्ट्रॉन थर्मल गति से जुड़ी अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करने में सक्षम होते हैं। के.टी.. कुछ इलेक्ट्रॉनों के लिए, तापीय गति की ऊर्जा संक्रमण के लिए पर्याप्त है संयोजकता बैंड से चालन बैंड तक,जहां बाहरी विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत इलेक्ट्रॉन लगभग स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकते हैं।

इस मामले में, अर्धचालक पदार्थ वाले परिपथ में, जैसे-जैसे अर्धचालक का तापमान बढ़ता है, विद्युत धारा में वृद्धि होगी।यह करंट न केवल कंडक्शन बैंड में इलेक्ट्रॉनों की गति के साथ जुड़ा हुआ है, बल्कि उपस्थिति के साथ भी जुड़ा हुआ है इलेक्ट्रॉनों से रिक्तियां जो चालन बैंड में चली गई हैंवैलेंस बैंड में, तथाकथित छेद . एक खाली जगह पर एक पड़ोसी जोड़ी से एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन का कब्जा हो सकता है, फिर छेद क्रिस्टल में एक नए स्थान पर चला जाएगा।

यदि एक अर्धचालक को विद्युत क्षेत्र में रखा जाता है, तो न केवल मुक्त इलेक्ट्रॉन क्रमबद्ध गति में शामिल होते हैं, बल्कि छिद्र भी होते हैं, जो धनात्मक आवेशित कणों की तरह व्यवहार करते हैं। इसलिए, वर्तमान मैंअर्धचालक में एक इलेक्ट्रॉनिक से बना होता है मेंऔर छेद आईपीधाराएं: मैं= में+ आईपी.

चालन का इलेक्ट्रॉन-छेद तंत्र केवल शुद्ध (अर्थात, अशुद्धियों के बिना) अर्धचालकों में ही प्रकट होता है। यह कहा जाता है अपनी विद्युत चालकता अर्धचालक। इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में फेंका जाता है फर्मी स्तर, जो अपने स्वयं के अर्धचालक में स्थित हो जाता है निषिद्ध क्षेत्र के बीच में(चित्र। 9.4)।

अर्धचालकों में बहुत कम मात्रा में अशुद्धियों को शामिल करके उनकी चालकता को महत्वपूर्ण रूप से बदलना संभव है। धातुओं में, अशुद्धता हमेशा चालकता को कम करती है। इस प्रकार, शुद्ध सिलिकॉन में 3% फॉस्फोरस परमाणुओं के जुड़ने से क्रिस्टल की विद्युत चालकता 105 के कारक से बढ़ जाती है।

अर्धचालक में डोपेंट का थोड़ा सा जोड़ डोपिंग कहा जाता है।

अशुद्धियों की शुरूआत पर अर्धचालक की प्रतिरोधकता में तेज कमी के लिए एक आवश्यक शर्त अशुद्धता परमाणुओं की संयोजकता और क्रिस्टल के मुख्य परमाणुओं की संयोजकता के बीच का अंतर है। अशुद्धियों की उपस्थिति में अर्धचालकों की चालकता कहलाती है अशुद्धता चालकता .

अंतर करना दो प्रकार की अशुद्धता चालन – इलेक्ट्रोनिक तथा छेद चालकता। इलेक्ट्रॉनिक चालकतातब होता है जब पेंटावैलेंट परमाणु (उदाहरण के लिए, आर्सेनिक, एएस) को टेट्रावैलेंट परमाणुओं के साथ एक जर्मेनियम क्रिस्टल में पेश किया जाता है (चित्र। 9.5)।

आर्सेनिक परमाणु के चार संयोजकता इलेक्ट्रॉन चार पड़ोसी जर्मेनियम परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधों के निर्माण में शामिल होते हैं। पाँचवाँ वैलेंस इलेक्ट्रॉन बेमानी निकला। यह आसानी से आर्सेनिक परमाणु से अलग हो जाता है और मुक्त हो जाता है। एक परमाणु जिसने एक इलेक्ट्रॉन खो दिया है, क्रिस्टल जाली में एक साइट पर स्थित एक सकारात्मक आयन में बदल जाता है।

अर्धचालक क्रिस्टल के मुख्य परमाणुओं की संयोजकता से अधिक संयोजकता वाले परमाणुओं के मिश्रण को कहते हैं दाता अशुद्धता . इसकी शुरूआत के परिणामस्वरूप, क्रिस्टल में एक महत्वपूर्ण संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं। इससे अर्धचालक की प्रतिरोधकता में तेज कमी आती है - हजारों या लाखों गुना।

अशुद्धियों की उच्च सामग्री वाले कंडक्टर की प्रतिरोधकता धातु के कंडक्टर के करीब पहुंच सकती है। मुक्त इलेक्ट्रॉनों के कारण ऐसी चालकता को इलेक्ट्रॉनिक कहा जाता है, और इलेक्ट्रॉनिक चालकता वाले अर्धचालक को कहा जाता है एन-प्रकार अर्धचालक.

छेद चालन तब होता है जब त्रिसंयोजक परमाणुओं को जर्मेनियम क्रिस्टल में पेश किया जाता है, उदाहरण के लिए, इंडियम परमाणु (चित्र। 9.5)

चित्र 6 में एक इंडियम परमाणु दिखाया गया है जिसने अपने वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके केवल तीन पड़ोसी जर्मेनियम परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बनाए हैं। इंडियम परमाणु में चौथे जर्मेनियम परमाणु के साथ बंधन बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन नहीं होता है। इस लापता इलेक्ट्रॉन को एक इंडियम परमाणु द्वारा पड़ोसी जर्मेनियम परमाणुओं के सहसंयोजक बंधन से पकड़ा जा सकता है। इस मामले में, इंडियम परमाणु क्रिस्टल जाली की साइट पर स्थित एक नकारात्मक आयन में बदल जाता है, और पड़ोसी परमाणुओं के सहसंयोजक बंधन में एक रिक्ति बनती है।

इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने में सक्षम परमाणुओं के मिश्रण को कहा जाता है स्वीकर्ता अशुद्धता . क्रिस्टल में एक स्वीकर्ता अशुद्धता की शुरूआत के परिणामस्वरूप, कई सहसंयोजक बंधन टूट जाते हैं और रिक्त स्थान (छेद) बन जाते हैं। इलेक्ट्रॉन इन स्थानों पर पड़ोसी सहसंयोजक बंधों से कूद सकते हैं, जिससे क्रिस्टल के चारों ओर छिद्रों का यादृच्छिक भटकना होता है।

एक स्वीकर्ता अशुद्धता के साथ एक अर्धचालक में छिद्रों की सांद्रता, अर्धचालक की आंतरिक विद्युत चालकता के तंत्र के कारण उत्पन्न होने वाले इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता से काफी अधिक है: एनपी>> एन नहीं. इस प्रकार के चालन को कहते हैं छेद चालकता . छिद्र चालकता वाले अशुद्धता अर्धचालक को कहा जाता है पी-प्रकार अर्धचालक . अर्धचालकों में प्रमुख मुक्त आवेश वाहक पी-प्रकार छेद हैं।

इलेक्ट्रॉन-छेद संक्रमण। डायोड और ट्रांजिस्टर

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी में, अर्धचालक उपकरण एक असाधारण भूमिका निभाते हैं। पिछले तीन दशकों में, उन्होंने लगभग पूरी तरह से इलेक्ट्रोवैक्यूम उपकरणों को बदल दिया है।

किसी भी सेमीकंडक्टर डिवाइस में एक या अधिक इलेक्ट्रॉन-होल जंक्शन होते हैं। . इलेक्ट्रॉन-छेद संक्रमण (या एन–पी-संक्रमण) - यह विभिन्न प्रकार की चालकता वाले दो अर्धचालकों के संपर्क का क्षेत्र है।

अर्धचालकों की सीमा पर (चित्र 9.7), एक दोहरी विद्युत परत बनती है, जिसका विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों के प्रसार और एक दूसरे की ओर छिद्रों की प्रक्रिया को रोकता है।

योग्यता एन–पी-लगभग केवल एक दिशा में करंट पास करने के लिए ट्रांज़िशन का उपयोग उपकरणों में किया जाता है अर्धचालक डायोड. सेमीकंडक्टर डायोड सिलिकॉन या जर्मेनियम क्रिस्टल से बने होते हैं। उनके निर्माण के दौरान, एक निश्चित प्रकार की चालकता के साथ एक अशुद्धता क्रिस्टल में पिघल जाती है, जो एक अलग प्रकार की चालकता प्रदान करती है।

चित्र 9.8 एक सिलिकॉन डायोड की एक विशिष्ट वोल्ट-एम्पीयर विशेषता को दर्शाता है।

एक नहीं बल्कि दो एनपी जंक्शन वाले अर्धचालक उपकरण कहलाते हैं ट्रांजिस्टर . ट्रांजिस्टर दो प्रकार के होते हैं: पी–एन–पी-ट्रांजिस्टर और एन–पी–एन-ट्रांजिस्टर। ट्रांजिस्टर में एन–पी–एन-प्रकार मूल जर्मेनियम प्लेट प्रवाहकीय है पी-प्रकार, और उस पर बनाए गए दो क्षेत्र - चालकता द्वारा एन-प्रकार (चित्र 9.9)।

ट्रांजिस्टर में पी-एन-पी- यह एक तरह से विपरीत है। ट्रांजिस्टर की प्लेट कहलाती है आधार(बी), विपरीत प्रकार की चालकता वाले क्षेत्रों में से एक - एकत्र करनेवाला(के), और दूसरा - emitter(इ)।