नैज अर्धचालक

Intrinsic semiconductor

अर्धचालक वे सामग्रियां हैं जिनकी विद्युत चालकता एक कंडक्टर और एक इन्सुलेटर के बीच होती है। उनके पास इलेक्ट्रॉनिक्स में ट्रांजिस्टर, डायोड, सौर सेल और एकीकृत सर्किट सहित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है।

आंतरिक अर्धचालक वे अर्धचालक होते हैं जो अशुद्धियों से मुक्त होते हैं। दूसरे शब्दों में, वे रासायनिक रूप से शुद्ध हैं। आंतरिक अर्धचालकों की विद्युत चालकता वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों के थर्मल उत्तेजना द्वारा निर्धारित की जाती है।

ऊर्जा बैंड संरचना

आंतरिक अर्धचालकों को समझने के लिए, ठोस पदार्थों की ऊर्जा बैंड संरचना को समझना महत्वपूर्ण है। ठोस पदार्थों में एक अलग ऊर्जा बैंड संरचना होती है, जिसका अर्थ है कि कुछ निश्चित ऊर्जा श्रेणियां हैं जिन पर इलेक्ट्रॉनों को कब्जा करने की अनुमति है और अन्य ऊर्जा श्रेणियां निषिद्ध हैं।

वैलेंस बैंड उच्चतम ऊर्जा बैंड है जो पूर्ण शून्य तापमान पर पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है। चालन बैंड अगला उच्चतम ऊर्जा बैंड है, और यह पूर्ण शून्य तापमान पर खाली होता है। वैलेंस बैंड और चालन बैंड के बीच एक निषिद्ध ऊर्जा अंतर है।

थर्मल उत्तेजना

पूर्ण शून्य से ऊपर के तापमान पर, वैलेंस बैंड में कुछ इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में थर्मल रूप से उत्तेजित किया जा सकता है। ये उत्तेजित इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल के माध्यम से स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, जिससे विद्युत चालकता में योगदान होता है।

ऊष्मीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों की संख्या निषिद्ध ऊर्जा अंतराल और तापमान पर निर्भर करती है। छोटे निषिद्ध ऊर्जा अंतराल वाली सामग्रियों में अधिक तापीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉन होते हैं और इसलिए वे अधिक प्रवाहकीय होते हैं।

छिद्र (होल)

जब एक इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक थर्मल रूप से उत्तेजित होता है, तो यह वैलेंस बैंड में एक छेद छोड़ देता है। छेद वैलेंस बैंड में एक रिक्त स्थान है जिसे दूसरे इलेक्ट्रॉन द्वारा भरा जा सकता है।

छेद क्रिस्टल के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की तरह ही घूम सकते हैं, लेकिन विपरीत दिशा में। इसलिए छिद्रों को धनात्मक रूप से आवेशित आवेश वाहक माना जाता है।

इलेक्ट्रिकल कंडक्टीविटी

एक आंतरिक अर्धचालक की विद्युत चालकता क्रिस्टल में मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या के समानुपाती होती है। मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों के थर्मल उत्तेजना द्वारा निर्धारित की जाती है।

गणितीय समीकरण

निम्नलिखित गणितीय समीकरण एक आंतरिक अर्धचालक की विद्युत चालकता का वर्णन करते हैं:

$\sigma =n\cdot \mu _{e}+p\cdot \mu _{h},$

जहाँ:

   $\sigma$ विद्युत चालकता है

   $n$ मुक्त इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता है

   $p$ मुक्त छिद्रों की सांद्रता है

   $\mu _{e}$ इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है

   $\mu _{h}$छिद्र की गतिशीलता है

इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और छिद्र गतिशीलता इस बात का माप है कि इलेक्ट्रॉन और छिद्र क्रिस्टल के माध्यम से कितनी आसानी से आगे बढ़ सकते हैं।

सांद्रता का वर्णन

निम्नलिखित समीकरण एक आंतरिक अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की सांद्रता का वर्णन करता है:

$n=p=n_{i},$

जहां $n_{i}$ आंतरिक वाहक एकाग्रता है।

आंतरिक वाहक सांद्रता निषिद्ध ऊर्जा अंतराल और तापमान द्वारा निर्धारित की जाती है। निम्नलिखित समीकरण आंतरिक वाहक एकाग्रता का वर्णन करता है:

$n_{i}=A\cdot T^{3/2}\cdot exp{\frac {-E_{g}}{2kT}},$

कहाँ:

   $A$ एक स्थिरांक है

   $T$ केल्विन में तापमान है

   $E_{g},eV$ में निषिद्ध ऊर्जा अंतर है

   $k$ बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है

रेखांकन

निम्नलिखित ग्राफ तापमान के कार्य के रूप में एक आंतरिक अर्धचालक की विद्युत चालकता और आंतरिक वाहक एकाग्रता को दर्शाते हैं:

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, विद्युत चालकता और आंतरिक वाहक सांद्रता दोनों बढ़ती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि तापमान बढ़ने पर चालन बैंड में अधिक इलेक्ट्रॉन ऊष्मीय रूप से उत्तेजित होते हैं।

संक्षेप

इलेक्ट्रॉनिक्स में आंतरिक अर्धचालक महत्वपूर्ण सामग्री हैं। इनका उपयोग ट्रांजिस्टर, डायोड, सौर सेल और एकीकृत सर्किट सहित उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला में किया जाता है।

आंतरिक अर्धचालकों की विद्युत चालकता वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों के थर्मल उत्तेजना द्वारा निर्धारित की जाती है। ऊष्मीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों की संख्या निषिद्ध ऊर्जा अंतराल और तापमान पर निर्भर करती है।

छोटे निषिद्ध ऊर्जा अंतराल वाली सामग्रियों में अधिक तापीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉन होते हैं और इसलिए वे अधिक प्रवाहकीय होते हैं।