સેમિકન્ડક્ટર વાહકતા

વિદ્યુત પ્રવાહનું સંચાલન અથવા સંચાલન કરવા માટે સક્ષમ પદાર્થો માત્ર વાહક અને ડાઇલેક્ટ્રિક્સના કડક વિભાજન સુધી મર્યાદિત નથી. સેમિકન્ડક્ટર પણ છે, જેમ કે સિલિકોન, સેલેનિયમ, જર્મેનિયમ અને અન્ય ખનિજો અને એલોય અલગ જૂથ તરીકે અલગ થવા યોગ્ય છે.

આ પદાર્થો ડાઇલેક્ટ્રિક્સ કરતાં વધુ સારી રીતે વિદ્યુત પ્રવાહનું સંચાલન કરે છે, પરંતુ ધાતુઓ કરતાં ખરાબ છે, અને વધતા તાપમાન અથવા પ્રકાશ સાથે તેમની વાહકતા વધે છે. સેમિકન્ડક્ટર્સની આ લાક્ષણિકતા તેમને પ્રકાશ અને તાપમાન સેન્સરમાં લાગુ પડે છે, પરંતુ તેમની મુખ્ય એપ્લિકેશન હજુ પણ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ છે.

જો તમે જુઓ, ઉદાહરણ તરીકે, સિલિકોન ક્રિસ્ટલ પર, તો તમે શોધી શકો છો કે સિલિકોનની વેલેન્સી 4 છે, એટલે કે, તેના અણુના બાહ્ય શેલ પર 4 ઇલેક્ટ્રોન છે જે સ્ફટિકમાં ચાર પડોશી સિલિકોન અણુઓ સાથે બંધાયેલા છે. જો આવા સ્ફટિકને ગરમી અથવા પ્રકાશથી અસર થાય છે, તો વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જામાં વધારો મેળવશે અને તેમના અણુઓને છોડી દેશે, મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન બનશે - ઇલેક્ટ્રોન ગેસ સેમિકન્ડક્ટરના ખુલ્લા જથ્થામાં દેખાશે - જેમ કે ધાતુઓમાં, એટલે કે, તે એક હોલ્ડિંગ સ્થિતિ ઉત્પન્ન થશે.

પરંતુ ધાતુઓથી વિપરીત, સેમિકન્ડક્ટર ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોની તેમની વાહકતામાં અલગ પડે છે. આ કેમ થઈ રહ્યું છે અને તે શું છે? જ્યારે વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન તેમની સાઇટ્સ છોડી દે છે, ત્યારે તે અગાઉની સાઇટ્સમાં નકારાત્મક ચાર્જની અછત ધરાવતા વિસ્તારો-"છિદ્રો"-ની રચના થાય છે, જે હવે વધુ હકારાત્મક ચાર્જ ધરાવે છે.

પડોશી ઇલેક્ટ્રોન પરિણામી "છિદ્ર" માં સરળતાથી કૂદી જશે, અને જલદી આ છિદ્ર તેમાં કૂદેલા ઇલેક્ટ્રોનથી ભરાઈ જાય છે, કૂદેલા ઇલેક્ટ્રોનની જગ્યાએ ફરીથી એક છિદ્ર રચાય છે.

એટલે કે, તે તારણ આપે છે કે છિદ્ર એ સેમિકન્ડક્ટરનો હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલો ફરતો પ્રદેશ છે. અને જ્યારે સેમિકન્ડક્ટર EMF સ્ત્રોત સાથે સર્કિટ સાથે જોડાયેલ હોય છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન સ્ત્રોતના હકારાત્મક ટર્મિનલ તરફ અને છિદ્રો નકારાત્મક ટર્મિનલ તરફ જશે. આ રીતે સેમિકન્ડક્ટરની આંતરિક વાહકતા થાય છે.

એપ્લાઇડ ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ વિના સેમિકન્ડક્ટરમાં છિદ્રો અને વહન ઇલેક્ટ્રોનની હિલચાલ અસ્તવ્યસ્ત હશે. જો સ્ફટિક પર બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે, તો તેની અંદરના ઇલેક્ટ્રોન ક્ષેત્રની વિરુદ્ધ જશે, અને છિદ્રો ક્ષેત્ર સાથે આગળ વધશે, એટલે કે, આંતરિક વહનની ઘટના સેમિકન્ડક્ટરમાં થશે, જે માત્ર એટલું જ નહીં. ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા, પણ છિદ્રો દ્વારા થાય છે.

સેમિકન્ડક્ટરમાં, વહન હંમેશા કેટલાક બાહ્ય પરિબળોના પ્રભાવ હેઠળ થાય છે: ફોટોન સાથેના ઇરેડિયેશનને કારણે, તાપમાનની અસરથી, જ્યારે ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ લાગુ કરવામાં આવે છે, વગેરે.

સેમિકન્ડક્ટરમાં ફર્મી સ્તર બેન્ડ ગેપની મધ્યમાં આવે છે. ઉપલા વેલેન્સ બેન્ડથી નીચલા વહન બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોનના સંક્રમણ માટે બેન્ડગેપ ડેલ્ટા (આકૃતિ જુઓ) જેટલી સક્રિયકરણ ઊર્જાની જરૂર છે. અને જલદી વહન બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોન દેખાય છે, વેલેન્સ બેન્ડમાં એક છિદ્ર બનાવવામાં આવે છે. આમ, વર્તમાન વાહકોની જોડીની રચના દરમિયાન ખર્ચવામાં આવેલી ઊર્જા સમાન રીતે વહેંચવામાં આવે છે.

અડધી ઉર્જા (બેન્ડની પહોળાઈના અડધા ભાગને અનુરૂપ) ઈલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર પર અને અડધી છિદ્ર બનાવવા પર ખર્ચવામાં આવે છે; પરિણામે, મૂળ સ્ટ્રીપની પહોળાઈની મધ્યને અનુરૂપ છે. સેમિકન્ડક્ટરમાં ફર્મી ઊર્જા એ ઊર્જા છે કે જેના પર ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ઉત્તેજિત થાય છે. બેન્ડ ગેપની મધ્યમાં સેમિકન્ડક્ટર માટે ફર્મી સ્તર સ્થિત છે તે સ્થિતિને ગાણિતિક ગણતરીઓ દ્વારા પુષ્ટિ મળી શકે છે, પરંતુ અમે અહીં ગાણિતિક ગણતરીઓને છોડી દઈએ છીએ.

બાહ્ય પરિબળોના પ્રભાવ હેઠળ, ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે તાપમાન વધે છે, ત્યારે સેમિકન્ડક્ટરના ક્રિસ્ટલ જાળીના થર્મલ સ્પંદનો કેટલાક વેલેન્સ બોન્ડના વિનાશ તરફ દોરી જાય છે, જેના પરિણામે કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન, અલગ, મુક્ત ચાર્જ કેરિયર્સ બની જાય છે. .

સેમિકન્ડક્ટર્સમાં, છિદ્રો અને ઇલેક્ટ્રોનની રચના સાથે, પુનઃસંયોજન પ્રક્રિયા થાય છે: ઇલેક્ટ્રોન વહન બેન્ડમાંથી વેલેન્સ બેન્ડમાં જાય છે, તેમની ઊર્જા સ્ફટિક જાળીને આપે છે અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનના ઉત્સર્જન ક્વોન્ટા કરે છે.આમ, દરેક તાપમાન છિદ્રો અને ઇલેક્ટ્રોનની સંતુલન સાંદ્રતાને અનુરૂપ છે, જે નીચેના અભિવ્યક્તિ અનુસાર તાપમાન પર આધારિત છે:

સેમિકન્ડક્ટર્સની અશુદ્ધતા વાહકતા પણ હોય છે, જ્યારે શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટરના ક્રિસ્ટલમાં થોડો અલગ પદાર્થ દાખલ કરવામાં આવે છે જે મૂળ પદાર્થ કરતાં ઊંચી અથવા ઓછી વેલેન્સી ધરાવે છે.

જો શુદ્ધમાં, કહો, સમાન સિલિકોન, છિદ્રો અને મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા સમાન હોય છે, એટલે કે, તેઓ હંમેશા જોડીમાં રચાય છે, તો પછી સિલિકોનમાં ઉમેરવામાં આવેલી અશુદ્ધતાના કિસ્સામાં, ઉદાહરણ તરીકે, આર્સેનિક, 5 ની સંયોજકતા, છિદ્રોની સંખ્યા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા કરતા ઓછી હશે, એટલે કે, એક સેમિકન્ડક્ટર મોટી સંખ્યામાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન સાથે રચાય છે, નકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરવામાં આવે છે, તે n-પ્રકાર (નકારાત્મક) સેમિકન્ડક્ટર હશે. અને જો તમે ઇન્ડિયમને મિશ્રિત કરો છો, જેની વેલેન્સી 3 છે, જે સિલિકોન કરતા ઓછી છે, તો ત્યાં વધુ છિદ્રો હશે - તે પી-ટાઇપ (પોઝિટિવ) સેમિકન્ડક્ટર હશે.

હવે, જો આપણે વિવિધ વાહકતાવાળા સેમિકન્ડક્ટર્સને સંપર્કમાં લાવીએ, તો પછી સંપર્કના બિંદુ પર આપણને p-n જંકશન મળે છે. n-પ્રદેશમાંથી આગળ વધતા ઈલેક્ટ્રોન્સ અને p-પ્રદેશમાંથી આગળ વધતા છિદ્રો એકબીજા તરફ આગળ વધવાનું શરૂ કરશે, અને સંપર્કની વિરુદ્ધ બાજુઓ પર વિરોધી શુલ્ક ધરાવતા પ્રદેશો હશે (pn-જંકશનની વિરુદ્ધ બાજુઓ પર): એક સકારાત્મક ચાર્જ n-પ્રદેશમાં અને નકારાત્મક ચાર્જ p-પ્રદેશમાં એકઠા થશે. સંક્રમણના સંદર્ભમાં ક્રિસ્ટલના વિવિધ ભાગો વિરુદ્ધ ચાર્જ કરવામાં આવશે. આ પદ દરેક વ્યક્તિના કામ માટે ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો.

આવા ઉપકરણનું સૌથી સરળ ઉદાહરણ સેમિકન્ડક્ટર ડાયોડ છે, જ્યાં ફક્ત એક જ પીએન જંકશનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે કાર્યને હાંસલ કરવા માટે પૂરતું છે - માત્ર એક જ દિશામાં વર્તમાન ચલાવવા માટે.

n-પ્રદેશમાંથી ઇલેક્ટ્રોન પાવર સ્ત્રોતના હકારાત્મક ધ્રુવ તરફ જાય છે અને p-પ્રદેશમાંથી છિદ્રો નકારાત્મક ધ્રુવ તરફ જાય છે. જંકશનની નજીક પર્યાપ્ત હકારાત્મક અને નકારાત્મક શુલ્ક એકઠા થશે, જંકશનનો પ્રતિકાર નોંધપાત્ર રીતે ઘટશે અને સર્કિટમાંથી પ્રવાહ વહેશે.

ડાયોડના રિવર્સ કનેક્શનમાં, પ્રવાહ હજારો ગણો ઓછો બહાર આવશે, કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો જંકશનથી જુદી જુદી દિશામાં ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર દ્વારા ફૂંકાશે. આ સિદ્ધાંત કામ કરે છે ડાયોડ રેક્ટિફાયર.