कंडक्टर और अर्धचालक

 

कंडक्टर और अर्धचालक

डायोड, ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट के संचालन को देखने से पहले, हम सेमीकंडक्टर सामग्री का अध्ययन करेंगे। ये, जो न तो कंडक्टर हैं और न ही इंसुलेटर, में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, लेकिन विशेष रूप से जो छेद होते हैं, वे किस प्रकार की विशेषता रखते हैं।

इस विषय में, हम अर्धचालक के सबसे महत्वपूर्ण अवधारणाओं और गुणों को देखेंगे।

इस विषय के उद्देश्य हैं:

• परमाणु स्तर पर अर्धचालकों और कंडक्टरों की विशेषताओं को जानें।
• एक सिलिकॉन क्रिस्टल की संरचना का वर्णन करने में सक्षम होने के नाते।
• जानिए दो प्रकार के वाहक और उनकी अशुद्धियाँ क्या हैं और वे कैसे व्यवहार करते हैं।
• अप्रभावित, आगे ध्रुवीकृत और रिवर्स ध्रुवीकृत pn जंक्शन में होने वाली स्थितियों की व्याख्या करने में सक्षम होने के नाते।
• रिवर्स में एक उच्च वोल्टेज डायोड पर आवेदन के कारण दो प्रकार के ब्रेकडाउन धाराओं को जानें।

ड्राइवरों

एक कंडक्टर एक ऐसी सामग्री है जो अधिक या कम सीमा तक, गर्मी और बिजली का संचालन करती है। धातु अच्छे संवाहक और खराब, कांच, लकड़ी, ऊन और हवा हैं।

नोट: हम प्रभारी +1 को +1.6 · 10 ^-19 कूपलम्ब के रूप में परिभाषित करते हैं । इस प्रकार एक इलेक्ट्रॉन में एक चार्ज -1 होता है जो -1.6 · 10 ^-19 कूपोम के बराबर होता है ।

सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला कंडक्टर और जिसका हम अब विश्लेषण करेंगे वह कॉपर (वैलेंस 1) है, जो एक अच्छा कंडक्टर है। इसकी परमाणु संरचना निम्न आकृति में देखी गई है।

इसकी परमाणु संख्या 29 है। इसका मतलब है कि नाभिक में 29 प्रोटॉन (धनात्मक आवेश) होते हैं और इसके चारों ओर घूमते हुए 29 इलेक्ट्रॉन्स होते हैं जो विभिन्न कक्षाओं में घूमते हैं।

प्रत्येक कक्षा में 2n ^{2 के} लिए कमरा है ^, जहाँ n एक पूर्णांक n = 1, 2, 3, है ... इस प्रकार पहली कक्षा (n = 1) में 212 = 2 इलेक्ट्रॉनों के लिए जगह है। दूसरी कक्षा में 2 · 2 ² = 8 इलेक्ट्रॉन। तीसरी कक्षा में 2 · 3 ² = 18 इलेक्ट्रॉन। और चौथी कक्षा में केवल 1 इलेक्ट्रॉन होता है, हालांकि इसमें 2 · 4 ² = 32 इलेक्ट्रॉन होते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक्स में रुचि क्या है बाहरी कक्षा, जो परमाणु के गुणों को निर्धारित करती है। चूंकि + 29 और - 28 हैं, यह + 1 के साथ रहता है।

इसलिए हम नाभिक और आंतरिक कक्षाओं का समूह बनाने जा रहे हैं, और हम इसे आंतरिक भाग कहेंगे। तांबे के परमाणु में, आंतरिक भाग नाभिक (+ 29) और पहले तीन कक्ष (- 28) है, जो हमें +1 के शुद्ध आवेश के साथ आंतरिक भाग के साथ छोड़ देता है।

चूंकि वैलेंस इलेक्ट्रॉन आंतरिक भाग से बहुत कमजोर है, इसलिए एक बाहरी बल इसे आसानी से छोड़ सकता है, इसलिए यह एक अच्छा कंडक्टर है। हम उस इलेक्ट्रॉन को मुक्त इलेक्ट्रॉन के रूप में संदर्भित करेंगे ।

क्या परिभाषित करता है एक अच्छा कंडक्टर वैलेंस ऑर्बिट (वैलेंस 1) में एक एकल इलेक्ट्रॉन रखता है।

इस प्रकार, हमें निम्न करना होगा:

• 0 AtK (-273ºC) पर एक धातु का संचालन नहीं होता है।
• कमरे के तापमान पर 300 K थर्मल ऊर्जा के कारण पहले से ही मुक्त इलेक्ट्रॉनों हैं।

- यदि हमारे पास एक बिजली का क्षेत्र है तो सभी दिशाओं में मुक्त इलेक्ट्रॉन चलते हैं। चूंकि आंदोलन यादृच्छिक है, इसलिए कई इलेक्ट्रॉनों के लिए प्रति इकाई क्षेत्र को एक दिशा में और एक ही समय में विपरीत दिशा में पारित करना संभव है। इसलिए औसत वर्तमान शून्य है।

- आइए अब देखें कि धातु में एक विद्युत क्षेत्र लागू होने पर स्थिति कैसे बदलती है।

मुक्त इलेक्ट्रॉन अब एक विशिष्ट दिशा में आगे बढ़ रहे हैं। और इसलिए पहले से ही एक चार्ज (कूपोम में) है जो धातु के खंड को एक सेकंड में पार करता है, अर्थात, पहले से ही एक वर्तमान है।

जैसा कि हम पहले से ही जानते हैं, इलेक्ट्रॉन में ऋणात्मक आवेश (-1.619-19 कूपोमब्स) होता है और इसलिए करंट को परिभाषित करने के लिए लिया गया समझौता (ऋणात्मक आवेशों की गति के विपरीत) इंगित करता है कि करंट आकृति में इंगित दिशा लेता है।

इलेक्ट्रॉन एक मध्यम गति के साथ धातु के क्रिस्टल जाली के भीतर चलता है।

मेटल बार के विरोध का विरोध करने वाले प्रतिरोध की गणना निम्न तरीके से की जा सकती है:

अर्धचालकों

वे तत्व हैं, जैसे जर्मेनियम और सिलिकॉन, जो कम तापमान पर इन्सुलेट कर रहे हैं। लेकिन जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है या कुछ अशुद्धियों के जुड़ने से इसका चालन संभव हो जाता है। इलेक्ट्रॉनिक्स में इसका महत्व ट्रांजिस्टर, एकीकृत सर्किट, आदि के निर्माण में काफी है ...

अर्धचालकों की वैलेंस 4 होती है, अर्थात बाहरी कक्षा या वैलेंस में 4 इलेक्ट्रॉन होते हैं। कंडक्टरों में 1 वैलेंस इलेक्ट्रॉन, अर्धचालक 4 और इंसुलेटर 8 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं।

2 अर्धचालक जो हम देखेंगे वह सिलिकॉन और जर्मेनियम होगा:

जैसा कि हम देख सकते हैं, अर्धचालकों को + 4 चार्ज और 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के साथ आंतरिक भाग होने की विशेषता है।

आंतरिक अर्धचालक

यह एक शुद्ध अर्धचालक है। कमरे के तापमान पर यह एक इन्सुलेटर की तरह व्यवहार करता है क्योंकि इसमें केवल कुछ मुक्त इलेक्ट्रॉनों और थर्मल ऊर्जा के कारण छेद होते हैं।

एक आंतरिक अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के प्रवाह भी होते हैं, हालांकि परिणामस्वरूप कुल वर्तमान शून्य है। यह इस तथ्य के कारण है कि थर्मल ऊर्जा की क्रिया से जोड़े में मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का उत्पादन होता है, इसलिए वहां जितने मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं उतने ही छेद होते हैं, इसलिए कुल वर्तमान शून्य है।

आकृति में लगाया गया वोल्टेज मुक्त इलेक्ट्रॉनों को दाएं (बैटरी के नकारात्मक टर्मिनल से सकारात्मक तक) और बाईं ओर के छिद्रों में प्रवाह करने के लिए मजबूर करेगा।

एक अर्धचालक डोपिंग

एससी (सेमीकंडक्टर) की चालकता (इसे अधिक प्रवाहकीय बनाएं) को बढ़ाने के लिए, यह आमतौर पर डोप किया जाता है या एक आंतरिक एससी में अशुद्धता परमाणुओं को जोड़ता है, एक डोपेड एससी एक बाहरी एससी है।

मामला एक

वैलेंस 5 अशुद्धियां (आर्सेनिक, एंटीमनी, फास्फोरस)। हमारे पास एक सिलिकॉन क्रिस्टल है जिसे 5 परमाणुओं के साथ डोप किया गया है।

वैलेंस 5 के परमाणुओं में एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होता है, इसलिए बहुत अधिक तापमान (उदाहरण के लिए कमरे के तापमान पर) के साथ, 5 वां इलेक्ट्रॉन एक मुक्त इलेक्ट्रॉन बन जाता है। यही है, चूंकि आपके पास वैलेंस ऑर्बिट में केवल 8 इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, पेंटावेलेंट परमाणु एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करता है जो मुक्त होगा।

उपरोक्त प्रतिक्रियाएँ होती रहती हैं। यदि हम 1000 परमाणुओं को अशुद्धियों में डालते हैं तो हमारे पास 1000 इलेक्ट्रॉन्स होंगे, जिन्हें थर्मल पीढ़ी (बहुत कम) द्वारा मुक्त किया जाता है।

इन अशुद्धियों को "दाता अशुद्धता" कहा जाता है। मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या को n (मुक्त इलेक्ट्रॉनों / मी ³ ) कहा जाता है ।

केस 2

वैलेंस 3 अशुद्धियां (एल्यूमीनियम, बोरोन, गैलियम)। हमारे पास एक सिलिकॉन क्रिस्टल है जिसे 3 वैलेंस परमाणुओं के साथ डोप किया गया है।

वैलेंस 3 के परमाणुओं में एक इलेक्ट्रॉन कम होता है, इसलिए चूंकि हमारे पास इलेक्ट्रॉन की कमी होती है इसलिए हमारे पास एक छेद होता है। यही है, कि संयम परमाणु की वैलेंस ऑर्बिट में 7 इलेक्ट्रॉन हैं। वैलेंस 3 के परमाणु को "ट्रिटेंट एटम" या "एसेक्टर" कहा जाता है।

इन अशुद्धियों को "स्वीकर्ता अशुद्धता" कहा जाता है। वैलेंस 3 की अशुद्धियों के रूप में कई voids हैं और अभी भी थर्मल पीढ़ी के voids (बहुत कम) हैं। छिद्रों की संख्या को पी (छेद / मी ³ ) कहा जाता है ।

बाहरी अर्धचालक

वे अर्धचालक होते हैं जिन्हें डोप किया जाता है, अर्थात उनमें अशुद्धियाँ होती हैं। किस प्रकार की अशुद्धियाँ हैं, इसके आधार पर 2 प्रकार हैं:

एन-प्रकार अर्धचालक

यह वह है जो "डोनर" अशुद्धियों से दूषित होता है, जो कि पैंटावैलेंट अशुद्धियां हैं। क्योंकि इलेक्ट्रॉन एक एन-प्रकार अर्धचालक में छेदों से आगे निकलते हैं, उन्हें "बहुसंख्य वाहक" कहा जाता है, जबकि छेद को "अल्पसंख्यक वाहक" कहा जाता है।

आकृति में अर्धचालक में एक वोल्टेज लगाने से, अर्धचालक के भीतर मुक्त इलेक्ट्रॉनों को बाईं ओर और छेद दाईं ओर जाते हैं। जब एक छेद क्रिस्टल के दाहिने छोर तक पहुंचता है, तो बाहरी सर्किट से इलेक्ट्रॉनों में से एक सेमीकंडक्टर में प्रवेश करता है और छेद के साथ पुनर्संयोजन करता है।

आकृति में मुक्त इलेक्ट्रॉनों क्रिस्टल के चरम बाईं ओर प्रवाहित होते हैं, जहां वे कंडक्टर में प्रवेश करते हैं और बैटरी के सकारात्मक पक्ष में प्रवाह करते हैं।

पी-प्रकार अर्धचालक

यह वह है जो "स्वीकर्ता" अशुद्धियों से दूषित है, जो कि दोषपूर्ण अशुद्धियाँ हैं। जैसे कि छिद्रों की संख्या मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या से अधिक होती है, छिद्र बहुसंख्य वाहक होते हैं और मुक्त इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक होते हैं।

जब एक वोल्टेज लगाया जाता है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन बाईं ओर जाते हैं और छेद दाईं ओर चले जाते हैं। आकृति में, क्रिस्टल के सुदूर दाईं ओर पहुंचने वाले छिद्रों को बाहरी सर्किट में मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ पुनर्संयोजित किया जाता है।

सर्किट में अल्पसंख्यक वाहकों का प्रवाह भी होता है। अर्धचालक के अंदर मुक्त इलेक्ट्रॉन दाएं से बाएं घूमते हैं। चूंकि बहुत कम अल्पसंख्यक वाहक हैं, इसलिए इसका प्रभाव इस सर्किट में लगभग नगण्य है।