14.1 परिचय

जिन उपकरणों में इलेक्ट्रॉन के नियंत्रित प्रवाह को प्राप्त किया जा सकता है, वे सभी इलेक्ट्रॉनिक परिपथों के मूल बनावटी तत्व हैं। 1948 में ट्रांजिस्टर की खोज से पहले, ऐसे उपकरण अधिकांशतः वैक्यूम ट्यूब (जिन्हें वैल्व भी कहा जाता है) थे, जैसे वैक्यूम डायोड जिसमें दो इलेक्ट्रॉड होते हैं, अर्थात एनोड (अक्सर प्लेट के रूप में जाना जाता है) और कैथोड; ट्राइऑड जिसमें तीन इलेक्ट्रॉड होते हैं - कैथोड, प्लेट और ग्रिड; टेट्रोड और पेंटोड (क्रमशः 4 और 5 इलेक्ट्रॉड वाले)। एक वैक्यूम ट्यूब में, इलेक्ट्रॉन गरम कैथोड द्वारा प्रदान किए जाते हैं और इन इलेक्ट्रॉन के नियंत्रित प्रवाह को वैक्यूम में प्राप्त किया जाता है जिसके विभिन्न इलेक्ट्रॉड के बीच वोल्टेज को बदलकर। वैक्यूम इलेक्ट्रॉड के बीच अंतराल में आवश्यक है; अन्यथा गतिशील इलेक्ट्रॉन अपने पथ में हवा के अणुओं के संघटन से अपनी ऊर्जा खो सकते हैं। इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉन केवल कैथोड से एनोड तक (अर्थात केवल एक दिशा में) प्रवाहित हो सकते हैं। इसलिए, ऐसे उपकरण आमतौर पर वैल्व के रूप में संदर्भित किए जाते हैं। ये वैक्यूम ट्यूब उपकरण बड़े आकार के होते हैं, उच्च शक्ति का उपयोग करते हैं, आमतौर पर उच्च वोल्टेज ( $100 \mathrm{~V}$) पर कार्य करते हैं और उनकी आयु सीमित होती है और निम्न विश्वसनीयता रखते हैं। आधुनिक ठोस अवस्था चालक इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास की बीज 1930 के दशक में लगाया गया जब यह समझ लिया गया कि कुछ ठोस अवस्था चालक और उनके संयोजन इलेक्ट्रॉन के संख्या और दिशा को नियंत्रित करने की संभावना प्रदान कर सकते हैं। आसान उत्प्रेरक जैसे प्रकाश, गर्मी या छोटे आवेग वोल्टेज एक चालक में गतिशील आवेश के संख्या को बदल सकते हैं। ध्यान दें कि आपूर्ति

और चार्ज कैरियरों के प्रवाह अर उपकरणों में ठोस अपने आप में होते हैं, जबकि पहले वैक्यूम ट्यूब/वैल्व में गरम किए गए कैथोड से गतिशील इलेक्ट्रॉन प्राप्त किए जाते थे और उन्हें एक वैक्यूम या रिक्त स्थान में प्रवाहित किया जाता था। ठोस अपकरणों के लिए कोई बाहरी गरम करने की आवश्यकता नहीं होती है और बड़े वैक्यूम स्थान की भी आवश्यकता नहीं होती है। वे छोटे आकार के होते हैं, कम शक्ति खपत करते हैं, कम वोल्टेज पर काम करते हैं और लंबी आयु और उच्च विश्वसनीयता रखते हैं। टेलीविज़न और कंप्यूटर मॉनिटर में प्रयोग किए जाने वाले कैथोड रे ट्यूब (CRT) जो वैक्यूम ट्यूब के सिद्धांत पर काम करते हैं, वे ठोस अपकरण वाले लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (LCD) मॉनिटर द्वारा प्रतिस्थापित किए जा रहे हैं। ठोस अपकरणों के पूर्ण अर्थ के बारे में आधिकारिक रूप से जाने से कई दशक पहले, एक प्राकृतिक रूप से उत्पन्न गैलेना (लेड सल्फाइड, PbS) के क्रिस्टल के साथ एक धातु बिंदु संपर्क जुड़ा हुआ था जो रेडियो तरंगों के डिटेक्टर के रूप में प्रयोग किया जाता था।

निम्नलिखित अनुच्छेदों में, हम सेमीकंडक्टर भौतिकी के मूल सिद्धांतों का परिचय देंगे और जून्सन डायोड (एक 2-इलेक्ट्रोड उपकरण) और बिपोलर जून्सन ट्रांजिस्टर (एक 3-इलेक्ट्रोड उपकरण) जैसे कुछ सेमीकंडक्टर उपकरणों के बारे में चर्चा करेंगे। इनके अनुप्रयोग के कुछ परिपथ भी वर्णित किए जाएंगे।

14.2 धातुओं, चालकों और सेमीकंडक्टरों के वर्गीकरण

चालकता के आधार पर

चालकता (σ) या प्रतिरोधकता (ρ = 1 / σ) के संबंध में ठोस पदार्थों को बड़े आकार में निम्नलिखित वर्गों में वर्गीकृत किया जाता है:

(i) धातुएँ: इनका बहुत कम प्रतिरोधकता (या उच्च चालकता) होती है।

$ \rho \sim 10^{-2}-10^{-8} \Omega \mathrm{m} $

$\sigma \sim 10^{2}-10^{8} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1}$

(ii) अर्धचालक: इनकी प्रतिरोधकता या चालकता धातुओं और चालकों के बीच होती है।

$ \begin{aligned} & \rho \sim 10^{-5}-10^{6} \Omega \mathrm{m} \\ & \sigma \sim 10^{5}-10^{-6} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1} \end{aligned} $

(iii) चालक: इनकी बहुत अधिक प्रतिरोधकता (या निम्न चालकता) होती है।

$ \begin{aligned}

$$ \begin{aligned} & \rho \sim 10^{11}-10^{19} \Omega \mathrm{m} \\ & \sigma \sim 10^{-11}-10^{-19} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1} \end{aligned} $$

ऊपर दिए गए $\rho$ और $\sigma$ के मान आमतौर पर आकार को दर्शाते हैं और वे इन श्रेणियों के बाहर भी हो सकते हैं। विरोधाभासीता के सापेक्ष मान धातुओं, विद्युत अपचालकों और अर्धचालकों के बीच अंतर के एकमात्र मानक नहीं हैं। कुछ अन्य अंतर भी हो सकते हैं, जो इस अध्याय के आगे चलकर स्पष्ट होंगे।

इस अध्याय में हम अर्धचालकों के अध्ययन पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, जो हो सकते हैं:

(i) तत्वीय चालक धातुएँ: $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$

(ii) संयोजी चालक धातुएँ: उदाहरण हैं:

• अकार्बनिक: CdS, GaAs, CdSe, InP, आदि

• कार्बनिक: एंथ्रासीन, डोप्ड प्थलोक्सानीन, आदि

• कार्बनिक पॉलिमर: पोलीप्रिरोल, पोलीएनिलीन, पोलीथिओफ़ेन, आदि

वर्तमान में उपलब्ध अधिकांश चालक धातु उपकरण $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ और अकार्बनिक संयोजी चालक धातुओं पर आधारित हैं। हालाँकि, 1990 के बाद से कुछ चालक धातु उपकरण जो कार्बनिक चालक धातु और चालक पॉलिमर का उपयोग करते हैं, विकसित किए गए हैं जो पॉलीमर इलेक्ट्रॉनिक्स और अणु इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य के तकनीक के उदय को संकेत देते हैं। इस अध्याय में हम अकार्बनिक चालक धातुओं, विशेष रूप से तत्वीय चालक धातुएँ $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ के अध्ययन पर ही सीमित रहेंगे। इस अध्याय में तत्वीय चालक धातुओं के चर्चा के लिए प्रस्तुत किए गए सामान्य अवधारणाएँ, अधिकांश संयोजी चालक धाुओं के लिए भी लागू होती हैं।

ऊर्जा बैंड के आधार पर

बोहर के परमाणु मॉडल के अनुसार, एक अक्षय परमाणु में किसी भी इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा उसके घूम रहे कक्षा के आधार पर निर्धारित होती है। लेकिन जब परमाणु एक ठोस बनाने के लिए एक दूसरे के साथ जुड़ जाते हैं तो वे एक दूसरे के बहुत करीब हो जाते हैं। इसलिए आसपास के परमाणुओं से आ रहे बाहरी कक्षा के इलेक्ट्रॉन बहुत करीब आ जाते हैं या तो एक दूसरे के ऊपर आ जाते हैं। इससे ठोस में इलेक्ट्रॉन के गति की प्रकृति एक अक्षय परमाणु में विभिन्न हो जाती है।

क्रिस्टल के भीतर प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के एक अद्वितीय स्थान होता है और कोई दो इलेक्ट्रॉन एक दूसरे के आसपास के आवेश के समान पैटर्न नहीं देखते। इस कारण प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के ऊर्जा स्तर अलग-अलग होते हैं। इन अलग-अलग ऊर्जा स्तरों के साथ निरंतर ऊर्जा परिवर्तन वह ऊर्जा बैंड कहलाते हैं जिन्हें ऊर्जा बैंड कहते हैं। वैलेंस इलेक्ट्रॉन के ऊर्जा स्तरों के ऊर्जा बैंड को वैलेंस बैंड कहते हैं। वैलेंस बैंड के ऊपर वाला ऊर्जा बैंड को चालन बैंड कहते हैं। बाहरी ऊर्जा के बिना सभी वैलेंस इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में रहते हैं। यदि चालन बैंड के सबसे कम स्तर के ऊर्जा स्तर के ऊपर वैलेंस बैंड के सबसे ऊंचे स्तर के ऊर्जा स्तर से कम हो जाए तो वैलेंस बैंड के इलेक्ट्रॉन आसानी से चालन बैंड में चले जाते हैं। सामान्य रूप से चालन बैंड खाली होता है। लेकिन जब यह वैलेंस बैंड के साथ अधिक ऊपर आ जाए तो इलेक्ट्रॉन इसमें मुक्त रूप से चले जाते हैं। यह धातु चालकों के मामले में होता है।

अगर चालन बैंड और वैलेंस बैंड के बीच कोई अंतर होता है, तो वैलेंस बैंड में सभी इलेक्ट्रॉन बंधे रहते हैं और चालन बैंड में कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध नहीं होते। इससे वस्तु के अचालक हो जाते हैं। लेकिन कुछ इलेक्ट्रॉन बाहरी ऊर्जा के अधिग्रहण करके चालन बैंड और वैलेंस बैंड के बीच के अंतर को पार कर सकते हैं। तब ये इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में चले जाते हैं। इसी तारतम्य में वे वैलेंस बैंड में खाली ऊर्जा स्तर बनाते हैं जहां अन्य वैलेंस इलेक्ट्रॉन चल सकते हैं। इस प्रक्रिया द्वारा चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के कारण तथा वैलेंस बैंड में खालियों के कारण चालन की संभावना उत्पन्न हो जाती है।

चलो विचार करें कि $\mathrm{Si}$ या Ge क्रिस्टल में $N$ परमाणु होने के मामले में क्या होता है। $\mathrm{Si}$ के लिए, बाहरी कक्षा तीसरी कक्षा $(n=3)$ होती है, जबकि $\mathrm{Ge}$ के लिए यह चौथी कक्षा $(n=4)$ होती है। बाहरी कक्षा में इलेक्ट्रॉन की संख्या 4 होती है ( $2 s$ और $2 p$ इलेक्ट्रॉन)। इसलिए, क्रिस्टल में बाहरी इलेक्ट्रॉन की कुल संख्या $4 N$ होती है। बाहरी कक्षा में अधिकतम संभावित इलेक्ट्रॉन की संख्या 8 होती है ( $2 s+6 p$ इलेक्ट्रॉन)। इसलिए, $4 N$ वैलेंस इलेक्ट्रॉन के लिए $8 N$ उपलब्ध ऊर्जा स्तर होते हैं। ये $8 N$ अलग-अलग ऊर्जा स्तर या तो एक सतत बैंड बना सकते हैं या तो क्रिस्टल में परमाणुओं के बीच दूरी के आधार पर विभिन्न बैंड में समूहित हो सकते हैं (ठोस के बैंड सिद्धांत के बॉक्स देखें)।

अति छोटी दूरी पर जिन एटमों के बीच $\mathrm{Si}$ और Ge के क्रिस्टल लैटिस में होते हैं, उन $8 N$ अवस्थाओं की ऊर्जा बैंड दो बैंड में विभाजित हो जाती हैं जो एक ऊर्जा अंतर $E_{g}$ द्वारा अलग होते हैं (चित्र 14.1)। तापमान शून्य अंतराल पर नीचली बैंड जो $4 N$ संयोजक इलेक्ट्रॉनों द्वारा पूरी तरह से भरी होती है, वह संयोजक बैंड होती है। दूसरी बैंड जो $4 N$ ऊर्जा अवस्थाओं के बराबर होती है, जिसे चालक बैंड कहते हैं, तापमान शून्य अंतराल पर पूरी तरह से खाली होती है।

 एक चालक तंतु में $0 \mathrm{~K}$ पर ऊर्जा बैंड के स्थिति। ऊपरी बैंड, जिसे चालन बैंड कहा जाता है, अपरिमित बड़ी संख्या में आसानी से अलग ऊर्जा स्तरों से बना होता है। नीचे बैंड, जिसे मूल्य बैंड कहा जाता है, आसानी से अलग भरे हुए ऊर्जा स्तरों से बना होता है।

चालन बैंड में सबसे कम ऊर्जा स्तर $E_{C}$ के रूप में दिखाया गया है और मूल्य बैंड में सबसे ऊंचा ऊर्जा स्तर $E_{V}$ के रूप में दिखाया गया है। $E_{C}$ के ऊपर और $E_{V}$ के नीचे एक बड़ी संख्या में आसानी से अलग ऊरजा स्तर होते हैं, जैसा कि चित्र 14.1 में दिखाया गया है।

अनुपातिक बैंड के शीर्ष और चालन बैंड के तल के बीच के अंतर को ऊर्जा बैंड अंतर (ऊर्जा अंतर $E_{q}$) कहते हैं। यह अंतर सामग्री के अनुसार बड़ा, छोटा या शून्य हो सकता है। इन विभिन्न स्थितियों को चित्र 14.2 में दर्शाया गया है और नीचे चर्चा की जाएगी:

चित्र 14.2 ऊर्जा बैंड के बीच अंतर (a) धातुओं, (b) अचालकों और (c) अर्धचालकों के।

केस II: इस मामले में, चित्र 14.2 (b) में दिखाया गया है, एक बड़ा बैंड अंतर $E_{g}$ मौजूद है $\left(E_{g}>3 \mathrm{eV}\right)$. चालकता बैंड में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं है, और इसलिए विद्युत चालकता संभव नहीं है। ध्यान दें कि ऊर्जा अंतर इतना बड़ा है कि थर्मल उत्तेजना द्वारा वैलेंस बैंड से चालकता बैंड में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित नहीं किया जा सकता। यह अचालकों का मामला है।

केस III: यह स्थिति चित्र 14.2 (c) में दिखाई गई है। यहाँ एक छोटे लेकिन असीमित बैंड गैप $\left(E_{g}<3 \mathrm{eV}\right)$ मौजूद होता है। छोटे बैंड गैप के कारण, कमरे के तापमान पर कुछ इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करके ऊर्जा अंतर को पार कर सकते हैं और चालन बैंड में प्रवेश कर सकते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों (हालांकि उनकी संख्या छोटी होती है) के चालन बैंड में गति करने के कारण, चालकता के लिए अर्धचालकों का प्रतिरोध अत्यधिक चालकों के प्रतिरोध के बराबर नहीं होता है।

इस अनुच्छेद में हम धातुओं, चालकों और अर्धचालकों के ब्रोड क्लासिफिकेशन को बताया है। अगले अनुच्छेद में आप अर्धचालकों में चालन प्रक्रिया के बारे में जानेंगे।

14.3 अंतर्निहित चालक पदार्थ

हम गेलियम (Ge) और $\mathrm{Si}$ के सबसे आम मामले की ओर बढ़ेंगे, जिनकी क्रिस्टल संरचना चित्र 14.3 में दिखाई गई है। इन संरचनाओं को डायमंड जैसी संरचना कहा जाता है। प्रत्येक परमाणु चार सबसे करीबी पड़ोसियों के चारों ओर घिरा होता है। हम जानते हैं कि $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ में चार संयोजक इलेक्ट्रॉन होते हैं। इनकी क्रिस्टल संरचना में, प्रत्येक $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ परमाणु अपने चार सबसे करीबी पड़ोसियों में से प्रत्येक के साथ अपने चार संयोजक इलेक्ट्रॉन में से एक को साझा करने की ओर लगातार बढ़ता है और इन पड़ोसियों से एक इलेक्ट्रॉन के साझा करने की ओर भी लगातार बढ़ता है। इन साझा इलेक्ट्रॉन युग्म को सहसंयोजक बंधन या संयोजक बंधन के रूप में जाना जाता है। दो साझा इलेक्ट्रॉन को जुड़े अंतराल के बीच आगे और पीछे चलने के रूप में माना जा सकता है, जो उन्हें मजबूत रूप से एक साथ रखते हैं। चित्र 14.4 में $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ की संरचना का 2-विमीय प्रतिनिधित्व चित्र 14.3 में दिखाए गए अंतर्निहित संयोजक बंधन के अतिरिक्त दिखाया गया है। यह एक आदर्शी चित्र है जहां कोई भी बंधन नहीं टूटता है (सभी बंधन पूर्ण रूप से बने रहते हैं)। ऐसी स्थिति निम्न तापमान पर उत्पन्न होती है। जब तापमान बढ़ता है, तो इलेक्ट्रॉनों के लिए अधिक ऊष्मीय ऊर्जा उपलब्ध हो जाती है और कुछ इलेक्ट्रॉन अपने स्थान से बाहर निकल सकते हैं (जो सं conduction के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉन के रूप में योगदान देते हैं)। ऊष्मीय ऊर्जा वास्तव में क्रिस्टल संरचना में केवल कुछ परमाणुओं को आयनित करती है और चित्र 14.5(a) में दिखाए गए रूप में बंधन में एक रिक्तिका बनाती है। मुक्त इलेक्ट्रॉन (जिसका आवेश $-q$ होता है) के बाहर निकले वाले पड़ोसी क्षेत्र में एक रिक्तिका बन जाती है जिसका प्रभावी आवेश $(+q)$ होता है। यह रिक्तिका जिसका प्रभावी धनावेशी इलेक्ट्रॉन आवेश होता है, एक होल कहलाता है। यह होल एक आभासी मुक्त कण के रूप में व्यवहार करता है जिसका प्रभावी धनावेश होता है।

चित्र 14.3 कार्बन, सिलिकॉन या जरमेनियम के तीन-आयामी डायमंड-जैसा क्रिस्टल संरचना, जिसमें क्रिस्टल लैटिस दूरी $a$ क्रमशः $3.56,5.43$ और $5.66 \mathring{A}$ के बराबर होती है

अनुच्छेदी चालकता में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या, $n_{e}$, छेदों की संख्या, $n_{h}$ के बराबर होती है। अर्थात,

$n_{e}=n_{h}=n_{i} \hspace{15cm}(14.1)$

जहाँ $n_{i}$ को अनुप्रस्थ वहनकर्ता सांद्रता कहते हैं।

अर्धचालकों की एक अद्वितीय विशेषता होती है जिसमें, इलेक्ट्रॉन के अतिरिक्त, छेद भी गति करते हैं। मान लीजिए कि साइट 1 पर एक छेद है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है

 चित्र 14.4 में $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ संरचना का द्वि-आयामी चित्र दिखाया गया है, जिसमें निम्न तापमान पर सहसंयोजक बंधन (सभी बंधन संपूर्ण रूप से बने रहते हैं) दिखाए गए हैं। +4 चिह्न यह दर्शाता है कि $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ के आंतरिक नाभिक हैं।

चित्र 14.5(a) में दिखाए गए हैं। छेद के गति को चित्र 14.5(b) में दिखाए गए तरीके से समझा जा सकता है। साइट 2 पर सहसंयोजक बंधन से एक इलेक्ट्रॉन साइट 1 (छेद) पर छलांकित हो सकता है। इस छलांक के बाद, छेद साइट 2 पर होगा और साइट 1 पर एक इलेक्ट्रॉन होगा। इसलिए, आंतरिक रूप से छेद साइट 1 से साइट 2 तक गया है। ध्यान दें कि इलेक्ट्रॉन जो मूल रूप से मुक्त हो गया था [चित्र 14.5(a)] इस छेद गति की प्रक्रिया में शामिल नहीं है। मुक्त इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से स्वतंत्र रूप से चालन इलेक्ट्रॉन के रूप में गति करता है और आवेग विद्युत क्षेत्र के अधीन इलेक्ट्रॉन धारा, $I_{e}$ उत्पन्न करता है। याद रखें कि छेद की गति वास्तविक रूप से बंधे इलेक्ट्रॉन की गति का एक सुविधाजनक तरीका है, जब आवेग के अंतर के किसी भी स्थान पर एक खाली बंधन हो। विद्युत क्षेत्र के कारण, ये छेद नकारात्मक विभव की ओर गति करते हैं जिससे छेद धारा, $I_{h}$ उत्पन्न होती है। इसलिए, कुल धारा, $I$ इलेक्ट्रॉन धारा $I_{e}$ और छेद धारा $I_{h}$ के योग के बराबर होती है:

$I=I_{e}+I_{h} \hspace{15cm}(14.2)$

ध्यान दें कि चालन इलेक्ट्रॉन और छेद के उत्पादन की प्रक्रिया के अलावा, इलेक्ट्रॉन छेद के साथ मिलकर फिर से संयोजित होने की एक साथ होने वाली प्रक्रिया भी होती है। साम्यावस्था में, आवेश वाहकों के उत्पादन की दर उनके पुनः संयोजन की दर के बराबर होती है। इलेक्ट्रॉन छेद के साथ टकराकर पुनः संयोजन होता है।

>

चित्र 14.5 (a) मध्यम तापमान पर थर्मल ऊर्जा के कारण साइट 1 पर छेद के उत्पन्न होने और सं conduction इलेक्ट्रॉन के उत्पन्न होने के आरेखीय मॉडल। (b) एक छेद के संभावित थर्मल गति का सरल निरूपण। निचले बाएं कोवलेंट बंड (साइट 2) से इलेक्ट्रॉन साइट 1 पर पहले छेद के साइट पर जाता है, जिसके कारण उस साइट पर एक छेद बन जाता है, जो छेद के साइट 1 से साइट 2 तक गति के आभास को दर्शाता है।

एक अनुच्छेदी चालक तापमान $T=0 \mathrm{~K}$ पर एक विद्युत अपाचे के रूप में व्यवहार करेगा, जैसा कि चित्र 14.6(a) में दिखाया गया है। यह उच्च तापमान पर थर्मल ऊर्जा ( $T>0 \mathrm{~K}$ ) है, जो कुछ इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में उत्प्रेरित करती है। इन थर्मल उत्प्रेरित इलेक्ट्रॉन $T>0 \mathrm{~K}$ पर, कंडक्शन बैंड के आंशिक रूप से भरते हैं। इसलिए, एक अनुच्छेदी चालक के ऊर्जा-बैंड आरेख चित्र 14.6(b) में दिखाए गए हैं। यहां, कंडक्शन बैंड में कुछ इलेक्ट्रॉन दिखाए गए हैं। ये वैलेंस बैंड से आए हैं जहां उतने ही छेद बन गए हैं।

चित्र 14.6 (a) $T=0 \mathrm{~K}$ पर एक अशुद्ध चालक विद्युत चालक के समान व्यवहार करता है। (b) $T>0 \mathrm{~K}$ पर चार तापीय उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल युग्म। भरे हुए वृत्त ($\cdot$) इलेक्ट्रॉन को और खाली वृत्त $(\bigcirc)$ होल को प्रदर्शित करते हैं।

उदाहरण 14.1 C, Si और Ge के समान क्रिस्टल संरचना होती है। कारण क्या है कि C एक चालक नहीं होता जबकि $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ अनुचुम्बकीय चालक होते हैं?

हल $\mathrm{C}, \mathrm{Si}$ या Ge के 4 आबंधन इलेक्ट्रॉन क्रमशः दूसरे, तीसरे और चौथे कक्षा में स्थित होते हैं। इसलिए, इन परमाणुओं से एक इलेक्ट्रॉन बाहर निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा ($E_{q}$) $\mathrm{Ge}$ के लिए सबसे कम होती है, फिर $\mathrm{Si}$ के लिए और $\mathrm{C}$ के लिए सबसे अधिक होती है। अतः, $\mathrm{Ge}$ और $\mathrm{Si}$ में चालन के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉन की संख्या विशिष्ट होती है लेकिन $\mathrm{C}$ में इसकी मात्रा नगण्य होती है।

14.4 बाह्य चालक

एक अंतर्निहित चालक की चालकता उसके तापमान पर निर्भर करती है, लेकिन कमरे के तापमान पर इसकी चालकता बहुत कम होती है। इसलिए, इन चालकों के उपयोग से महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक उपकरण विकसित नहीं किए जा सकते। इसलिए इनकी चालकता को सुधारने की आवश्यकता होती है। इसके लिए अशुद्धियों के उपयोग से इसे कर सकते हैं।

जब शुद्ध चालक में एक छोटी मात्रा, जैसे कि कई भाग प्रति मिलियन (ppm) के आकार की एक उपयुक्त अशुद्धि को जोड़ दिया जाता है, तो चालक की चालकता बहुगुण बढ़ जाती है। ऐसे वस्तुओं को बाह्य चालक या अशुद्धि चालक के रूप में जाना जाता है। एक उपयुक्त अशुद्धि के निश्चित रूप से जोड़ने को डोपिंग कहा जाता है और अशुद्धि परमाणुओं को डोपेंट कहा जाता है। ऐसे वस्तुओं को डोपेंट चालक के रूप में भी जाना जाता है। डोपेंट ऐसा होना चाहिए जो मूल शुद्ध चालक के लैटिस को विकृत न करे। यह केवल मूल चालक परमाणुओं के कुछ छोटे स्थलों पर ही बैठे रहे। इसके लिए आवश्यक शर्त यह है कि डोपेंट और चालक परमाणुओं के आकार लगभग समान हों।

तारपेण्ड चालकता के लिए चतुर्वेणी एसी या जर्मेनियम (Ge) के डॉपिंग में दो प्रकार के डॉपेंट का उपयोग किया जाता है:

(i) पंचवेणी (वेणी 5); जैसे अर्सेनिक (As), एंटिमोनी (Sb), फॉस्फोरस (P), आदि।

(ii) त्रिवेणी (वेणी 3); जैसे इंडियम (In), बोरॉन (B), एल्यूमिनियम (Al), आदि।

 पंचवलेंट डोनर परमाणु (As, Sb, $\mathrm{P}$, आदि) टेट्रावलेंट $\mathrm{Si}$ या Ge में डॉप करके $\mathrm{n}-$ प्रकार के चालक पदार्थ के निर्माण के लिए, और (b) आम तौर पर उपयोग किए जाने वाले $n$-प्रकार सामग्री का स्थैतिक चित्र जो केवल प्रतिस्थापन डोनर के निर्धारित कोर को दिखाता है जिसमें एक अतिरिक्त प्रभावी धनात्मक आवेश और इसके संगत अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होता है।

अब हम चर्चा करेंगे कि डॉपिंग कैसे चालकता के लिए चालक पदार्थों में आवेश वाहकों की संख्या (और इस प्रकार चालकता) को बदलता है। $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ आवर्त सारणी में चौथे समूह के तत्व होते हैं और इसलिए हम डॉपेंट तत्व को निकटतम पांचवें या तीसरे समूह से चुनते हैं, जहां डॉपेंट परमाणु के आकार के आकार के लगभग $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ के समान होने की उम्मीद होती है और इसका ध्यान रखते हैं। दिलचस्प बात यह है कि $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ में पंचवलेंट और त्रिवलेंट डॉपेंट दो पूरी तरह से अलग प्रकार के चालक पदार्थ बनाते हैं, जैसा कि नीचे चर्चा की जाएगी।

(i) n-टाइप चालक चालक

मान लीजिए हम $\mathrm{Si}$ या Ge को चित्र 14.7 में दिखाए गए पंचवलेंट तत्व से डोप करते हैं। जब एक +5 वैलेंस तत्व का परमाणु Si के क्रिस्टल लैटिस में एक परमाणु के स्थान पर आ जाता है, तो इसके चार इलेक्ट्रॉन चार सिलिकॉन पड़ोसियों के साथ बंधन बनाते हैं जबकि पांचवां इलेक्ट्रॉन अपने माता-पिता परमाणु से बहुत कम बंधे रहता है। इसका कारण यह है कि बंधन में भाग लेने वाले चार इलेक्ट्रॉन पांचवें इलेक्ट्रॉन के लिए परमाणु के प्रभावी कोर के हिस्सा माने जाते हैं। इस परिणामस्वरूप, इस इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक आयनीकरण ऊर्जा बहुत कम होती है और तापमान कमरे के तापमान पर भी यह चालक चालक के लैटिस में मुक्त रूप से गति कर सकता है। उदाहरण के लिए, जर्मेनियम में इस इलेक्ट्रॉन को अपने परमाणु से अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा $\sim 0.01 \mathrm{eV}$ होती है, जबकि सिलिकॉन में $0.05 \mathrm{eV}$ होती है। यह अंतरिक चालक चालक में तापमान कमरे के तापमान पर वर्न बैंड को पार करने के लिए आवश्यक ऊर्जा (जर्मेनियम के लिए लगभग $0.72 \mathrm{eV}$ और सिलिकॉन के लिए लगभग $1.1 \mathrm{eV}$) के तुलना में है। इसलिए, पंचवलेंट डोपेंट चालक चालक के लिए एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन देता है और इसलिए इसे डोनर अशुद्धि कहा जाता है। डोपेंट परमाणुओं द्वारा चालन के लिए उपलब्ध इलेक्ट्रॉनों की संख्या डोपिंग स्तर पर बहुत अधिक निर्भर करती है और वातावरण के तापमान में कोई वृद्धि के बावजूद अपरिवर्तित रहती है। दूसरी ओर, $\mathrm{Si}$ परमाणुओं द्वारा उत्पन्न मुक्त इलेक्ट्रॉनों (समान संख्या में छेदों के साथ) की संख्या तापमान के साथ कमजोरी से बढ़ती है।

एक डॉप्ड चालक तत्व में कुल सं conduction इलेक्ट्रॉन $n_{e}$ डोनर द्वारा योगदान देने वाले इलेक्ट्रॉन और अंतर्निहित रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन के कारण होते हैं, जबकि कुल छेद $n_{h}$ केवल अंतर्निहित स्रोत से छेदों के कारण होते हैं। लेकिन इलेक्ट्रॉन की संख्या में वृद्धि के कारण छेदों के पुनर्योग की दर बढ़ जाएगी। इस प्रकार, छेदों की संख्या और भी कम हो जाएगी।

इसलिए, उचित स्तर के डॉपिंग के साथ चालक इलेक्ट्रॉन की संख्या छेदों की संख्या से काफी अधिक बनाई जा सकती है। इसलिए, एक अतिरिक्त चालक में

सेमीकंडक्टर में पंचवलेंट अशुद्धि मिलाया जाना, इलेक्ट्रॉन मुख्य वहनकर्ता बन जाते हैं और छेद अल्प वहनकर्ता बन जाते हैं। इसलिए, इन सेमीकंडक्टर को n-टाइप सेमीकंडक्टर कहा जाता है। n-टाइप सेमीकंडक्टर के लिए, हम नीचे दिए गए हैं,

$n_{e} > > n_{h} \hspace{15cm}(14.3)$

(ii) p-टाइप सेमीकंडक्टर

चित्र 14.8 (a) पंचवलेंट अशुद्धि (In, Al, B आदि) के त्रिवलेंट स्वीकारक परमाणु के चतुर्वलेंट Si या Ge जाली में मिलाया जाना, जो p-टाइप सेमीकंडक्टर बनाता है। (b) p-टाइप सामग्री के सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले आरेख जो विस्थापित स्वीकारक के निश्चित कोर को दिखाता है और एक प्रभावी अतिरिक्त नकारात्मक आवेश और इसके संबंधित छेद को दिखाता है। यह तब प्राप्त होता है जब $\mathrm{Si}$ या Ge को Al, B, In आदि जैसे त्रिवलेंट अशुद्धि से डॉप किया जाता है। डॉपेंट के पास Si या Ge के तुलना में एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन कम होता है और, इसलिए, इस परमाणु के आसपास के तीन $\mathrm{Si}$ परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बना सकता है लेकिन चौथे $\mathrm{Si}$ परमाणु के लिए कोई इलेक्ट्रॉन नहीं होता। इसलिए, चौथे पड़ोसी और त्रिवलेंट परमाणु के बीच बंधन में एक रिक्ति या छेद होता है, जैसा कि चित्र 14.8 में दिखाया गया है। चूंकि जाली में पड़ोसी Si परमाणु छेद के स्थान पर एक इलेक्ट्रॉन की आवश्यकता रखता है, इसलिए एक पड़ोसी परमाणु के बाहरी कक्षा में इलेक्ट्रॉन इस रिक्ति को भरने के लिए छलांक कर सकता है, जिससे अपने स्थान पर एक रिक्ति या छेद बच जाता है। इस प्रकार छेद वहन के लिए उपलब्ध हो जाता है। ध्यान दें कि त्रिवलेंट विदेशी परमाणु जब आसपास के $\mathrm{Si}$ परमाणु के साथ चौथा इलेक्ट्रॉन साझा करता है तो इसके पास एक नकारात्मक आवेश हो जाता है। इसलिए, p-टाइप सामग्री के डॉपेंट परमाणु को चित्र 14.8(b) में दिखाए गए तरीके से एक नकारात्मक आवेश के कोर के साथ इसके संबंधित छेद के रूप में विचार किया जा सकता है। स्पष्ट रूप से, एक स्वीकारक परमाणु एक छेद उत्पन्न करता है। इन छेदों के अलावा, अंतर्निहित रूप से उत्पन्न छेद भी होते हैं जबकि वहन इलेक्ट्रॉन का स्रोत केवल अंतर्निहित उत्पादन होता है। इसलिए, ऐसे सामग्री के लिए, छेद मुख्य वहनकर्ता होते हैं और इलेक्ट्रॉन अल्प वहनकर्ता होते हैं। इसलिए, त्रिवलेंट अशुद्धि से डॉप किए गए अप्रत्यक्ष सेमीकंडक्टर को p-टाइप सेमीकंडक्टर कहा जाता है। p-टाइप सेमीकंडक्टर के लिए, पुनर्योजन प्रक्रिया अंतर्निहित रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन की संख्या $\left(n_{i}\right)$ को $n_{e}$ तक कम कर देती है। हम नीचे दिए गए हैं, p-टाइप सेमीकंडक्टर के लिए

$n_{h} > > n_{e} \hspace{15cm}(14.4)$

ध्यान दें कि क्रिस्टल कुल आवेश उदासीनता के साथ बने रहते हैं क्योंकि अतिरिक्त आवेश वहनकर्ता के आवेश के बराबर और विपरीत होते हैं जो लेटिस में आयनित कोर के आवेश के बराबर होते हैं।

चित्र 14.8 (a) टेट्रावैलेंट Si या Ge लेटिस में ट्रिवैलेंट अपवर्जक परमाणु (In, Al, B आदि) के डॉपिंग द्वारा प्राप्त p-प्रकार चालक। (b) p-प्रकार सामग्री का सामान्य रूप से उपयोग किया जाने वाला आरेख जो विस्थापित अपवर्जक के निश्चित कोर को दिखाता है जिसके साथ एक प्रभावी अतिरिक्त नकारात्मक आवेश और उसके संबंधित छेद होता है।

अतिरिक्त चालकता वाले चालकों में, अधिकांश चालक वाहकों की अधिकता के कारण, तापीय रूप से उत्पन्न अल्पांश वाहकों के अधिकांश अधिकांश वाहकों के साथ मिल जाते हैं और इस प्रकार नष्ट हो जाते हैं। इसलिए, डोपेंट द्वारा एक प्रकार के चालक वाहकों की एक बड़ी संख्या के जोड़ने से, जो अधिकांश वाहक बन जाते हैं, अतिरिक्त अल्पांश वाहकों की सांद्रता को अप्रत्यक्ष रूप से कम कर देते हैं।

चालक के ऊर्जा बैंड संरचना को डोपिंग द्वारा प्रभावित किया जाता है। अतिरिक्त चालकों के मामले में, दाता अशुद्धियों $\left(E_{D}\right)$ और ग्राहक अशुद्धियों $\left(E_{A}\right)$ के कारण अतिरिक्त ऊर्जा स्तर भी मौजूद होते हैं। n-प्रकार के $\mathrm{Si}$ चालक के ऊर्जा बैंड आरेख में, दाता ऊर्जा स्तर $E_{D}$ चालन बैंड के तल $E_{\mathrm{C}}$ के थोड़ा नीचे होता है और इस स्तर से इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में बहुत कम ऊर्जा के साथ चले जाते हैं। कमरे के तापमान पर, अधिकांश दाता परमाणु आयनित हो जाते हैं लेकिन बहुत कम $\left(\sim 10^{12}\right)$ सिलिकॉन परमाणु आयनित होते हैं। इसलिए, चालन बैंड में अधिकांश इलेक्ट्रॉन दाता अशुद्धियों से आते हैं, जैसा कि चित्र 14.9(a) में दिखाया गया है। इसी तरह,

p-टाइप चालकता वाले अर्धचालक में, स्वीकारक ऊर्जा स्तर $E_{A}$ वैलेंस बैंड के शीर्ष $E_{V}$ के थोड़ा ऊपर होता है, जैसा कि चित्र 14.9(b) में दिखाया गया है। बहुत कम ऊर्जा की आपूर्ति के साथ एक इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से $E_{A}$ स्तर तक जा सकता है और स्वीकारक के नकारात्मक रूप से आयनित हो सकता है। (वैकल्पिक रूप से, हम यह भी कह सकते हैं कि बहुत कम ऊरजा की आपूर्ति के साथ $E_{A}$ स्तर से एक होल वैलेंस बैंड में गिर जाता है। जब वे बाहरी ऊर्जा प्राप्त करते हैं तो इलेक्ट्रॉन ऊपर जाते हैं और होल नीचे गिर जाते हैं।) कमरे के तापमान पर, अधिकांश स्वीकारक परमाणु आयनित हो जाते हैं जिसके कारण वैलेंस बैंड में छेड़छाड़ होती है। इसलिए कमरे के तापमान पर वैलेंस बैंड में होल के घनत्व के अधिकांश भाग अप्रत्यक्ष अर्धचालक में अशुद्धि के कारण होता है। एक अर्धचालक में ऊष्मागतिक साम्य में इलेक्ट्रॉन और होल के सांद्रण को निम्नलिखित द्वारा दिया जाता है:

$n_{e} n_{h}=n_{i}^{2} \hspace{15cm}(14.5)$

हालांकि उपरोक्त वर्णन बहुत ही अपूर्ण और अनुमानित है, लेकिन इसके द्वारा धातु, अचालक और अर्धचालक (अनुप्रस्थ और अनुप्रस्थ) के बीच अंतर को एक सरल तरीके से समझा जा सकता है। $\mathrm{C}, \mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ के प्रतिरोधकता में अंतर उनके चालन और बंद बैंड के बीच ऊर्जा अंतर पर निर्भर करता है। $\mathrm{C}$ (डायमंड), $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ के लिए ऊर्जा अंतर क्रमशः $5.4 \mathrm{eV}, 1.1 \mathrm{eV}$ और $0.7 \mathrm{eV}$ होते हैं। $\mathrm{Sn}$ भी एक समूह IV तत्व है लेकिन इसके तार चालक होते हैं क्योंकि इसके मामले में ऊर्जा अंतर $0 \mathrm{eV}$ होता है।

चित्र 14.9 (a) $T>0 K$ पर n-प्रकार चालक तथा (b) $T>0 \mathrm{~K}$ पर p-प्रकार चालक के ऊर्जा बैंड।

उदाहरण 14.2 मान लीजिए एक शुद्ध Si क्रिस्टल में $5 \times 10^{28}$ परमाणु $\mathrm{m}^{-3}$ है। इसे पंचवलयी एस्टिल (As) के $1 \mathrm{ppm}$ सांद्रता द्वारा डॉप किया जाता है। इलेक्ट्रॉन तथा छेद की संख्या की गणना कीजिए। दिया गया है कि $n_{i}=1.5 \times 10^{16} \mathrm{~m}^{-3}$।

हल धातु उत्पन्न इलेक्ट्रॉन $\left(n_{i} \sim 10^{16} \mathrm{~m}^{-3}\right)$ डोपिंग द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन की तुलना में बहुत कम होते हैं। अतः, $n_{e} \approx N_{D}$।

चूंकि $n_{e} n_{h}=n_{i}^{2}$, छेद निर्माण की संख्या

$n_{h}=\left(2.25 \times 10^{32}\right) /\left(5 \times 10^{22}\right)$

$\sim 4.5 \times 10^{9} \mathrm{~m}^{-3}$

14.5 p-n संधि

एक p-n संधि विभिन्न अर्धचालक उपकरणों जैसे डायोड, ट्रांजिस्टर आदि के मूल बिल्डिंग ब्लॉक होती है। संधि के व्यवहार के स्पष्ट अध्ययन के लिए अन्य अऊर्धचालक उपकरणों के काम के विश्लेषण में महत्वपूर्ण भूमिका अद्वितीय होती है। अब हम जानने की कोशिश करेंगे कि संधि कैसे बनती है और बाहरी आवेश वोल्टेज (जिसे बायस भी कहा जाता है) के प्रभाव के तहत संधि कैसे व्यवहार करती है।

14.5.1 p-n जunction के निर्माण

एक पतले p-टाइप सिलिकॉन (p-Si) अर्थ चालक वाले टुकड़े को विचार करें। एक छोटी मात्रा के पंचवलेंट अशुद्धि को जोड़कर, p-Si टुकड़े के कुछ हिस्सों को $\mathrm{n}$-Si में बदला जा सकता है। एक अर्थ चालक के निर्माण के लिए कई प्रक्रियाएं हो सकती हैं। अब टुकड़े में p-क्षेत्र और $\mathrm{n}$-क्षेत्र दोनों हो गए हैं और p- और n- क्षेत्र के बीच एक धातु जुड़ाव हो गया है।

p-n जुड़ाव के निर्माण के दौरान दो महत्वपूर्ण प्रक्रियाएं होती हैं: विस्तार और ध्यान विस्थापन। हम जानते हैं कि n-टाइप अऊर्थ चालक में, इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता (इकाई आयतन पर इलेक्ट्रॉन की संख्या) पिन्हों की सांद्रता की तुलना में अधिक होती है। इसी तरह, p-टाइप अऊर्थ चालक में, पिन्हों की सांद्रता इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता की तुलना में अधिक होती है। p-n जुड़ाव के निर्माण के दौरान और p- और n- तरफ के सांद्रता ढाल के कारण, पिन्हों का विस्तार p-तरफ से n-तरफ तक होता है $(\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n})$ और इलेक्ट्रॉनों का विस्तार n-तरफ से p-तरफ तक होता है $(\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p})$। आवेश वहनकर्ता के इस गति के कारण जुड़ाव पर विस्तार धारा उत्पन्न होती है।

जब एक इलेक्ट्रॉन $\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}$ की ओर विसरित होता है, तो इसके छोड़े गए आयनित दाता के रूप में $\mathrm{n}$-पक्ष पर एक आयनित दाता बच जाता है। यह आयनित दाता (धनात्मक आवेश) अपने आसपास के परमाणुओं से बंधे होने के कारण गतिशील नहीं होता। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन $\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}$ की ओर विसरित होते जाते हैं, जunction के $\mathrm{n}$-पक्ष पर एक धनात्मक आवेश के लेयर (या धनात्मक स्थान-आवेश क्षेत्र) का विकास होता है।

उसी तरह, जब एक छेद $\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n}$ की ओर विसरित होता है, तो इसके छोड़े गए आयनित ग्राहक (ऋणात्मक आवेश) बच जाता है जो गतिशील नहीं होता। जैसे-जैसे छेद विसरित होते जाते हैं, जunction के $\mathrm{p}$-पक्ष पर एक ऋणात्मक आवेश के लेयर (या ऋणात्मक स्थान-आवेश क्षेत्र) का विकास होता है। इस स्थान-आवेश क्षेत्र के जunction के दोनों ओर मिलकर विसर्जन क्षेत्र के रूप में जाना जाता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन और छेद जunction के दोनों ओर गति करते हुए इस क्षेत्र के मुक्त आवेश को खाली कर देते हैं (चित्र 14.10)। विसर्जन क्षेत्र की मोटाई एक दशमलव वाले माइक्रोमीटर के क्रम में होती है। जunction के $\mathrm{n}$-पक्ष पर धनात्मक स्थान-आवेश क्षेत्र और $\mathrm{p}$-पक्ष पर ऋणात्मक स्थान-आवेश क्षेत्र के कारण धनात्मक आवेश से ऋणात्मक आवेश की ओर दिशा में एक विद्युत क्षेत्र विकसित होता है। इस क्षेत्र के कारण जunction के $\mathrm{p}$-पक्ष पर एक इलेक्ट्रॉन $\mathrm{n}$-पक्ष की ओर बढ़ता है और जunction के $\mathrm{n}$-पक्ष पर एक छेद $\mathrm{p}$-पक्ष की ओर बढ़ता है। विद्युत क्षेत्र के कारण आवेश वहनकर्ता के गति के कारण एक धारा, जो विसर्जन धारा के विपरीत दिशा में होती है (चित्र 14.10) शुरू होती है।

चित्र 14.10 p-n संधि निर्माण प्रक्रिया कहलाती है। drift कहलाती है।

 डायोड समान अवस्था में $(V=0)$, (b) बाधा वोल्टता के बिना विक्षेपण के बिना।)

प्रारंभ में, विस्थापन धारा बहुत बड़ी होती है और विस्थापन धारा छोटी होती है। जैसे ही विस्थापन प्रक्रिया जारी रहती है, जunction के दोनों तरफ अंतराल चार्ज क्षेत्र बढ़ते जाते हैं, जिसके कारण विद्युत क्षेत्र की ताकत बढ़ती जाती है और इस प्रकार विस्थापन धारा बढ़ती जाती है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक विस्थापन धारा विस्थापन धारा के बराबर नहीं हो जाती। इस प्रकार एक p-n junction बन जाता है। एक p-n junction के समान अवस्था में कोई शुद्ध धारा नहीं होती।

n क्षेत्र से इलेक्ट्रॉन के नुकसान और p क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन के लाभ के कारण दोनों क्षेत्रों के जunction पर विभव के अंतर के कारण अंतर उत्पन्न होता है। इस विभव की ध्रुवता इस प्रकार होती है कि यह आगे के वहनकर्ता के प्रवाह को रोकती है ताकि समान अवस्था की स्थिति बनी रहे। चित्र 14.11 में p-n junction के समान अवस्था में और जunction पर विभव को दिखाया गया है। n-माध्यम से इलेक्ट्रॉन खो गए हैं, और p-माध्यम ने इलेक्ट्रॉन अर्जित कर लिए हैं। इसलिए n-माध्यम p-माध्यम के तुलना में धनात्मक है। इस विभव के कारण इलेक्ट्रॉन के n क्षेत्र से p क्षेत्र में चले जाने को रोका जाता है, इसलिए इसे अक्सर बाधा वोल्टता कहा जाता है।

उदाहरण 14.3 क्या हम एक p-टाइप चालकता वाले अधिकृत चालक के एक टुकड़े को दूसरे n-टाइप चालकता वाले अऊधिकृत चालक के साथ भौतिक रूप से जोड़ सकते हैं ताकि p-n संधि प्राप्त कर सकें?

हल

नहीं! कोई भी टुकड़ा, चाहे वह कितना ही समतल हो, अपनी अंतर-परमाणु क्रिस्टल दूरी (~2 से 3 एंगस्ट्रॉम) की तुलना में कहीं अधिक खुरदरा होगा और अत: परमाणु स्तर पर निरंतर संपर्क की संभावना नहीं होगी। चार्ज कार्लर के प्रवाह के लिए यह संधि एक असतत व्यवहार करेगी।

14.6 अधिकृत डायोड

एक अऊधिकृत डायोड [चित्र 14.12(a)] मूल रूप से एक p-n संधि होती है जिसके दोनों सिरों पर धातु संपर्क द्वारा बाहरी वोल्टेज के अनुप्रयोग के लिए उपलब्ध कराया जाता है। यह एक दो सिरे वाला उपकरण है। एक p-n संधि डायोड को चित्र 14.12(b) में दिखाए गए चिह्न द्वारा प्रतीकात्मक रूप से प्रस्तुत किया जाता है।

चालकता के तीर की दिशा धारा की परंपरागत दिशा को दर्शाती है (जब डायोड आगे बाज़ अवस्था में होता है)। संतुलन बाधा विभव को बाहरी वोल्टेज $V$ के अनुप्रयोग द्वारा बदला जा सकता है। पी-एन संधि डायोड के संतुलन अवस्था (बाज़ बिना) की स्थिति चित्र 14.11 (a) और (b) में दिखाई गई है।

चित्र 14.12 (a) चालक डाइऑड, (b) p-n संधि डाइऑड का चिह्न

14.6.1 p-n संधि डाइऑड का आगे बाजार में उपयोग

जब बाहरी वोल्टेज $V$ एक चालक डाइऑड पर ऐसे लगाया जाता है कि $\mathrm{p}$-पक्ष बैटरी के धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा हो और n-पक्ष नकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा हो [चित्र 14.13(a)] तो इसे आगे बाजार में कहा जाता है।

लगाए गए वोल्टेज के अधिकांश हिस्सा वियोजन क्षेत्र पर गिरता है और संधि के $\mathrm{p}$-पक्ष और $\mathrm{n}$-पक्ष पर वोल्टेज गिरने के लिए नगण्य होता है। (इसका कारण यह है कि वियोजन क्षेत्र के प्रतिरोध - जहां कोई आवेश नहीं होता है - न-पक्ष और p-पक्ष के प्रतिरोध की तुलना में बहुत अधिक होता है।) लगाए गए वोल्टेज की दिशा $(V)$ निर्मित विभव $V_{0}$ के विपरीत होती है। इसके परिणामस्वरूप, वियोजन परत की चौड़ाई घट जाती है और बाधा की ऊँचाई कम हो जाती है [चित्र 14.13(b)]। आगे बाजार में प्रभावी बाधा की ऊँचाई $\left(V_{0}-V\right)$ होती है।

चित्र 14.13 (a) आगे बiased p-n संधि डायोड, (b) बाधा विभव (1) बैटरी के बिना, (2) कम बैटरी वोल्टेज, और (3) उच्च वोल्टेज बैटरी।

यदि आवेशित वोल्टेज छोटा हो, तो बाधा विभव केवल संतुलन मूल्य से थोड़ा कम होगा, और केवल चालकता के ऊपरी ऊर्जा स्तर में विद्यमान अल्प संख्या में कार्लर्स के पास पर्याप्त ऊर्जा होगी जिससे जंक्शन के माध्यम से पार जा सकें। इसलिए धारा छोटी होगी। यदि हम आवेशित वोल्टेज को बहुत अधिक बढ़ा दें, तो बाधा ऊंचाई कम हो जाएगी और अधिक संख्या में कार्लर्स के पास आवश्यक ऊरजा होगी। इसलिए धारा बढ़ जाएगी।

अतिरिक्त वोल्टेज के कारण, n-पक्ष से इलेक्ट्रॉन डिप्लेशन क्षेत्र के माध्यम से पार होकर p-पक्ष पर पहुँचते हैं (जहाँ वे अल्पसंख्यक वहनकर्ता होते हैं)। इसी तरह, p-पक्ष से छेद जunction के माध्यम से पार होकर n-पक्ष पर पहुँचते हैं (जहाँ वे अल्पसंख्यक वहनकर्ता होते हैं)। यह प्रक्रिया आगे बढ़े वोल्टेज के तहत अल्पसंख्यक वहनकर्ता प्रवेश के रूप में जानी जाती है। जunction के सीमा पर, प्रत्येक तरफ अल्पसंख्यक वहनकर्ता की सांद्रता जunction से दूर स्थित स्थानों की तुलना में बहुत अधिक हो जाती है।

इस सांद्रता ढाल के कारण, $\mathrm{p}$-पक्ष पर प्रवेशित इलेक्ट्रॉन $\mathrm{p}$-पक्ष के जunction के किनारे से $\mathrm{p}$-पक्ष के दूसरे सिरे तक विस्थापित होते हैं। इसी तरह, $\mathrm{n}$-पक्ष पर प्रवेशित छेद $\mathrm{n}$-पक्ष के जunction के किनारे से $\mathrm{n}$-पक्ष के दूसरे सिरे तक विस्थापित होते हैं (चित्र 14.14)। इन वहनकर्ताओं के इस गति के कारण धारा उत्पन्न होती है। डायोड की कुल आगे बढ़े वोल्टेज की धारा छेद विस्थापन धारा और इलेक्ट्रॉन विस्थापन के कारण आमतौर पर $\mathrm{mA}$ में होती है।

14.6.2 पी-एन संधि डायोड के विपरीत वोल्टेज पर

जब कोई बाह्य वोल्टेज $(V)$ डायोड पर ऐसे लगाया जाता है कि $\mathrm{n}$-पक्ष धनात्मक और $\mathrm{p}$-पक्ष ऋणात्मक हो, तो इसे विपरीत वोल्टेज पर कहा जाता है [चित्र 14.15 (a)]। लगाए गए वोल्टेज के अधिकांश हिस्सा वियोजन क्षेत्र में गिर जाता है। लगाए गए वोल्टेज की दिशा बाधा वोल्टेज की दिशा के समान होती है। इसके परिणामस्वरूप, बाधा ऊंचाई बढ़ जाती है और वियोजन क्षेत्र विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन के कारण विस्तारित हो जाता है। विपरीत वोलतेज पर प्रभावी बाधा ऊंचाई $\left(V_{0}+V\right)$ होती है, [चित्र 14.15(b)]। इसके कारण $\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}$ में इलेक्ट्रॉन और $\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n}$ में होल के प्रवाह को बहुत कम कर देता है। इस प्रकार, विस्थापन धारा, आगे वोल्टेज पर डायोड की तुलना में बहुत कम हो जाती है।

चित्र 14.14 आगे बाज़ अल्पसंख्यक वाहक प्रवाह।

जunction के विद्युत क्षेत्र की दिशा इस प्रकार होती है कि यदि विद्युत धारा के अनुपालन में यानि यानि $\mathrm{p}$-पक्ष पर इलेक्ट्रॉन या $\mathrm{n}$-पक्ष पर होल अपने अनियमित गति में जunction के पास आ जाते हैं, तो वे अपने अधिकांश जोन में बह जाते हैं। इस वाहकों के विस्थापन से विद्युत धारा उत्पन्न होती है। विस्थापन धारा के क्रम दशक में कुछ $\mu$ A होती है। यह बहुत कम है क्योंकि यह वाहकों के अल्पसंख्यक तरफ से अधिकांश तरफ जunction के माध्यम से गति के कारण होती है। आगे बाज़ के तहत भी विस्थापन धारा होती है लेकिन इसे विस्थापित वाहकों के कारण धारा (जो आमतौर पर mA में होती है) की तुलना में नगण्य $(\mu \mathrm{A})$ होती है।

चित्र 14.15 (a) विपरीत बाज़ार में डायोड, (b) विपरीत बाज़ार में बाधा विभव।

डायोड के विपरीत बाज़ार धारा लगाए गए वोल्टेज पर बहुत अधिक निर्भर नहीं करती। एक छोटे वोल्टेज के साथ ही जंक्शन के एक तरफ से दूसरी तरफ अल्पसंख्यक कार्लर को धकेला जा सकता है। धारा लगाए गए वोल्टेज के मापदंड पर निर्भर नहीं करती बल्कि जंक्शन के दोनों तरफ अल्पसंख्यक कार्लर के सांद्रण पर निर्भर करती है।

वर्तमान विपरीत बाजार में आमतौर पर विपरीत बाजार वोल्टेज तक तकनीकी रूप से वोल्टेज स्वतंत्र होता है, जिसे विपरीत बाजार वोल्टेज $\left(V_{b r}\right)$ के रूप में जाना जाता है। जब $V=V_{b r}$, तो डायोड के विपरीत वर्तमान में तीव्र वृद्धि होती है। बाजार वोल्टेज में भी थोड़ा वृद्धि वर्तमान में बड़ा परिवर्तन करती है। यदि बाहरी परिपथ द्वारा विपरीत वर्तमान को निर्धारित मान (निर्माता द्वारा निर्धारित) से कम नहीं रखा जाता है, तो $\mathrm{p}-\mathrm{n}$ संयोजन नष्ट हो जाता है। जब यह निर्धारित मान से अधिक हो जाता है, तो डायोड ऊष्मा के कारण नष्ट हो जाता है। यह आगे भी हो सकता है जब डायोड के आगे बाजार में वर्तमान निर्धारित मान से अधिक हो जाता है।

चित्र 14.16 (क) और (ख) में डायोड के वोल्टेज-धारा (V-I) गुणपरिवर्तन के अध्ययन के लिए परिपथ व्यवस्था दिखाई गई है। डायोड को बैटरी के माध्यम से एक पोटेंशियोमीटर (या रेहोस्टेट) के माध्यम से जोड़ा जाता है ताकि डायोड पर लगाए गए वोल्टेज को बदला जा सके। विभिन्न वोल्टेज के मानों के लिए धारा के मान को नोट किया जाता है। $V$ और $I$ के बीच एक ग्राफ प्राप्त किया जाता है जैसा कि चित्र 14.16 (ग) में दिखाया गया है। ध्यान दें कि आगे बाज़ विमुखन मापन में हम एक मिलीएम्पियरमीटर का उपयोग करते हैं क्योंकि अपेक्षित धारा बहुत बड़ी होती है (जैसा कि पहले अनुभाग में समझाया गया है) जबकि विपरीत बाज़ विमुखन में एक माइक्रोमीटर का उपयोग करके धारा को मापा जाता है। आप चित्र 14.16 (ग) में देख सकते हैं कि आगे बाज़ विमुखन में

चित्र 14.16 पी-एन संधि डायोड के $V-I$ विशिष्टताओं के अध्ययन के लिए प्रयोगात्मक परिपथ व्यवस्था (a) आगे बाज़ अवस्था में, (b) पीछे बाज़ अवस्था में। (c) सिलिकॉन डायोड के सामान्य $V-I$ विशिष्टताएं।

बाज़ अवस्था में, धारा पहले बहुत धीरे बढ़ती है, लगभग नगण्य रूप से, तक डायोड के सिरे पर वोल्टेज एक निश्चित मान को पार कर जाता है। विशिष्ट वोल्टेज के बाद, डायोड धारा बहुत तेजी से (एक्सपोनेंशियल रूप से) बढ़ जाती है, भले ही डायोड बाज़ वोल्टेज में बहुत छोटी वृद्धि हो। इस वोल्टेज को सीमा वोल्टेज या कट-इन वोल्टेज कहते हैं ($\sim 0.2 \mathrm{~V}$ जर्मेनियम डायोड के लिए और $\sim 0.7 \mathrm{~V}$ सिलिकॉन डायोड के लिए)।

अपरिवर्ती वोल्टेज के लिए डायोड के विपरीत वोल्टेज पर धारा बहुत छोटी होती है $(\sim \mu \mathrm{A})$ और वोल्टेज के परिवर्तन के साथ लगभग स्थिर रहती है। इसे विपरीत संतृप्ति धारा कहते हैं। हालांकि, विशेष स्थितियों के लिए, बहुत उच्च विपरीत वोल्टेज (भंग के वोल्टेज) पर धारा अचानक बढ़ जाती है। इस विशेष कार्य के बारे में बाद में अनुच्छेद 14.8 में चर्चा की जाएगी। सामान्य उद्देश्य डायोड का उपयोग विपरीत संतृप्ति धारा क्षेत्र से अधिक नहीं किया जाता है।

ऊपर के चर्चा से स्पष्ट होता है कि $\mathrm{p}-\mathrm{n}$ संधि डायोड केवल एक दिशा में (आगे वोल्टेज) धारा के प्रवाह को मात्र अनुमति देता है। आगे वोल्टेज प्रतिरोध विपरीत वोल्टेज प्रतिरोध की तुलना में कम होता है। इस गुण का उपयोग अगले अनुच्छेद में चर्चा की जाने वाली एसी वोल्टेज के आवर्तन में किया जाता है। डायोड के लिए हम एक मात्रा को गतिशील प्रतिरोध कहते हैं, जो छोटे परिवर्तन वोल्टेज $\Delta \mathrm{V}$ के छोटे परिवर्तन धारा $\Delta \mathrm{I}$ के अनुपात होती है:

$r_{d}=\dfrac{\Delta V}{\Delta I} \hspace{15cm}(14.6)$

उदाहरण 14.4 सिलिकॉन डायोड के $V$-I विशिष्टता चित्र चित्र 14.17 में दिखाए गए हैं। डायोड के प्रतिरोध की गणना करें (a) $I_{D}=15 \mathrm{~mA}$ और (b) $V_{D}=-10 \mathrm{~V}$ पर।

>

चित्र 14.17

हल डायोड विशिष्टता को $I=10 \mathrm{~mA}$ से $I=20 \mathrm{~mA}$ तक एक सीधी रेखा मानते हुए, हम ओम के कानून का उपयोग करके प्रतिरोध की गणना कर सकते हैं।

(a) वक्र से, $I=20 \mathrm{~mA}, V=0.8 \mathrm{~V} ; I=10 \mathrm{~mA}, V=0.7 \mathrm{~V}$

$r_{f b}=\Delta V / \Delta I=0.1 \mathrm{~V} / 10 \mathrm{~mA}=10 \Omega$

(b) वक्र से $\mathrm{V}=-10 \mathrm{~V}, I=-1 \mu \mathrm{A}$,

इसलिए,

$r_{r b}=10 \mathrm{~V} / 1 \mu \mathrm{A}=1.0 \times 10^{7} \Omega$

14.7 संधि डायोड के रूप में अपवाहक के अनुप्रयोग

संधि डायोड के V-I विशिष्टता से हम देखते हैं कि यह केवल उस समय धारा प्रवाह करता है जब यह आगे बiased होता है। इसलिए यदि एक विन्यास वोल्टेज डायोड पर लगाया जाता है तो धारा केवल उस चक्र के भाग में प्रवाहित होती है जब डायोड आगे बiased होता है। इस गुण का उपयोग विन्यास वोल्टेज के अपवाहन में किया जाता है और इस उद्देश्य के लिए उपयोग किया जाने वाला परिपथ अपवाहक कहलाता है।

चित्र 14.18 (a) अर्ध-तरंग रेक्टिफायर परिपथ, (b) इनपुट ac वोल्टेज और रेक्टिफायर परिपथ से आउटपुट वोल्टेज तरंगचित्र।

यदि एक एलसी वोल्टेज को एक लोड के साथ डायोड के श्रेणीक्रम में लगाया जाता है, तो लोड पर केवल एलसी इनपुट के अर्ध चक्रों के दौरान एक धुंआ वोल्टेज दिखाई देता है, जब डायोड आगे बढ़े बाधित होता है। ऐसे रेक्टिफायर परिपथ, जैसा कि चित्र 14.18 में दिखाया गया है, एक अर्ध-तरंग रेक्टिफायर कहलाता है। ट्रांसफॉर्मर का द्वितीयक टर्मिनल $A$ और $B$ के मध्य अभीष्ट ac वोल्टेज प्रदान करता है। जब $A$ पर वोल्टेज धनात्मक होता है, तो डायोड आगे बढ़े बाधित होता है और यह चालन करता है। जब $A$ नकारात्मक होता है, तो डायोड विपरीत बाधित होता है और यह चालन नहीं करता है। डायोड के विपरीत संतृप्त धारा नगण्य होती है और व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए शून्य मान लिया जा सकता है। (डायोड के विपरीत विघटन वोल्टेज को ट्रांसफॉर्मर के द्वितीयक पर शिखर ac वोल्टेज से अधिक होना चाहिए ताकि डायोड को विपरीत विघटन से बचाया जा सके।)

इसलिए, ac के धनात्मक अर्धचक्र में लोड प्रतिरोध $R_{L}$ के माध्यम से धारा प्रवाहित होती है और हमें आउटपुट वोल्टता प्राप्त होती है, जैसा कि चित्र 14.18(b) में दिखाया गया है, जबकि नकारात्मक अर्धचक्र में कोई धारा नहीं होती। अगले धनात्मक अर्धचक्र में फिर से हमें आउटपुट वोल्टता प्राप्त होती है। इस प्रकार, आउटपुट वोल्टता, भले ही यह घटती रहती हो, केवल एक दिशा में सीमित होती है और इसे आवर्ती कहा जाता है। चूंकि इस परिपथ का आवर्ती आउटपुट केवल इनपुट ac तरंग के आधे हिस्से के लिए होता है, इसे आधा तरंग आवर्ती कहा जाता है।

चित्र 14.19 (a) एक पूर्ण तरंग रेक्टिफायर परिपथ; (b) डायोड $\mathrm{D_1}$ के लिए इनपुट तरंग रूप बिंदु A पर और डायोड $\mathrm{D_2}$ के लिए बिंदु B पर; (c) लोड RL के बारे में आउटपुट तरंग रूप पूर्ण तरंग रेक्टिफायर परिपथ में जुड़ा हुआ है।

विरुद्ध वोल्टेज पूर्ण तरंग के रूप में पल्स के रूप में होता है, जो आधा सैनसॉइड के आकार के होते हैं। हालांकि यह एक दिशात्मक होता है लेकिन इसका स्थिर मान नहीं होता। पल्स के वोल्टेज से स्थिर डीसी आउटपुट प्राप्त करने के लिए आउटपुट टर्मिनलों पर एक कैपेसिटर को संयोजित कर दिया जाता है (लोड $R_{L}$ के समानांतर में)। इसी उद्देश्य के लिए आप एक इंडक्टर को $R_{L}$ के श्रेणीक्रम में भी उपयोग कर सकते हैं। चूंकि इन अतिरिक्त परिपथों के आउटपुट में एसी रिपल को फ़िल्टर करके शुद्ध $d c$ वोल्टेज प्रदान करते हैं, इसलिए इन्हें फ़िल्टर कहा जाता है।

अब हम फ़िल्टर में कैपेसिटर की भूमिका के बारे में चर्चा करेंगे। जब कैपेसिटर पर वोल्टेज बढ़ रहा है, तो इसका चार्ज होता है। यदि कोई बाहरी लोड नहीं होता, तो यह विरुद्ध आउटपुट के पिक वोल्टेज तक चार्ज रहता है। जब लोड होता है, तो यह लोड के माध्यम से डिस्चार्ज होता है और इसके पर वोल्टेज घटना शुरू हो जाती है। विरुद्ध आउटपुट के अगले आधा साइकिल में इसका फिर से पिक मान तक चार्ज हो जाता है (चित्र 14.20)। कैपेसिटर पर वोल्टेज के घटने की दर धारिता $C$ और परिपथ में उपयोग किए गए प्रभावी प्रतिरोध $R_{L}$ के गुणनफल के व्युत्क्रमानुपाती होती है और इसे समय नियतांक कहा जाता है। समय नियतांक को बड़ा करने के लिए $C$ का मान बड़ा होना चाहिए। इसलिए कैपेसिटर इनपुट फ़िल्टर में बड़े कैपेसिटर का उपयोग किया जाता है। कैपेसिटर इनपुट फ़िल्टर का उपयोग करके प्राप्त आउटपुट वोल्टेज विरुद्ध वोल्टेज के पिक मान के निकट होता है। इस प्रकार के फ़िल्टर का उपयोग बिजली आपूर्ति में सबसे अधिक उपयोग किया जाता है।

चित्र 14.20 (a) एक पूर्ण तरंग रेक्टिफायर साथ कैपेसिटर फिल्टर, (b) (a) में रेक्टिफायर के इनपुट और आउटपुट वोल्टेज।

सारांश

1. सेमीकंडक्टर वर्तमान सॉलिड स्टेट इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले मूल सामग्री हैं, जैसे डायोड, ट्रांजिस्टर, आईसी आदि।

2. लेटिस संरचना एवं संघटक तत्वों की परमाणु संरचना निर्णय करती है कि एक विशिष्ट पदार्थ एक चालक, अचालक या अर्धचालक होगा।

3. धातुओं का प्रतिरोधकता कम होती है $\left(10^{-2}\right.$ से $10^{-8} \Omega \mathrm{m})$ , अचालकों का प्रतिरोधकता बहुत अधिक होती है ( $>10^{8} \Omega \mathrm{m}^{-1}$ ), जबकि अर्धचालकों का प्रतिरोधकता के मध्यम मान होते हैं।

4. अर्धचालक तत्वीय ( $\mathrm{Si}, \mathrm{Ge}$) एवं संयोजन (GaAs, CdS, आदि) दोनों हो सकते हैं।

5. शुद्ध अर्धचालकों को ‘अनुप्रस्थ अर्धचालक’ कहते हैं। आवेश वाहकों (इलेक्ट्रॉन एवं छेद) की उपस्थिति एक वस्तु की ‘अनुप्रस्थ’ गुण होती है और ये ऊष्मीय उत्प्रेरण के परिणामस्वरूप प्राप्त होते हैं। अनुप्रस्थ चालक में इलेक्ट्रॉनों की संख्या $\left(n_{e}\right)$ छेदों की संख्या $\left(n_{h}\right)$ के बराबर होती है। छेद आधुनिक इलेक्ट्रॉन रिक्तियों के रूप में होते हैं जिनका प्रभावी धनात्मक आवेश होता है।

6. शुद्ध चालकता वाले चालकों में एक उपयुक्त अशुद्धि के ‘डॉपिंग’ के द्वारा आवेश वाहकों की संख्या बदल सकते हैं। ऐसे चालक वाहक बाहरी चालक वाहक के रूप में जाने जाते हैं। ये दो प्रकार के होते हैं (n-प्रकार और p-प्रकार)।

7. n-प्रकार चालक वाहक में $n_{e}»n_{h}$ जबकि p-प्रकार चालक वाहक में $n_{h}»n_{e}$ होता है।

8. n-प्रकार चालक वाहक $\mathrm{Si}$ या Ge के डॉपिंग के द्वारा प्राप्त किया जाता है, जिसमें पंचवलयी अणु (दाता) जैसे As, Sb, P आदि होते हैं, जबकि p-प्रकार Si या Ge के डॉपिंग के द्वारा प्राप्त किया जाता है, जिसमें त्रिवलयी अणु (ग्रहणकर्ता) जैसे B, Al, In आदि होते हैं।

9. $n_{e} n_{h}=n_{i}^{2}$ सभी स्थितियों में लागू होता है। इसके अतिरिक्त, सामग्री के कुल आवेश अविच्छिन्नता होती है।

10. एक सामग्री में दो भिन्न ऊर्जा बैंड (वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड के रूप में जाने जाते हैं) होते हैं जिनमें इलेक्ट्रॉन रहते हैं। वैलेंस बैंड की ऊर्जा कंडक्शन बैंड की ऊरजा की तुलना में कम होती है। वैलेंस बैंड में सभी ऊर्जा स्तर भरे होते हैं जबकि कंडक्शन बैंड में ऊर्जा स्तर पूरी तरह से खाली हो सकते हैं या आंशिक रूप से भरे हो सकते हैं। कंडक्शन बैंड में इलेक्ट्रॉन ठोस में गति करने में मुक्त होते हैं और चालकता के लिए जिम्मेदार होते हैं। चालकता के मात्रा वैलेंस बैंड के शीर्ष $\left(E_{V}\right)$ और कंडक्शन बैंड के तल $\left(E_{C}\right)$ के बीच ऊर्जा अंतर $\left(E_{g}\right)$ पर निर्भर करती है। वैलेंस बैंड से इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकते हैं।

ऊष्मा, प्रकाश या विद्युत ऊर्जा को चालन बैंड में प्रेरित करके, एक चालक चालक तंतु में बहते विद्युत धारा में परिवर्तन उत्पन्न करते हैं।

11. विद्युत अपचालकों के लिए $E_{g}>3 \mathrm{eV}$, चालक चालक तंतु के लिए $E_{g}$ $0.2 \mathrm{eV}$ से $3 \mathrm{eV}$ के बीच होता है, जबकि धातुओं के लिए $E_{g} \approx 0$ होता है।

12. p-n संधि चालक चालक तंतु उपकरणों के ‘मुख्य’ तत्व है। जब ऐसी संधि बनाई जाती है, तो एक ‘अपसारी परत’ बनती है जिसमें अपने इलेक्ट्रॉन या छेद के बिना गतिशील आयन-कोर होते हैं। यह संधि विभव बाधा के लिए ज़िम्मेदार है।

13. बाहरी आवेश को बदलकर, संधि बाधा बदल सकती है। आगे बाधा ( $\mathrm{n}$-पक्ष बैटरी के नकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है और p-पक्ष बैटरी के धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है), बाधा कम हो जाती है जबकि विपरीत बाधा में बाधा बढ़ जाती है। अतः, आगे बाधा में धारा अधिक $(\mathrm{mA})$ होती है जबकि एक p-n संधि डायोड में यह बहुत कम $(\mu \mathrm{A})$ होती है।

14. डायोड का उपयोग एक विद्युत धारा को एक दिशा में सीमित करने के लिए किया जा सकता है (एक विद्युत धारा को एक दिशा में सीमित करना)। एक कैपेसिटर या उपयुक्त फिल्टर की सहायता से एक डीसी वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है।

सोचने वाले बिंदु

1. चालकता बैंड ($E _{C}$ या $E _{V}$) अर्धचालकों में स्थान विस्तारित होते हैं जिसका अर्थ है कि ये ठोस के किसी विशिष्ट स्थान पर नहीं होते। ऊर्जा सामान्य औसत होती है। जब आप एक चित्र देखते हैं जिसमें $E _{C}$ या $E _{V}$ को सीधी रेखाओं के रूप में बनाया गया है, तो इन्हें क्रमशः चालकता बैंड ऊर्जा स्तरों के नीचले और मूल बैंड ऊर्जा स्तरों के ऊपरी स्तर के रूप में ले लें।

2. तत्वांश अर्धचालकों ($\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$) में, n-प्रकार या p-प्रकार अर्धचालक बनाने के लिए ‘डोपेंट’ के रूप में अप्रत्यक्ष अपवाद को प्रोत्साहित किया जाता है। यौगिक अर्धचालकों में, संतुलन अनुपात के संबंध में परिवर्तन अर्धचालक के प्रकार को भी परिवर्तित कर सकता है। उदाहरण के लिए, आदर्श GaAs में Ga:As का अनुपात 1:1 होता है लेकिन Ga-मात्रा अधिक या As-मात्रा अधिक GaAs में यह क्रमशः $\mathrm{Ga} _{1.1} \mathrm{As} _{0.9}$ या $\mathrm{Ga} _{0.9} \mathrm{As} _{1.1}$ हो सकता है। सामान्य रूप से, अप्रत्यक्ष अपवादों की उपस्थिति अर्धचालकों के गुणों को कई तरीकों से नियंत्रित करती है।

अभ्यास

14.1 एन-टाइप सिलिकॉन में निम्नलिखित में से कौन सा कथन सही है:

(a) इलेक्ट्रॉन बहुल वहनकरी हैं और त्रिवलेंट परमाणु डोपेंट हैं।

(b) इलेक्ट्रॉन अधिकांश वहनकरी हैं और पंचवलेंट परमाणु डोपेंट हैं।

(c) छेद अधिकांश वहनकरी हैं और पंचवलेंट परमाणु डोपेंट हैं।

(d) छेद बहुल वहनकरी हैं और त्रिवलेंट परमाणु डोपेंट हैं।

14.2 अभ्यास 14.1 में दिए गए कथनों में से कौन सा कथन पी-टाइप चालक विद्युत के लिए सही है।

14.3 कार्बन, सिलिकॉन और जर्मेनियम प्रत्येक में चार संयोजक इलेक्ट्रॉन होते हैं। इनकी विशेषता वहन बैंड और सं conduction बैंड के बीच ऊर्जा बैंड अंतर के द्वारा चिह्नित की जाती है, जो क्रमशः क्रमशः $ \left(E _{\mathrm{g}}\right) _{\mathrm{C}},\left(E _{\mathrm{g}}\right) _{\mathrm{Si}} $ तथा $ \left(E _{\mathrm{g}}\right) _{\mathrm{Ge}} $ के बराबर होते हैं। निम्नलिखित में से कौन सा कथन सही है?

(a) $ \left(E _{g}\right) _{\mathrm{Si}}<\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Ge}}<\left(E _{g}\right) _{\mathrm{C}} $

(b) $ \left(E _{g}\right) _{\mathrm{C}}<\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Ge}}>\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Si}} $

(c) $ \left(E _{g}\right) _{\mathrm{C}}>\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Si}}>\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Ge}} $

(d) $ \left(E _{g}\right) _{\mathrm{C}}=\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Si}}=\left(E _{g}\right) _{\mathrm{Ge}} $

14.4 अनुसंधान अविस्थापित p-n संधि में, छेद अपने p-क्षेत्र से n-क्षेत्र में विस्थापित होते हैं क्योंकि -

(a) n-क्षेत्र में मुक्त इलेक्ट्रॉन उन्हें आकर्षित करते हैं।

(b) वे संधि के द्वारा विभवान्तर के कारण गति करते हैं।

(c) p-क्षेत्र में छेद के सांद्रण के तुलना में n-क्षेत्र में अधिक होता है।

(d) उपरोक्त सभी।

14.5 जब एक आगे की बाँध एक p-n संधि पर लगाई जाती है, तो यह

(ए) विभव बाधा को बढ़ा देती है।
(ब) अधिकांश वाहक धारा को शून्य कर देती है।
(स) विभव बाधा को कम कर देती है।
(द) उपरोक्त में से कोई नहीं।

14.6 आधा तरंग दृढ़ीकरण में, यदि इनपुट आवृत्ति $50 \mathrm{~Hz}$ है, तो आउटपुट आवृत्ति क्या होगी? समान इनपुट आवृत्ति के लिए एक पूर्ण तरंग दृढ़ीकरण के आउटपुट आवृत्ति क्या होगी?