अर्धचालक का बुनियादी ज्ञान

1.1 अर्धचालक का परिचय

सेमीकंडक्टर डिवाइस इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के मौलिक घटक हैं, और वे अर्धचालक सामग्री से बने होते हैं। सेमीकंडक्टर सामग्री को कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच विद्युत चालकता वाले पदार्थों के रूप में परिभाषित किया जाता है। कंडक्टरों और इंसुलेटरों के बीच चालकता होने के अलावा, अर्धचालक के पास भी निम्नलिखित गुण हैं:

1, तापमान में वृद्धि अर्धचालक की चालकता को काफी बढ़ा सकती है। उदाहरण के लिए, शुद्ध सिलिकॉन (एसआई) की प्रतिरोधकता दोगुनी हो जाती है जब तापमान 30 डिग्री से 20 डिग्री तक बढ़ जाता है।

2, अशुद्धियों की मात्रा (उनकी उपस्थिति और एकाग्रता) का पता लगाने से अर्धचालक की चालकता को काफी बदल सकता है। उदाहरण के लिए, यदि एक अशुद्धता परमाणु (जैसे कि +3 या +5 वैलेंस तत्व) को प्रति मिलियन सिलिकॉन परमाणुओं की कमी की जाती है, तो कमरे के तापमान पर प्रतिरोधकता (27 डिग्री; कमरे का तापमान 27 डिग्री क्यों है? 214,000 ω · सेमी से 0.2 · सेमी।

3, प्रकाश जोखिम अर्धचालक की चालकता में काफी सुधार कर सकता है। उदाहरण के लिए, एक कैडमियम सल्फाइड (सीडीएस) फिल्म एक इंसुलेटिंग सब्सट्रेट पर जमा की गई फिल्म में प्रकाश की अनुपस्थिति में कई मेगहम्स (एम ω) का प्रतिरोध होता है, लेकिन रोशनी के तहत, प्रतिरोध कई दसियों किलोहम (kω) तक गिर जाता है।

4, इसके अलावा, चुंबकीय और विद्युत क्षेत्र भी अर्धचालकों की चालकता को स्पष्ट रूप से बदल सकते हैं।

इसलिए, अर्धचालक कंडक्टरों और इंसुलेटर के बीच चालकता के साथ सामग्री हैं, और उनके आंतरिक गुणों को बाहरी कारकों जैसे प्रकाश, गर्मी, चुंबकत्व, विद्युत क्षेत्रों, और अशुद्धता सांद्रता का पता लगाने के कारण महत्वपूर्ण परिवर्तनों के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं।

इन लाभप्रद गुणों को देखते हुए, अर्धचालक को प्रभावी ढंग से उपयोग किया जा सकता है। विशेष रूप से, डायोड, ट्रांजिस्टर, और फील्ड - प्रभाव ट्रांजिस्टर पर बाद की चर्चा यह प्रदर्शित करेगी कि ट्रेस अशुद्धियों की संपत्ति से अर्धचालक चालकता को महत्वपूर्ण रूप से बदलना कैसे दोहन किया जाता है।

1.2 आंतरिक अर्धचालक

हम सेमीकंडक्टर्स में ट्रेस अशुद्धियों का परिचय कैसे देते हैं? क्या हम सीधे प्राकृतिक क्वार्ट्ज (जिसका मुख्य घटक SI है) में अशुद्धियों को जोड़ सकते हैं? हम सीधे प्राकृतिक सिलिकॉन का उपयोग नहीं कर सकते क्योंकि इसमें विभिन्न अशुद्धियाँ शामिल हैं, जो इसकी चालकता को बेकाबू बनाते हैं। सभी अर्धचालकों के लिए मौलिक सामग्री के रूप में सेवा करने के लिए, प्राथमिक लक्ष्य नियंत्रणीय चालकता प्राप्त करना है।

इसलिए, हमें प्राकृतिक सिलिकॉन को शुद्ध सिलिकॉन क्रिस्टल संरचना में शुद्ध करने की आवश्यकता है। इस शुद्ध अर्धचालक क्रिस्टल संरचना को एक आंतरिक अर्धचालक के रूप में संदर्भित किया जाता है।

आंतरिक अर्धचालक के लक्षण: (आंतरिक अर्धचालक शुद्ध क्रिस्टल संरचनाएं हैं)

1, पवित्रता, जिसका अर्थ है कोई अशुद्धता नहीं।

2, क्रिस्टल संरचना, स्थिरता का प्रतिनिधित्व। परमाणु एक दूसरे के लिए बाध्य हैं, मुक्त आंदोलन को रोकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्राकृतिक सिलिकॉन की तुलना में कम चालकता होती है।

1.2.1 आंतरिक सेमीकंडक्टर्स की क्रिस्टल संरचना

रसायन विज्ञान में, हमने सीखा कि एक क्रिस्टल में दो आसन्न सिलिकॉन (एसआई) परमाणुओं के सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन साझा इलेक्ट्रॉनों बन जाते हैं, जिससे सहसंयोजक बॉन्ड बनते हैं। हालांकि, प्रत्येक सी परमाणु के सभी सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन अपने स्वयं के सहसंयोजक बांडों के भीतर सख्ती से नहीं रहते हैं। इसका कारण यह है कि सामग्री तापमान के साथ एक वातावरण में मौजूद है। ऑर्डर किए गए गति के अलावा, सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन तापमान के प्रभाव के कारण थर्मल गति - यादृच्छिक आंदोलन - से गुजरते हैं। कभी -कभी, एक इलेक्ट्रॉन में अन्य परमाणुओं की तुलना में उच्च ऊर्जा हो सकती है, जिससे यह सहसंयोजक बंधन से मुक्त हो सकता है और एक मुक्त इलेक्ट्रॉन बन सकता है। यहां तक ​​कि ऊर्जा की एक छोटी मात्रा के साथ, एक कंडक्टर के सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन दिशात्मक गति उत्पन्न कर सकते हैं।

आंतरिक अर्धचालक अशुद्धियों से मुक्त हैं। जब एक इलेक्ट्रॉन एक सहसंयोजक बंधन से मुक्त हो जाता है, तो यह एक छेद के रूप में जाना जाने वाला एक रिक्ति को पीछे छोड़ देता है। आंतरिक अर्धचालकों में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या छेद की संख्या के बराबर होती है, और वे जोड़े में उत्पन्न होती हैं। क्रिस्टल संरचना, छेद और मुक्त इलेक्ट्रॉनों को नीचे दिए गए आंकड़े में चित्रित किया गया है:

1.2.1 आंतरिक सेमीकंडक्टर्स की क्रिस्टल संरचना (जारी)

यदि एक बाहरी विद्युत क्षेत्र एक आंतरिक अर्धचालक में लागू होता है:

1, मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रत्यक्ष रूप से आगे बढ़ते हैं, एक बनाते हैंइलेक्ट्रॉन वर्तमान.

2, छेदों की उपस्थिति के कारण, वैलेंस इलेक्ट्रॉन इन छेदों को भरने के लिए एक विशिष्ट दिशा में चलते हैं, जिससे छेद भी दिशात्मक आंदोलन से गुजरते हैं (चूंकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छेद जोड़े में उत्पन्न होते हैं)। छेदों का यह आंदोलन एक बनाता हैहोल करंट। चूंकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छेद विपरीत आरोपों को ले जाते हैं और विपरीत दिशाओं में आगे बढ़ते हैं, एक आंतरिक अर्धचालक में कुल वर्तमान इन दो धाराओं का योग है।

उपरोक्त घटनाएं प्रदर्शित करती हैं कि दोनों छेद और मुक्त इलेक्ट्रॉन विद्युत आवेश ले जाने वाले कणों के रूप में कार्य करते हैं (ऐसे कणों को कहा जाता हैप्रभारी वाहक)। इस प्रकार, दोनों चार्ज वाहक हैं। यह कंडक्टरों से आंतरिक अर्धचालक को अलग करता है: कंडक्टरों में, केवल एक प्रकार का चार्ज वाहक होता है, जबकि आंतरिक अर्धचालक में, दो प्रकार के चार्ज वाहक होते हैं।

1.2.2 आंतरिक अर्धचालक में वाहक एकाग्रता

वह घटना जहां एक अर्धचालक मुफ्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है - थर्मल उत्तेजना के तहत छेद जोड़े को कहा जाता हैआंतरिक उत्तेजना.

मुक्त इलेक्ट्रॉनों की यादृच्छिक गति के दौरान, जब वे छेदों का सामना करते हैं, तो मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छेद एक साथ गायब हो जाते हैं। इस घटना को कहा जाता हैपुनर्संयोजन। मुक्त इलेक्ट्रॉन की संख्या - आंतरिक उत्तेजना द्वारा उत्पन्न छेद जोड़े मुक्त इलेक्ट्रॉन की संख्या के बराबर होते हैं - छेद जोड़े जो पुनर्संयोजन करते हैं, एक गतिशील संतुलन प्राप्त करते हैं। इसका मतलब यह है कि एक निश्चित तापमान पर, मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छेदों की सांद्रता समान हैं।

जब परिवेश का तापमान बढ़ जाता है, तो थर्मल गति तेज हो जाती है, और अधिक मुक्त इलेक्ट्रॉन वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की बाधाओं से मुक्त हो जाते हैं, जिससे छेद में वृद्धि होती है। नतीजतन, वाहक एकाग्रता बढ़ जाती है, चालकता बढ़ाती है। इसके विपरीत, जब तापमान कम हो जाता है, तो वाहक एकाग्रता कम हो जाती है, चालकता को कम करती है। जब तापमान निरपेक्ष शून्य (0 K) तक गिर जाता है, तो वैलेंस इलेक्ट्रॉनों में सहसंयोजक बांडों से मुक्त होने के लिए ऊर्जा की कमी होती है, जिसके परिणामस्वरूप कोई चालकता नहीं होती है।

आंतरिक अर्धचालकों में, चालकता में दो प्रकार के चार्ज वाहक की आवाजाही शामिल है। यद्यपि आंतरिक अर्धचालक की चालकता तापमान पर निर्भर करती है, यह उनके क्रिस्टलीय संरचना के कारण बेहद खराब रहता है। उनकी खराब चालकता के बावजूद, आंतरिक अर्धचालक अपने प्रवाहकीय गुणों में मजबूत नियंत्रणीयता प्रदर्शित करते हैं।

1.3 डोपेड अर्धचालक

यह खंड बताएगा कि आंतरिक अर्धचालक चालकता में इस तरह के मजबूत नियंत्रणीयता का प्रदर्शन क्यों करते हैं। यहां, हम अर्धचालकों की निम्नलिखित संपत्ति का उपयोग करेंगे:अशुद्धियों की मात्रा का पता लगाना उनकी चालकता को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकता है.

"डोपिंग" एक आंतरिक अर्धचालक में उचित अशुद्धता तत्वों को पेश करने की प्रक्रिया को संदर्भित करता है। जोड़े गए अशुद्धता तत्वों के प्रकार के आधार पर, डोपेड अर्धचालक को वर्गीकृत किया जा सकता हैN - सेमीकंडक्टर्स टाइप करेंऔरP - अर्ध -संचालन टाइप करें। अशुद्धता तत्वों की एकाग्रता को नियंत्रित करके, डोपेड अर्धचालक की चालकता को सटीक रूप से विनियमित किया जा सकता है।

1.3.1 n - टाइप सेमीकंडक्टर

"एन" के लिए खड़ा हैनकारात्मक, जैसा कि इलेक्ट्रॉन एक नकारात्मक चार्ज ले जाते हैं और हल्के होते हैं। क्रिस्टल संरचना में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को पेश करने के लिए, पेंटावेलेंट तत्व (जैसे, फास्फोरस, पी) को आमतौर पर अर्धचालक में डोप किया जाता है। चूंकि एक फास्फोरस परमाणु में पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, आसपास के सिलिकॉन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बनाने के बाद, एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन रहता है। यह इलेक्ट्रॉन आसानी से न्यूनतम ऊर्जा इनपुट के साथ एक मुक्त इलेक्ट्रॉन बन सकता है। अशुद्धता परमाणु, जो अब क्रिस्टल जाली में तय की गई है और एक इलेक्ट्रॉन की कमी है, एक इमोबाइल पॉजिटिव आयन बन जाता है। यह नीचे दिए गए आंकड़े में चित्रित किया गया है:

1.3.1 n - टाइप सेमीकंडक्टर (जारी)

एक n - टाइप अर्धचालक में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की एकाग्रता छेद की तुलना में अधिक है। इसलिए, मुक्त इलेक्ट्रॉनों को कहा जाता हैबहुसंख्यक वाहक(गुणक), जबकि छेद कहा जाता हैअल्पसंख्यक वाहक(नाबालिग)। इस प्रकार, एक n - प्रकार की चालकता सेमीकंडक्टर मुख्य रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉनों पर निर्भर करती है। डोप की गई अशुद्धियों की एकाग्रता जितनी अधिक होगी, बहुसंख्यक वाहक की एकाग्रता उतनी ही अधिक होगी, और चालकता जितनी मजबूत होगी।

आइए हम जांच करें कि बहुसंख्यक वाहक एकाग्रता बढ़ने पर अल्पसंख्यक वाहक की एकाग्रता कैसे बदलती है। अल्पसंख्यक वाहक एकाग्रता कम हो जाती है क्योंकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों की बढ़ती संख्या छेद के साथ पुनर्संयोजन की संभावना को बढ़ाती है।

जब तापमान बढ़ जाता है, तो वाहक की संख्या बढ़ जाती है, और बहुसंख्यक वाहक में वृद्धि अल्पसंख्यक वाहक में वृद्धि के बराबर होती है। हालांकि, अल्पसंख्यक वाहक एकाग्रता में प्रतिशत परिवर्तन बहुसंख्यक वाहक की तुलना में अधिक है (अल्पसंख्यकों और बड़ी कंपनियों के विभिन्न आधार सांद्रता के कारण, भले ही संख्यात्मक वृद्धि समान है)। इसलिए, हालांकि अल्पसंख्यक वाहक की एकाग्रता कम है, उन्हें कम करके आंका नहीं जाना चाहिए। अल्पसंख्यक वाहक अर्धचालक उपकरणों के तापमान स्थिरता को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है, और इस प्रकार उनकी एकाग्रता पर भी विचार किया जाना चाहिए।

1.3.2 p - टाइप अर्धचालक

"पी" के लिए खड़ा हैसकारात्मक, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छेदों के नाम पर। क्रिस्टल संरचना में अतिरिक्त छेदों को पेश करने के लिए, ट्राइवलेंट तत्व (जैसे, बोरॉन, बी) को आमतौर पर अर्धचालक में डोप किया जाता है। जब एक बोरान परमाणु आसपास के सिलिकॉन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बनाता है, तो यह एक रिक्ति बनाता है (जो विद्युत रूप से तटस्थ है)। जब एक पड़ोसी सिलिकॉन परमाणु से एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन इस रिक्ति को भरता है, तो सहसंयोजक बंधन एक छेद उत्पन्न करता है। अशुद्धता परमाणु तब एक स्थिर नकारात्मक आयन बन जाता है। यह नीचे दिए गए आंकड़े में चित्रित किया गया है:

1.3.2 p - टाइप अर्धचालक (जारी)

N - की तुलना में सेमीकंडक्टर्स टाइप करें, P - टाइप अर्धविराम में:

छेद बहुसंख्यक वाहक हैं, जबकि मुक्त इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक वाहक हैं।

चालकता मुख्य रूप से छेद पर निर्भर करती है। डोप की गई अशुद्धियों की एकाग्रता जितनी अधिक होगी, छेदों की एकाग्रता जितनी अधिक है, मजबूत चालकता के लिए अग्रणी (अशुद्धता परमाणुओं में रिक्तियां इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करती हैं)। अल्पसंख्यक वाहक एकाग्रता कम हो जाती है।

जब तापमान बढ़ जाता है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन एकाग्रता में प्रतिशत परिवर्तन छेद एकाग्रता की तुलना में अधिक होता है।