સેમિકન્ડક્ટર્સમાં ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ

વાહક અને ડાઇલેક્ટ્રિક્સ વચ્ચે, પ્રતિકારની દ્રષ્ટિએ, સ્થિત છે સેમિકન્ડક્ટર… સિલિકોન, જર્મેનિયમ, ટેલુરિયમ, વગેરે. - સામયિક કોષ્ટકના ઘણા ઘટકો અને તેમના સંયોજનો સેમિકન્ડક્ટરના છે. ઘણા અકાર્બનિક પદાર્થો સેમિકન્ડક્ટર છે. સિલિકોન પ્રકૃતિમાં અન્ય કરતા વિશાળ છે; પૃથ્વીના પોપડામાં તેનો 30% ભાગ છે.

સેમિકન્ડક્ટર અને ધાતુઓ વચ્ચેનો મુખ્ય આઘાતજનક તફાવત પ્રતિકારના નકારાત્મક તાપમાન ગુણાંકમાં રહેલો છે: સેમિકન્ડક્ટરનું તાપમાન જેટલું ઊંચું છે, તેનો વિદ્યુત પ્રતિકાર ઓછો છે. ધાતુઓ માટે, તે વિપરીત છે: તાપમાન જેટલું ઊંચું છે, પ્રતિકાર વધારે છે. જો સેમિકન્ડક્ટરને સંપૂર્ણ શૂન્ય સુધી ઠંડુ કરવામાં આવે તો તે બને છે ડાઇલેક્ટ્રિક.

ઉચ્ચ તાપમાન - નીચું પ્રતિકાર

તાપમાન પર સેમિકન્ડક્ટર વાહકતાની આ નિર્ભરતા દર્શાવે છે કે સાંદ્રતા મફત ટેક્સી ડ્રાઇવરો સેમિકન્ડક્ટર્સમાં સ્થિર નથી અને તાપમાન સાથે વધે છે.સેમિકન્ડક્ટર દ્વારા ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ પસાર કરવાની પદ્ધતિને ધાતુઓની જેમ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનના ગેસના મોડેલમાં ઘટાડી શકાતી નથી. આ પદ્ધતિને સમજવા માટે, આપણે તેને ઉદાહરણ તરીકે જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલ પર જોઈ શકીએ છીએ.

સામાન્ય સ્થિતિમાં, જર્મેનિયમ અણુઓ તેમના બાહ્ય શેલમાં ચાર સંયોજક ઇલેક્ટ્રોન ધરાવે છે - ચાર ઇલેક્ટ્રોન જે ન્યુક્લિયસ સાથે ઢીલી રીતે બંધાયેલા છે. વધુમાં, જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલ જાળીના દરેક અણુ ચાર પડોશી અણુઓથી ઘેરાયેલા છે. અને અહીં બોન્ડ સહસંયોજક છે, જેનો અર્થ છે કે તે વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનની જોડી દ્વારા રચાય છે.

તે તારણ આપે છે કે પ્રત્યેક વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન એક જ સમયે બે અણુઓથી સંબંધિત છે, અને તેના પરમાણુઓ સાથે જર્મેનિયમની અંદરના વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનના બોન્ડ ધાતુઓ કરતાં વધુ મજબૂત છે. તેથી, ઓરડાના તાપમાને, સેમિકન્ડક્ટર ધાતુઓ કરતાં વધુ ખરાબ તીવ્રતાના વર્તમાન ઘણા ઓર્ડરનું સંચાલન કરે છે. અને નિરપેક્ષ શૂન્ય પર, જર્મેનિયમના તમામ વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન બોન્ડમાં કબજે કરવામાં આવશે અને વર્તમાન પ્રદાન કરવા માટે કોઈ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન હશે નહીં.

જેમ જેમ તાપમાન વધે છે તેમ, કેટલાક વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા મેળવે છે જે સહસંયોજક બોન્ડ તોડવા માટે પૂરતું બને છે. આ રીતે મુક્ત વહન ઇલેક્ટ્રોન ઉત્પન્ન થાય છે. ડિસ્કનેક્શન ઝોનમાં એક પ્રકારની ખાલી જગ્યા રચાય છે- ઇલેક્ટ્રોન વિના છિદ્રો.

આ છિદ્ર સરળતાથી પડોશી જોડીના વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા કબજે કરી શકાય છે, પછી છિદ્ર પડોશી અણુ પર સ્થાને જશે. ચોક્કસ તાપમાને, ક્રિસ્ટલમાં ચોક્કસ સંખ્યામાં કહેવાતા ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ બને છે.

તે જ સમયે, ઇલેક્ટ્રોન-હોલ રિકોમ્બિનેશનની પ્રક્રિયા થાય છે - એક છિદ્ર જે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનને મળતું હોય છે તે જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલમાં અણુઓ વચ્ચેના સહસંયોજક બંધનને પુનઃસ્થાપિત કરે છે. આવા જોડીઓ, જેમાં ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર હોય છે, સેમિકન્ડક્ટરમાં માત્ર તાપમાનની ક્રિયાને કારણે જ નહીં, પણ જ્યારે સેમિકન્ડક્ટર પ્રકાશિત થાય છે, એટલે કે તેના પરની ઊર્જાની ઘટનાને કારણે પણ ઊભી થઈ શકે છે. ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન.

જો સેમિકન્ડક્ટર પર કોઈ બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્ર લાગુ પડતું નથી, તો મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો અસ્તવ્યસ્ત થર્મલ ગતિમાં વ્યસ્ત રહે છે. પરંતુ જ્યારે સેમિકન્ડક્ટરને બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ક્રમબદ્ધ રીતે ખસેડવાનું શરૂ કરે છે. તે કેવી રીતે જન્મે છે સેમિકન્ડક્ટર વર્તમાન.

તેમાં ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહ અને છિદ્ર પ્રવાહનો સમાવેશ થાય છે. સેમિકન્ડક્ટરમાં, છિદ્રો અને વહન ઇલેક્ટ્રોનની સાંદ્રતા સમાન હોય છે. અને માત્ર શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટરમાં તે આવું કરે છે ઇલેક્ટ્રોન છિદ્ર વહન પદ્ધતિ… આ સેમિકન્ડક્ટરની આંતરિક વિદ્યુત વાહકતા છે.

અશુદ્ધતા વહન (ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર)

જો સેમિકન્ડક્ટરમાં અશુદ્ધિઓ હોય, તો તેની વિદ્યુત વાહકતા શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટરની તુલનામાં નોંધપાત્ર રીતે બદલાય છે. સિલિકોન ક્રિસ્ટલમાં ફોસ્ફરસના રૂપમાં અશુદ્ધિ ઉમેરવાથી, 0.001 અણુ ટકાની માત્રામાં, વાહકતા 100,000 ગણાથી વધુ વધી જશે! વાહકતા પર અશુદ્ધિઓની આવી નોંધપાત્ર અસર સમજી શકાય તેવું છે.

અશુદ્ધ વાહકતાના વિકાસ માટેની મુખ્ય સ્થિતિ એ અશુદ્ધતાના સંયોજકતા અને પિતૃ તત્વની સંયોજકતા વચ્ચેનો તફાવત છે. આવા અશુદ્ધ વહન કહેવાય છે અશુદ્ધતા વહન અને ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર હોઈ શકે છે.

જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલ ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા ધરાવવાનું શરૂ કરે છે જો પેન્ટાવેલેન્ટ અણુઓ, જેમ કે, આર્સેનિક, તેમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, જ્યારે જર્મેનિયમના અણુઓની સંયોજકતા ચાર હોય છે. જ્યારે પેન્ટાવેલેન્ટ આર્સેનિક અણુ જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલ જાળીની જગ્યાએ હોય છે, ત્યારે આર્સેનિક અણુના ચાર બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોન ચાર પડોશી જર્મેનિયમ અણુઓ સાથે સહસંયોજક બંધનમાં સામેલ હોય છે. આર્સેનિક અણુનો પાંચમો ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત બને છે, તે તેના પરમાણુને સરળતાથી છોડી દે છે.

અને ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા છોડાયેલો અણુ સેમિકન્ડક્ટરની સ્ફટિક જાળીની જગ્યાએ હકારાત્મક આયનમાં ફેરવાય છે. આ કહેવાતી દાતાની અશુદ્ધિ છે જ્યારે અશુદ્ધિની સંયોજકતા મુખ્ય અણુઓની સંયોજકતા કરતા વધારે હોય છે. ઘણા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અહીં દેખાય છે, તેથી જ, અશુદ્ધતાની રજૂઆત સાથે, સેમિકન્ડક્ટરનો વિદ્યુત પ્રતિકાર હજારો અને લાખો વખત ઘટી જાય છે. મોટી માત્રામાં ઉમેરવામાં આવેલી અશુદ્ધિઓ સાથેનો સેમિકન્ડક્ટર વાહકતામાં ધાતુઓનો સંપર્ક કરે છે.

આર્સેનિક-ડોપેડ જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલમાં આંતરિક વાહકતા માટે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો જવાબદાર હોવા છતાં, આર્સેનિક પરમાણુ છોડનારા ઇલેક્ટ્રોન મુખ્ય મફત ચાર્જ કેરિયર છે. આવી સ્થિતિમાં, મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની સાંદ્રતા છિદ્રોની સાંદ્રતા કરતાં ઘણી વધી જાય છે, અને આ પ્રકારની વાહકતાને સેમિકન્ડક્ટરની ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા કહેવામાં આવે છે, અને સેમિકન્ડક્ટરને જ એન-ટાઇપ સેમિકન્ડક્ટર કહેવામાં આવે છે.

જો, પેન્ટાવેલેન્ટ આર્સેનિકને બદલે, જર્મેનિયમ ક્રિસ્ટલમાં ત્રિસંયોજક ઇન્ડિયમ ઉમેરવામાં આવે, તો તે માત્ર ત્રણ જર્મેનિયમ અણુઓ સાથે સહસંયોજક બોન્ડ બનાવશે. ચોથો જર્મેનિયમ અણુ ઈન્ડિયમ પરમાણુ સાથે અનબોન્ડેડ રહેશે. પરંતુ સહસંયોજક ઇલેક્ટ્રોન પડોશી જર્મેનિયમ અણુઓ દ્વારા કબજે કરી શકાય છે.ઇન્ડિયમ પછી નકારાત્મક આયન હશે, અને પડોશી જર્મેનિયમ અણુ એવી ખાલી જગ્યા પર કબજો કરશે જ્યાં સહસંયોજક બોન્ડ અસ્તિત્વમાં છે.

આવી અશુદ્ધિ, જ્યારે અશુદ્ધતાનો અણુ ઇલેક્ટ્રોનને પકડે છે, તેને સ્વીકારનાર અશુદ્ધિ કહેવાય છે. જ્યારે સ્વીકારનાર અશુદ્ધિ રજૂ કરવામાં આવે છે, ત્યારે સ્ફટિકમાં ઘણા સહસંયોજક બોન્ડ તૂટી જાય છે અને ઘણા છિદ્રો રચાય છે જેમાં ઇલેક્ટ્રોન સહસંયોજક બોન્ડમાંથી કૂદી શકે છે. વિદ્યુત પ્રવાહની ગેરહાજરીમાં, છિદ્રો ક્રિસ્ટલ પર રેન્ડમ રીતે ખસે છે.

વિપુલ પ્રમાણમાં છિદ્રોના નિર્માણને કારણે સ્વીકારનાર સેમિકન્ડક્ટરની વાહકતામાં તીવ્ર વધારો તરફ દોરી જાય છે, અને આ છિદ્રોની સાંદ્રતા સેમિકન્ડક્ટરની આંતરિક વિદ્યુત વાહકતાના ઇલેક્ટ્રોનની સાંદ્રતા કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધી જાય છે. આ છિદ્ર વહન છે અને સેમિકન્ડક્ટરને પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર કહેવામાં આવે છે. તેમાં મુખ્ય ચાર્જ કેરિયર્સ છિદ્રો છે.