14.1 भूमिका

उन उपकरणों में जिनमें इलेक्ट्रॉनों का नियंत्रित प्रवाह प्राप्त किया जा सकता है, सभी इलेक्ट्रॉनिक परिपथों की मूलभूत इकाइयाँ होती हैं। 1948 में ट्रांजिस्टर की खोज से पहले, ऐसे उपकरण अधिकांशतः वैक्यूम ट्यूब (जिन्हें वाल्व भी कहा जाता है) थे, जैसे कि वैक्यूम डायोड जिसमें दो इलेक्ट्रोड होते हैं, अर्थात् ऐनोड (अक्सर प्लेट कहा जाता है) और कैथोड; ट्रायोड जिसमें तीन इलेक्ट्रोड होते हैं - कैथोड, प्लेट और ग्रिड; टेट्रोड और पेन्टोड (क्रमशः 4 और 5 इलेक्ट्रोड वाले)। एक वैक्यूम ट्यूब में, इलेक्ट्रॉन एक गरम किए गए कैथोड द्वारा आपूर्ति किए जाते हैं और इन इलेक्ट्रॉनों का नियंत्रित प्रवाह निर्वात में विभिन्न इलेक्ट्रोडों के बीच वोल्टेज को बदलकर प्राप्त किया जाता है। इलेक्ट्रोडों के बीच के स्थान में निर्वात आवश्यक है; अन्यथा चल रहे इलेक्ट्रॉन अपने मार्ग में वायु अणुओं से टकराकर अपनी ऊर्जा खो सकते हैं। इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉन केवल कैथोड से ऐनोड तक ही बह सकते हैं (अर्थात् केवल एक ही दिशा में)। इसलिए, ऐसे उपकरणों को आमतौर पर वाल्व कहा जाता है। ये वैक्यूम ट्यूब उपकरण भारी होते हैं, अधिक शक्ति की खपत करते हैं, सामान्यतः उच्च वोल्टेज (100 V) पर कार्य करते हैं और इनकी आयु सीमित तथा विश्वसनीयता कम होती है। आधुनिक ठोस अवस्था अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास का बीज 1930 के दशक में पड़ा जब यह समझा गया कि कुछ ठोस अवस्था अर्धचालक और उनके संधि चार्ज वाहकों की संख्या और प्रवाह की दिशा को नियंत्रित करने की संभावना प्रदान करते हैं। सरल उत्तेजनाएँ जैसे प्रकाश, ऊष्मा या छोटा लगाया गया वोल्टेज अर्धचालक में चलायमान आवेशों की संख्या को बदल सकता है। ध्यान दें कि अर्धचालक उपकरणों में चार्ज वाहकों की आपूर्ति और प्रवाह स्वयं ठोस के भीतर होता है, जबकि पहले के वैक्यूम ट्यूब/वाल्व में चलायमान इलेक्ट्रॉन एक गरम किए गए कैथोड से प्राप्त किए जाते थे और उन्हें एक निर्वात स्थान या निर्वात में बहाया जाता था। अर्धचालक उपकरणों के लिए कोई बाहरी गरम करना या बड़ा निर्वात स्थान आवश्यक नहीं होता है। ये छोटे आकार के होते हैं, कम शक्ति की खपत करते हैं, कम वोल्टेज पर कार्य करते हैं और इनकी आयु लंबी तथा विश्वसनीयता उच्च होती है। यहाँ तक कि टेलीविजन और कंप्यूटर मॉनिटरों में प्रयुक्त होने वाले कैथोड रे ट्यूब (CRT) जो वैक्यूम ट्यूब के सिद्धांत पर कार्य करते हैं, को तरल क्रिस्टल प्रदर्शन (LCD) मॉनिटरों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है जिनमें ठोस अवस्था इलेक्ट्रॉनिक्स का समर्थन होता है। अर्धचालक उपकरणों के पूर्ण निहितार्थों को औपचारिक रूप से समझने से बहुत पहले, गैलेना (सीसा सल्फाइड, PbS) का एक प्राकृतिक क्रिस्टल जिस पर धातु का बिंदु संपर्�क जोड़ा गया था, रेडियो तरंगों के संसूचक के रूप में प्रयुक्त किया जाता था।

निम्नलिखित खंडों में, हम अर्धचालक भौतिकी की मूलभूत अवधारणाओं का परिचय देंगे और कुछ अर्धचालक उपकरणों जैसे जंक्शन डायोड (2-इलेक्ट्रोड युक्त उपकरण) और द्विध्रुवी संयुक्त ट्रांजिस्टर (3-इलेक्ट्रोड युक्त उपकरण) की चर्चा करेंगे। इनके अनुप्रयोगों को दर्शाने वाली कुछ परिपथों का भी वर्णन किया जाएगा।

14.2 धातुओं, चालकों और अर्धचालकों का वर्गीकरण

चालकता के आधार पर

विद्युत चालकता $(\sigma)$ या प्रतिरोधकता $(\rho=1 / \sigma)$ के सापेक्ष मानों के आधार पर, ठोसों को व्यापक रूप से इस प्रकार वर्गीकृत किया जाता है:

(i) धातुएँ: इनमें 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 विद्युतरोधियों के बीच की 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) विद्युतरोधी: इनमें उच्च प्रतिरोधकता (या निम्न चालकता) होती है।

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

उपरोक्त दी गई $\rho$ और $\sigma$ के मान केवल परिमाण का संकेत देते हैं और ये सीमाओं से बाहर भी जा सकते हैं। प्रतिरोधकता के सापेक्ष मान ही एकमात्र मानदंड नहीं हैं जिनसे धातुओं, इन्सुलेटरों और अर्धचालकों को एक-दूसरे से अलग किया जाता है। कुछ अन्य अंतर भी हैं, जो इस अध्याय में आगे बढ़ने पर स्पष्ट हो जाएंगे।

इस अध्याय में हमारी रुचि उन अर्धचालकों के अध्ययन में है जो हो सकते हैं:

(i) मौलिक अर्धचालक: $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$

(ii) यौगिक अर्धचालक: उदाहरण हैं:

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

• कार्बनिक: ऐन्थ्रेसीन, डोप्ड फ़्थैलोसायनिन, आदि।

• कार्बनिक बहुलक: पॉलिपाइरोल, पॉलिएनिलिन, पॉलिथायोफीन, आदि।

अधिकांश वर्तमान में उपलब्ध अर्धचालक युक्तियाँ मौलिक अर्धचालक $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ और अकार्बनिक यौगिक अर्धचालकों पर आधारित हैं। हालांकि, 1990 के बाद कार्बनिक अर्धचालकों और बहुलकी अर्धचालकों का उपयोग करने वाली कुछ अर्धचालक युक्तियाँ विकसित की गई हैं, जिन्होंने बहुलक-इलेक्ट्रॉनिक्स और अणु-इलेक्ट्रॉनिक्स की एक भविष्यवादी प्रौद्योगिकी के जन्म का संकेत दिया है। इस अध्याय में हम स्वयं को अकार्बनिक अर्धचालकों, विशेषकर मौलिक अर्धचाकों Si और Ge के अध्ययन तक सीमित रखेंगे। यहाँ मौलिक अर्धचालकों की चर्चा के लिए प्रस्तुत किए गए सामान्य संकल्पनाएँ, काफी हद तक, अधिकांश यौगिक अर्धचालकों पर भी लागू होती हैं।

ऊर्जा बैंडों के आधार पर

बोर परमाणु मॉडल के अनुसार, किसी एकांत परमाणु में उसके किसी भी इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा इस बात पर निर्भर करती है कि वह किस कक्षा में चक्कर लगा रहा है। लेकिन जब परमाणु एक ठोस बनाने के लिए एक साथ आते हैं तो वे एक दूसरे के बहुत पास हो जाते हैं। इसलिए पड़ोसी परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों की बाहरी कक्षाएँ बहुत पास आ जाएँगी या यहाँ तक कि ओवरलैप भी हो सकती हैं। इससे ठोस में इलेक्ट्रॉन की गति का स्वभाव एकांत परमाणु की तुलना में बिलकुल अलग हो जाएगा।

क्रिस्टल के अंदर प्रत्येक इलेक्ट्रॉन की एक अनोनी स्थिति होती है और कोई भी दो इलेक्ट्रॉन चार्जों की ठीक एक जैसी आसपास की व्यवस्था नहीं देखते। इस कारण, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन की एक भिन्न ऊर्जा स्तर होगा। ये भिन्न-भिन्न ऊर्जा स्तर जो निरंतर ऊर्जा परिवर्तन के साथ बनते हैं, ऊर्जा बैंड कहलाते हैं। वह ऊर्जा बैंड जिसमें संयोजी इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर सम्मिलित होते हैं, संयोजी बैंड कहलाता है। संयोजी बैंड के ऊपर का ऊर्जा बैंड चालक बैंड कहलाता है। बाह्य ऊर्जा के अभाव में सभी संयोजी इलेक्ट्रॉन संयोजी बैंड में रहेंगे। यदि चालक बैंड का न्यूनतम स्तर संयोजी बैंड के उच्चतम स्तर से नीचे आता है, तो संयोजी बैंड के इलेक्ट्रॉन आसानी से चालक बैंड में जा सकते हैं। सामान्यतः चालक बैंड खाली होता है। लेकिन जब वह संयोजी बैंड पर ओवरलैप करता है तो इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से उसमें जा सकते हैं। यह स्थिति धातु चालकों की होती है।

यदि चालकता बैंड और संयोजकता बैंड के बीच कुछ अंतराल है, तो संयोजकता बैंड में स्थित सभी इलेक्ट्रॉन बंधे रहते हैं और चालकता बैंड में कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध नहीं होता। यह पदार्थ को एक विद्युत्-रोधक बना देता है। परंतु संयोजकता बैंड के कुछ इलेक्ट्रॉन बाह्य ऊर्जा प्राप्त कर चालकता बैंड और संयोजकता बैंड के बीच की खाई को पार कर सकते हैं। तब ये इलेक्ट्रॉन चालकता बैंड में चले जाते हैं। साथ ही वे संयोजकता बैंड में रिक्त ऊर्जा स्तर भी उत्पन्न कर देते हैं जहाँ अन्य संयोजकता इलेक्ट्रॉन गति कर सकते हैं। इस प्रक्रिया से चालकता की संभावना उत्पन्न होती है—एक तो चालकता बैंड में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों के कारण और दूसरे संयोजकता बैंड में उपस्थित रिक्त स्थानों के कारण।

आइए विचार करें कि $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ क्रिस्टल में, जिसमें $N$ परमाणु हैं, क्या होता है। $\mathrm{Si}$ के लिए बाह्यतम कक्षा तीसरी कक्षा $(n=3)$ है, जबकि $\mathrm{Ge}$ के लिए यह चौथी कक्षा $(n=4)$ है। बाह्यतम कक्षा में इलेक्ट्रॉनों की संख्या 4 है ($2 s$ और $2 p$ इलेक्ट्रॉन)। इसलिए क्रिस्टल में कुल बाह्य इलेक्ट्रॉनों की संख्या $4 N$ है। बाह्य कक्षा में अधिकतम संभव इलेक्ट्रॉनों की संख्या 8 है ($2 s + 6 p$ इलेक्ट्रॉन)। अतः $4 N$ संयोजकता इलेक्ट्रॉनों के लिए $8 N$ उपलब्ध ऊर्जा अवस्थाएँ हैं। ये $8 N$ विच्छिन्न ऊर्जा स्तर या तो एक सतत बैंड बना सकते हैं या वे क्रिस्टल में परमाणुओं के बीच की दूरी के आधार पर विभिन्न बैंडों में वर्गीकृत हो सकते हैं (देखें ठोसों के बैंड सिद्धांत पर बॉक्स)।

$\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ के क्रिस्टल जालकों में परमाणुओं के बीच की दूरी पर, इन $8 N$ अवस्थाओं की ऊर्जा बैंड दो भागों में विभाजित हो जाती है, जिनके बीच एक ऊर्जा अंतराल $E_{g}$ होता है (चित्र 14.1)। निचली बैंड, जो परम शून्य ताप पर $4 N$ संयोजक इलेक्ट्रॉनों से पूरी तरह भरी होती है, संयोजक बैंड है। दूसरी बैंड, जिसमें $4 N$ ऊर्जा अवस्थाएँ होती हैं और जिसे चालकता बैंड कहा जाता है, परम शून्य पर पूरी तरह खाली होती है।

चित्र 14.1 एक अर्धचालक में $0 \mathrm{~K}$ पर ऊर्जा बैंड की स्थितियाँ। ऊपरी बैंड, जिसे चालकता बैंड कहा जाता है, में अनंत संख्या में निकटस्थ ऊर्जा अवस्थाएँ होती हैं। निचली बैंड, जिसे संयोजक बैंड कहा जाता है, में निकटस्थ पूरी तरह भरी हुई ऊर्जा अवस्थाएँ होती हैं।

चालकता बैंड में न्यूनतम ऊर्जा स्तर को $E_{C}$ और संयोजक बैंड में अधिकतम ऊर्जा स्तर को $E_{V}$ दिखाया गया है। $E_{C}$ के ऊपर और $E_{V}$ के नीचे बड़ी संख्या में निकटस्थ ऊर्जा स्तर होते हैं, जैसा कि चित्र 14.1 में दिखाया गया है।

संयोजक बैंड के शीर्ष और संचालक बैंड के तल के बीच का अंतराल ऊर्जा बैंड अंतराल (ऊर्जा अंतराल $E_{q}$) कहलाता है। यह बड़ा, छोटा या शून्य हो सकता है, जो पदार्थ पर निर्भर करता है। इन विभिन्न स्थितियों को चित्र 14.2 में दिखाया गया है और नीचे चर्चा की गई है:

स्थिति I: यह स्थिति चित्र 14.2(a) में दिखाई गई है। धातु की स्थिति तब होती है जब या तो संचालक बैंड आंशिक रूप से भरा हो और संयोजक बैंड आंशिक रूप से खाली हो, या संचालक और संयोजक बैंड एक दूसरे से ओवरलैप करते हों। जब ओवरलैप होता है, तो संयोजक बैंड के इलेक्ट्रॉन आसानी से संचालक बैंड में जा सकते हैं। इस स्थिति में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन विद्युत चालन के लिए उपलब्ध होते हैं। जब संयोजक बैंड आंशिक रूप से खाली होता है, तो इसके निचले स्तर के इलेक्ट्रॉन उच्च स्तर पर जा सकते हैं, जिससे चालन संभव होता है। इसलिए, ऐसे पदार्थों का प्रतिरोध कम होता है या चालकता अधिक होती है।

चित्र 14.2 ऊर्जा बैंडों में अंतर (a) धातुओं, (b) विद्युत रोधकों और (c) अर्धचालकों के बीच।

स्थिति II: इस स्थिति में, जैसा कि चित्र 14.2(b) में दिखाया गया है, एक बड़ा बैंड गैप $E_{g}$ मौजूद होता है $\left(E_{g}>3 \mathrm{eV}\right)$। चालकता बैंड में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं होते, और इसलिए कोई विद्युत चालन संभव नहीं है। ध्यान दें कि ऊर्जा गैप इतना बड़ा है कि इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से चालकता बैंड में ऊष्मीय उत्तेजना द्वारा उत्तेजित नहीं किया जा सकता। यह अवस्था इन्सुलेटरों की होती है।

स्थिति III: यह स्थिति चित्र 14.2(c) में दिखाई गई है। यहाँ एक सीमित लेकिन छोटा बैंड गैप $\left(E_{g}<3 \mathrm{eV}\right)$ मौजूद है। छोटे बैंड गैप के कारण, कमरे के तापमान पर कुछ इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर ऊर्जा गैप को पार कर चालकता बैंड में प्रवेश कर सकते हैं। ये इलेक्ट्रॉन (यद्यपि संख्या में कम) चालकता बैंड में गति कर सकते हैं। इसलिए, अर्धचालकों का प्रतिरोध इन्सुलेटरों जितना अधिक नहीं होता।

इस खंड में हमने धातुओं, चालकों और अर्धचालकों का एक व्यापक वर्गीकरण किया है। आगामी खंड में आप अर्धचालकों में चालन प्रक्रिया सीखेंगे।

14.3 आंतरिक अर्धचालक

हम सबसे सामान्य मामले Ge और $\mathrm{Si}$ का लेंगे जिनकी जालक संरचना चित्र 14.3 में दिखाई गई है। इन संरचनाओं को हीरे जैसी संरचनाएँ कहा जाता है। प्रत्येक परमाणु चार निकटतम पड़ोसियों से घिरा होता है। हम जानते हैं कि $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ में चार संयोजक इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसकी क्रिस्टलीय संरचना में, प्रत्येक $\mathrm{Si}$ या Ge परमाणु अपने चार संयोजक इलेक्ट्रॉनों में से एक को अपने चार निकटतम पड़ोसी परमाणुओं में से प्रत्येक के साथ साझा करने का प्रयास करता है, और साथ ही प्रत्येक ऐसे पड़ोसी से एक इलेक्ट्रॉन का हिस्सा भी लेता है। इन साझा किए गए इलेक्ट्रॉन युग्मों को सहसंयोजक बंध या सरलतया संयोजक बंध बनाने वाले कहा जाता है। दोनों साझा किए गए इलेक्ट्रॉनों को इससे जुड़े परमाणुओं के बीच आगे-पीछे चले जाने वाला माना जा सकता है जो उन्हें मजबूती से एक साथ बांधे रखता है। चित्र 14.4 आरेखीय रूप से चित्र 14.3 में दिखाई गई $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ संरचना का 2-आयामी चित्रण दिखाता है जो सहसंयोजक बंध को अत्यधिक प्रमुखता देता है। यह एक आदर्श चित्र दिखाता है जिसमें कोई बंध नहीं टूटा है (सभी बंध अटूट हैं)। ऐसी स्थिति निम्न तापमान पर उत्पन्न होती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, इन इलेक्ट्रॉनों के लिए अधिक ऊष्मीय ऊर्जा उपलब्ध हो जाती है और इनमें से कुछ इलेक्ट्रॉन टूटकर अलग हो सकते हैं (स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन बनकर चालन में योगदान देते हैं)। ऊष्मीय ऊर्जा प्रभावी रूप से केवल कुछ परमाणुओं को ही क्रिस्टलीय जालक में आयनित करती है और चित्र 14.5(a) में दिखाए अनुसार बंध में एक रिक्त स्थान उत्पन्न करती है। पड़ोस, जिससे स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन (आवेश $-q$ के साथ) बाहर आया है, एक रिक्त स्थान छोड़ देता है जिसका प्रभावी आवेश $(+q)$ होता है। इस प्रभावी धनात्मक इलेक्ट्रॉनिक आवेश वाले रिक्त स्थान को छिद्र कहा जाता है। छिद्र एक प्रतीत होने वाला स्वतंत्र कण की तरह व्यवहार करता है जिसका प्रभावी धनात्मक आवेश होता है।

चित्र 14.3 कार्बन, सिलिकॉन या जर्मेनियम के लिए त्रि-आयामी हीरे जैसी क्रिस्टल संरचना, जिसमें संगत जालक अंतराल $a$ क्रमशः $3.56,5.43$ और $5.66 \mathring{A}$ है।

आंतरिक अर्धचालकों में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या, $n_{e}$ छिद्रों की संख्या, $n_{h}$ के बराबर होती है। अर्थात्

$$ \begin{equation*} n_{e}=n_{h}=n_{i} \tag{14.1} \end{equation*} $$

जहाँ $n_{i}$ को आंतरिक वाहक सांद्रता कहा जाता है।

अर्धचालकों में एक अनोखा गुण होता है जिसमें, इलेक्ट्रॉनों के अतिरिक्त, छिद्र भी गतिशील होते हैं। मान लीजिए स्थान 1 पर एक छिद्र है जैसा कि दिखाया गया है

चित्र 14.4 $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ संरचना की आरेखीय द्वि-आयामी प्रस्तुति जो निम्न ताप पर सहसंयोजक बंधों को दर्शाती है (सभी बंध अटूट हैं)। +4 चिह्न $\mathrm{Si}$ या Ge के आंतरिक केंद्रों को दर्शाता है।

चित्र 14.5(a) में। छिद्रों की गति को चित्र 14.5(b) में दिखाए अनुसार कल्पना किया जा सकता है। स्थान 2 पर स्थित सहसंयोजी बंध से एक इलेक्ट्रॉन रिक्त स्थान 1 (छिद्र) में कूद सकता है। इस प्रकार, इस कूद के बाद छिद्र स्थान 2 पर आ जाता है और स्थान 1 पर अब एक इलेक्ट्रॉन होता है। इसलिए, स्पष्ट रूप से, छिद्र स्थान 1 से स्थान 2 तक चला गया है। ध्यान दें कि मूल रूप से मुक्त हुआ इलेक्ट्रॉन [चित्र 14.5(a)] इस छिद्र गति की प्रक्रिया में शामिल नहीं है। मुक्त इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से स्वतंत्र रूप से चालन इलेक्ट्रॉन के रूप में गति करता है और एक विद्युत क्षेत्र लगाने पर इलेक्ट्रॉन धारा, $I_{e}$ उत्पन्न करता है। याद रखें कि छिद्र की गति केवल एक सुविधाजनक तरीका है वास्तविक बंधित इलेक्ट्रॉनों की गति को वर्णित करने का, जब भी क्रिस्टल में कहीं भी एक खाली बंध होता है। एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में, ये छिद्र ऋणात्मक विभव की ओर गति करते हैं और छिद्र धारा, $I_{h}$ देते हैं। कुल धारा, $I$ इस प्रकार इलेक्ट्रॉन धारा $I_{e}$ और छिद्र धारा $I_{h}$ का योग है:

$$ \begin{equation*} I=I_{e}+I_{h} \tag{14.2} \end{equation*} $$

यह ध्यान दिया जा सकता है कि चालन इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की उत्पत्ति की प्रक्रिया के अलावा, एक साथ पुनर्मिलन की प्रक्रिया भी होती है जिसमें इलेक्ट्रॉन छिद्रों के साथ पुनर्मिलित होते हैं। साम्यावस्था में, उत्पत्ति की दर आवेश वाहकों की पुनर्मिलन की दर के बराबर होती है। पुनर्मिलन एक इलेक्ट्रॉन के छिद्र से टकराने के कारण होता है।

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आकृति 14.5 (a) मध्यम ताप पर तापीय ऊर्जा के कारण स्थान 1 पर होल के उत्पन्न होने और चालक इलेक्ट्रॉन का आरेखीय मॉडल। (b) होल की संभावित तापीय गति का सरल चित्रण। निचले बाएँ हाथ की सहसंयोजक बंध (स्थान 2) से इलेक्ट्रॉन पहले के होल स्थान 1 पर जाता है, अपने स्थान पर एक होल छोड़ता है जिससे होल का स्थान 1 से स्थान 2 तक प्रतीत होता है।

एक अंतःस्थापी अर्धचालक $T=0 \mathrm{~K}$ पर एक विद्युतरोधी की तरह व्यवहार करेगा जैसा कि आकृति 14.6(a) में दिखाया गया है। उच्च तापमान पर तापीय ऊर्जा ($T>0 \mathrm{~K}$), कुछ इलेक्ट्रॉनों को संयोजी बैंड से चालक बैंड में उत्तेजित करती है। ये तापीय रूप से उत्तेजित इलेक्ट्रॉन $T>0 \mathrm{~K}$ पर, आंशिक रूप से चालक बैंड को घेरते हैं। इसलिए, एक अंतःस्थापी अर्धचालक की ऊर्जा-बैंड आरेख आकृति 14.6(b) के अनुसार होगी। यहाँ, कुछ इलेक्ट्रॉन चालक बैंड में दिखाए गए हैं। ये संयोजी बैंड से आए हैं और वहाँ समान संख्या में होल छोड़े हैं।

FIGURE 14.6 (a) एक अंतर्गत अर्धचालक $T=0 \mathrm{~K}$ पर विद्युतरोधी की तरह व्यवहार करता है। (b) $T>0 \mathrm{~K}$ पर, चार ऊष्मा-जनित इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म। भरे गए वृत्त ($\cdot$) इलेक्ट्रॉनों को और खाली वृत्त $(\bigcirc)$ छिद्रों को दर्शाते हैं।

उदाहरण 14.1 C, Si और Ge में एक ही जालक संरचना है। C विद्युतरोधी क्यों है जबकि $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ अंतर्गत अर्धचालक हैं?

हल C, Si या Ge के 4 बंधन इलेक्ट्रॉन क्रमशः दूसरी, तीसरी और चौथी कक्षा में स्थित हैं। इसलिए, इन परमाणुओं से एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा (अर्थात् आयनन ऊर्जा $E_{q}$) सबसे कम Ge के लिए होगी, फिर Si के लिए और सबसे अधिक C के लिए। इसलिए, Ge और Si में चालन के लिए स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की संख्या महत्वपूर्ण है, लेकिन C के लिए नगण्य रूप से कम है।

14.4 बाह्य अर्धचालक

एक अंतर्गत अर्धचालक की चालकता इसके तापमान पर निर्भर करती है, लेकिन कमरे के तापमान पर इसकी चालकता बहुत कम होती है। इस प्रकार, इन अर्धचालकों का उपयोग कर कोई महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक उपकरण विकसित नहीं किए जा सकते। इसलिए, इनकी चालकता में सुधार करना आवश्यक है। यह अशुद्धियों का उपयोग करके किया जा सकता है।

जब शुद्ध अर्धचालक में थोड़ी मात्रा, मान लीजिए कुछ भाग प्रति लाख (ppm), उपयुक्त अशुद्धि मिलाई जाती है, तो अर्धचालक की चालकता कई गुना बढ़ जाती है। ऐसे पदार्थों को बाह्य अर्धचालक या अशुद्धि अर्धचालक कहा जाता है। इच्छित अशुद्धि को जानबूझकर मिलाने को डोपिंग कहा जाता है और अशुद्धि परमाणुओं को डोपैंट कहा जाता है। ऐसे पदार्थ को डोप्ड अर्धचालक भी कहा जाता है। डोपैंट ऐसा होना चाहिए कि वह मूल शुद्ध अर्धचालक जालक को विकृत न करे। यह क्रिस्टल में मूल अर्धचालक परमाणुओं के केवल बहुत कुछ स्थानों पर ही कब्जा करता है। इसे प्राप्त करने के लिए एक आवश्यक शर्त यह है कि डोपैंट और अर्धचालक परमाणुओं के आकार लगभग समान होने चाहिए।

चतुष्फलक Si या Ge को डोप करने में दो प्रकार के डोपैंट प्रयुक्त होते हैं:

(i) पंचफलक (संयोजकता 5); जैसे आर्सेनिक (As), एन्टिमनी (Sb), फॉस्फोरस (P), आदि।

(ii) त्रिफलक (संयोजकता 3); जैसे इंडियम (In), बोरॉन (B), एल्युमिनियम (Al), आदि।

आकृति 14.7 (a) चतुष्क सिलिकॉन या जर्मेनियम में पंचसंयोजी दाता परमाणु (As, Sb, P आदि) मिलाकर n-प्रकार अर्धचालक बनाना, और (b) n-प्रकार पदार्थ की सामान्यतः प्रयुक्त आरेखीय प्रस्तुति जिसमें केवल प्रतिस्थापी दाताओं के स्थिर क्रियाकेन्द्र दिखाए गए हैं जिन पर एक अतिरिक्त प्रभावी धनावेश तथा उससे संबद्ध अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होता है।

अब हम चर्चा करेंगे कि डोपिंग अर्धचालकों में आवेश वाहकों की संख्या (और इसलिए चालकता) को कैसे बदलता है। Si या Ge आवर्त सारणी के चतुर्थ वर्ग से संबंधित है, और इसलिए हम डोपैंट तत्व का चयन निकटवर्ती पंचम या तृतीय वर्ग से करते हैं, यह अपेक्षा और ध्यान रखते हुए कि डोपैंट परमाणु का आकार लगभग Si या Ge के समान हो। रोचक बात यह है कि Si या Ge में पंचसंयोजी और त्रिसंयोजी डोपैंट दो पूर्णतः भिन्न प्रकार के अर्धचालक देते हैं जैसा नीचे चर्चा किया गया है।

(i) n-प्रकार अर्धचालक

मान लीजिए हम Si या Ge को एक पंचवालेंट (पाँच संयोजकता वाले) तत्व के साथ डोप करते हैं जैसा कि चित्र 14.7 में दिखाया गया है। जब +5 संयोजकता वाले तत्व का एक परमाणु Si के क्रिस्टल जालक में किसी परमाणु की स्थिति पर कब्जा करता है, तो उसके चार इलेक्ट्रॉन चार सिलिकॉन पड़ोसियों के साथ बंधन बनाते हैं जबकि पाँचवाँ इलेक्ट्रॉन अपने मूल परमाणु से बहुत कमजोर रूप से बंधा रहता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बंधन में भाग लेने वाले चार इलेक्ट्रॉन पाँचवें इलेक्ट्रॉन द्वारा परमाणु के प्रभावी कोर का हिस्सा माने जाते हैं। परिणामस्वरूप इस इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक आयनन ऊर्जा बहुत कम होती है और कमरे के तापमान पर भी वह अर्धचालक के जालक में स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए मुक्त होगा। उदाहरण के लिए, इस इलेक्ट्रॉन को परमाणु से अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा जर्मेनियम के लिए ~0.01 eV और सिलिकॉन के लिए 0.05 eV है। यह उस ऊर्जा के विपरीत है जो निषिद्ध बैंड को पार करने के लिए आवश्यक होती है (जर्मेनियम के लिए लगभग 0.72 eV और सिलिकॉन के लिए लगभग 1.1 eV) कमरे के तापमान पर अंतर्जात अर्धचालक में। इस प्रकार, पंचवालेंट डोपेंट चालन के लिए एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन दान करता है और इसलिए इसे दाता अशुद्धि (donor impurity) कहा जाता है। डोपेंट परमाणुओं द्वारा चालन के लिए उपलब्ध कराए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या डोपिंग स्तर पर दृढ़ता से निर्भर करती है और परिवेशी तापमान में किसी भी वृद्धि से स्वतंत्र होती है। दूसरी ओर, Si परमाणुओं द्वारा उत्पन्न मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या (समान संख्या में छिद्रों के साथ) तापमान के साथ मामूली रूप से बढ़ती है।

एक डोप्ड अर्धचालक में चालक इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या $n_{e}$ दाताओं द्वारा योगदान किए गए इलेक्ट्रॉनों और आंतरिक रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों के कारण होती है, जबकि छिद्रों की कुल संख्या $n_{h}$ केवल आंतरिक स्रोत से आए छिद्रों के कारण होती है। लेकिन छिद्रों के पुनर्संयोजन की दर इलेक्ट्रॉनों की संख्या में वृद्धि के कारण बढ़ जाएगी। परिणामस्वरूप, छिद्रों की संख्या और भी कम हो जाएगी।

इस प्रकार, उचित स्तर के डोपिंग के साथ चालक इलेक्ट्रॉनों की संख्या को छिद्रों की संख्या से कहीं अधिक बनाया जा सकता है। इसलिए पेंटावेलेंट अशुद्धि से डोप किए गए बाह्य अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक वाहक बन जाते हैं और छिद्र अल्पसंख्यक वाहक बन जाते हैं। इन अर्धचालकों को इसलिए n-प्रकार के अर्धचालक कहा जाता है। n-प्रकार के अर्धचालकों के लिए, हमारे पास,

$$ \begin{equation*} n_{e} > > n_{h} \tag{14.3} \end{equation*} $$

(ii) p-प्रकार अर्धचालक

चित्र 14.8 (a) त्रिसंयोजी स्वीकारक परमाणु (In, Al, B आदि) को चतुःसंयोजी Si या Ge जालक में मिलाकर p-प्रकार का अर्धचालक बनाना। (b) सामान्यतः प्रयुक्त p-प्रकार पदार्थ की आरेखीय प्रस्तुति जो केवल प्रतिस्थापी स्वीकारक के स्थिर केन्द्रक को एक प्रभावी अतिरिक्त ऋण आवेश तथा उसके संबद्ध छिद्र के साथ दर्शाती है। यह तब प्राप्त होता है जब Si या Ge को Al, B, In आदि जैसे त्रिसंयोजी अशुद्धि के साथ डोप किया जाता है। डोपेंट में Si या Ge की तुलना में एक संयोजी इलेक्ट्रॉन कम होता है और इसलिए यह परमाणु पड़ोसी तीन Si परमाणुओं के साथ सहसंयोजी बंध बना सकता है परंतु चौथे Si परमाणु को देने के लिए कोई इलेक्ट्रॉन नहीं रखता। इस प्रकार चौथे पड़ोसी और त्रिसंयोजी परमाणु के बीच बंध में एक रिक्ति या छिद्र होता है जैसा कि चित्र 14.8 में दिखाया गया है। चूँकि जालक में पड़ोसी Si परमाणु को छिद्र के स्थान पर एक इलेक्ट्रॉन चाहिए होता है, इसलिए पड़ोसी किसी परमाणु की बाह्य कक्षा में स्थित इलेक्ट्रॉन इस रिक्ति को भरने के लिए कूद सकता है, अपने स्वयं के स्थान पर एक रिक्ति या छिद्र छोड़कर। इस प्रकार छिद्र चालन के लिए उपलब्ध हो जाता है। ध्यान दें कि त्रिसंयोजी विदेशी परमाणु जब चौथे इलेक्ट्रॉन को पड़ोसी Si परमाणु के साथ साझा करता है तो प्रभावी रूप से ऋण आवेशित हो जाता है। इसलिए p-प्रकार पदार्थ का डोपेंट परमाणु एक ऋण आवेश के केन्द्रक के रूप में तथा उसके संबद्ध छिद्र के साथ माना जा सकता है जैसा कि चित्र 14.8(b) में दिखाया गया है। यह स्पष्ट है कि एक स्वीकारक परमाणु एक छिद्र देता है। ये छिद्र अंतर्जात रूप से उत्पन्न छिद्रों के अतिरिक्त होते हैं जबकि चालन इलेक्ट्रॉनों का स्रोत केवल अंतर्जात उत्पत्ति है। इस प्रकार, ऐसे पदार्थ के लिए छिद्र बहुसंख्यक वाहक होते हैं और इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक वाहक होते हैं। इसलिए त्रिसंयोजी अशुद्धि से डोपित बाह्य अर्धचालकों को p-प्रकार अर्धचालक कहा जाता है। p-प्रकार अर्धचालकों के लिए पुनर्योजन प्रक्रिया अंतर्जात रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों की संख्या (n_i) को n_e तक घटा देगी। हमारे पास p-प्रकार अर्धचालकों के लिए

$$ \begin{equation*} n_{h} > > n_{e} \tag{14.4} \end{equation*} $$

ध्यान दें कि क्रिस्टल समग्र रूप से आवेश उदासीन बना रहता है क्योंकि अतिरिक्त आवेश वाहकों का आवेश जालक में आयनित कोरों के आवेश के बराबर और विपरीत होता है।

आकृति 14.8 (a) त्रिसंयोजी ग्राही परमाणु (In, Al, B आदि) को चतुःसंयोजी Si या Ge जालक में डोप करके p-type अर्धचालक बनाना। (b) p-type पदार्थ की सामान्यतः प्रयुक्त आरेखीय निरूपण जो केवल प्रतिस्थापी ग्राही के स्थिर कोर को एक प्रभावी अतिरिक्त ऋणात्मक आवेश और उससे संबद्ध छिद्र के साथ दिखाता है।

बाह्य अर्धचालकों में, बहुसंख्यक धारा वाहकों की प्रचुरता के कारण, उष्मागत रूप से उत्पन्न अल्पसंख्यक वाहकों को बहुसंख्यक वाहकों से मिलने और इस प्रकार नष्ट होने की अधिक संभावना होती है। इसलिए, डोपैंट एक प्रकार के बड़ी संख्या में धारा वाहकों को जोड़कर, जो बहुसंख्यक वाहक बन जाते हैं, परोक्ष रूप से अल्पसंख्यक वाहकों की आंतरिक सांद्रता को घटाने में सहायता करता है।

अर्धचालक की ऊर्जा बैंड संरचना पर डोपिंग प्रभाव डालती है। बाह्य अर्धचालकों के मामले में, दातु अशुद्धियों $\left(E_{D}\right)$ और स्वीकार अशुद्धियों $\left(E_{A}\right)$ के कारण अतिरिक्त ऊर्जा अवस्थाएँ भी मौजूद होती हैं। n-type $\mathrm{Si}$ अर्धचालक की ऊर्जा बैंड आरेख में, दातु ऊर्जा स्तर $E_{D}$ चालकता बैंड के तल $E_{\mathrm{C}}$ से थोड़ा नीचे होता है और इस स्तर से इलेक्ट्रॉन बहुत कम ऊर्जा की आपूर्ति से चालकता बैंड में चले जाते हैं। कमरे के तापमान पर, अधिकांश दातु परमाणु आयनित हो जाते हैं लेकिन बहुत कम $\left(\sim 10^{12}\right)$ Si परमाणु आयनित होते हैं। इसलिए चालकता बैंड में अधिकांश इलेक्ट्रॉन दातु अशुद्धियों से आते हैं, जैसा कि चित्र 14.9(a) में दिखाया गया है। इसी प्रकार, p-type अर्धचालक के लिए, स्वीकार ऊर्जा स्तर $E_{A}$ संयोजकता बैंड के शीर्ष $E_{V}$ से थोड़ा ऊपर होता है जैसा कि चित्र 14.9(b) में दिखाया गया है। बहुत कम ऊर्जा की आपूर्ति से संयोजकता बैंड का एक इलेक्ट्रॉन स्तर $E_{A}$ पर कूद सकता है और स्वीकार को ऋणात्मक रूप से आयनित कर सकता है। (वैकल्पिक रूप से, हम यह भी कह सकते हैं कि बहुत कम ऊर्जा की आपूर्ति से स्तर $E_{A}$ से छिद्र संयोजकता बैंड में नीचे उतर जाता है। इलेक्ट्रॉन ऊपर चढ़ते हैं और छिद्र नीचे उतरते हैं जब वे बाहरी ऊर्जा प्राप्त करते हैं।) कमरे के तापमान पर, अधिकांश स्वीकार परमाणु आयनित हो जाते हैं जिससे संयोजकता बैंड में छिद्र छोड़ देते हैं। इस प्रकार कमरे के तापमान पर संयोजकता बैंड में छिद्रों की घनत्व मुख्य रूप से बाह्य अर्धचालक में अशुद्धि के कारण होती है। तापीय साम्यावस्था में अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन और छिद्र सांद्रता इस प्रकार दी जाती है

$$ \begin{equation*} n_{e} n_{h}=n_{i}^{2} \tag{14.5} \end{equation*} $$

यद्यपि उपरोक्त विवरण सक्रिय रूप से अनुमानित और काल्पनिक है, यह धातुओं, इन्सुलेटरों और अर्धचालकों (बाह्य और आंतरिक) के बीच अंतर को सरल तरीके से समझने में मदद करता है। C, Si और Ge की प्रतिरोधकता में अंतर उनकी चालक और संयोजक बैंडों के बीच ऊर्जा अंतराल पर निर्भर करता है। C (हीरा), Si और Ge के लिए ऊर्जा अंतराल क्रमशः 5.4 eV, 1.1 eV और 0.7 eV हैं। Sn भी समूह IV का तत्व है, लेकिन यह एक धातु है क्योंकि इसके मामले में ऊर्जा अंतराल 0 eV है।

चित्र 14.9 (a) n-प्रकार के अर्धचालक की ऊर्जा बैंडें T>0 K पर, (b) p-प्रकार के अर्धचालक की ऊर्जा बैंडें T>0 K पर।

उदाहरण 14.2 मान लीजिए एक शुद्ध Si क्रिस्टल में 5 × 10^{28} परमाणु m^{-3} हैं। इसे पेंटावेलेंट As के 1 ppm सांद्रता से डोप किया जाता है। इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या की गणना कीजिए। दिया गया है कि n_{i}=1.5 × 10^{16} m^{-3}।

हल ध्यान दें कि ऊष्मीय रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन (n_{i} ~ 10^{16} m^{-3}) डोपिंग द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों की तुलना में नगण्य हैं। इसलिए, n_{e} ≈ N_{D}।

चूँकि (n_{e} n_{h}=n_{i}^{2}), इसलिए छिद्रों की संख्या

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

(\approx 4.5 \times 10^{9} \mathrm{~m}^{-3})

14.5 p-n जंक्शन

p-n जंक्शन अनेक अर्धचालक युक्तियों—जैसे डायोड, ट्रांजिस्टर आदि—का आधारभूत घटक है। जंक्शन के व्यवहार को स्पष्टतः समझना अन्य अर्धचालक युक्तियों के कार्यविधि के विश्लेषण के लिए आवश्यक है। अब हम यह समझने का प्रयास करेंगे कि एक जंक्शन कैसे बनता है और बाह्य वोल्टता (जिसे बायस भी कहते हैं) के प्रभाव में यह जंक्शन कैसा व्यवहार करता है।

14.5.1 p-n जंक्शन का निर्माण

एक पतले p-type सिलिकॉन (p-Si) अर्धचालक वेफर पर विचार करें। यदि इसमें सटीक मात्रा में पाँच-संयोजी (pentavalent) अशुद्धि मिलाई जाए, तो p-Si वेफर का एक भाग n-Si में रूपांतरित किया जा सकता है। अर्धचालक को बनाने की कई प्रक्रियाएँ हैं। अब वेफर में p-क्षेत्र और n-क्षेत्र होते हैं, तथा p- और n-क्षेत्रों के बीच एक धातुकर्म जंक्शन (metallurgical junction) बन जाता है।

p-n जंक्शन बनने के दौरान दो महत्वपूर्ण प्रक्रियाएँ होती हैं: विसरण और अभिकर्षण। हम जानते हैं कि n-type अर्धचालक में, इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता (प्रति इकाई आयतन इलेक्ट्रॉनों की संख्या) छिद्रों की सांद्रता की तुलना में अधिक होती है। इसी प्रकार, p-type अर्धचालक में, छिद्रों की सांद्रता इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता से अधिक होती है। $\mathrm{p}-\mathrm{n}$ जंक्शन के निर्माण के दौरान, और $\mathrm{p}$- और $\mathrm{n}$- पक्षों के बीच सांद्रता प्रवणता के कारण, छिद्र $\mathrm{p}$-पक्ष से $\mathrm{n}$-पक्ष की ओर $(\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n})$ विसरित होते हैं और इलेक्ट्रॉन $\mathrm{n}$-पक्ष से $\mathrm{p}$-पक्ष की ओर $(\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p})$ विसरित होते हैं। आवेश वाहकों की यह गति जंक्शन के पार विसरण धारा उत्पन्न करती है।

जब कोई इलेक्ट्रॉन $\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}$ विसरित होता है, तो यह $\mathrm{n}$-पक्ष पर एक आयनित दाता को पीछे छोड़ता है। यह आयनित दाता (धनात्मक आवेश) स्थिर होता है क्योंकि यह आसपास के परमाणुओं से बंधा होता है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन $\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}$ विसरित होते रहते हैं, जंक्शन के $\mathrm{n}$-पक्ष पर धनात्मक आवेश की एक परत (या धनात्मक स्थान-आवेश क्षेत्र) विकसित हो जाती है।

इसी प्रकार, जब एक होल सांद्रता प्रवणता के कारण $\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n}$ की ओर विसरित होता है, तो यह एक आयनित स्वीकारक (ऋण आवेश) को पीछे छोड़ता है जो गतिहीन है। जैसे-जैसे होल विसरित होते रहते हैं, संधि के p-पक्ष पर एक ऋण आवेश की परत (या ऋण अंतरिक्ष-आवेश क्षेत्र) विकसित हो जाती है। संधि के दोनों ओर यह अंतरिक्ष-आवेश क्षेत्र मिलकर विप्लावन क्षेत्र कहलाता है क्योंकि संधि के पार प्रारंभिक गति में भाग लेने वाले इलेक्ट्रॉन और होल इस क्षेत्र को मुक्त आवेशों से रिक्त कर देते हैं (चित्र 14.10)। विप्लावन क्षेत्र की मोटाई लगभग दसवें हिस्से माइक्रोमीटर के क्रम की होती है। संधि के n-पक्ष पर धनात्मक अंतरिक्ष-आवेश क्षेत्र और p-पक्ष पर ऋण अंतरिक्ष-आवेश क्षेत्र के कारण, धनात्मक आवेश से ऋण आवेश की ओर निर्दिष्ट एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है। इस क्षेत्र के कारण, संधि के p-पक्ष पर एक इलेक्ट्रॉन n-पक्ष की ओर जाता है और n-पक्ष पर एक होल p-पक्ष की ओर जाता है। विद्युत क्षेत्र के कारण आवेश वाहकों की गति को अपवाह कहा जाता। इस प्रकार एक अपवाह धारा, जो विसरण धारा की विपरीत दिशा में होती है (चित्र 14.10), प्रारंभ होती है।

चित्र 14.10 p-n संधि निर्माण प्रक्रिया।

चित्र 14.11 (a) साम्यावस्था में डायोड $(V=0)$, (b) बिना अभिनति के अवरोध विभव।

प्रारंभ में, विसरण धारा बड़ी होती है और अपवाह धारा छोटी होती है। जैसे-जैसे विसरण प्रक्रिया जारी रहती है, संधि के दोनों ओर स्थान-आवेश क्षेत्र फैलते हैं, जिससे विद्युत क्षेत्र की तीव्रता बढ़ती है और अपवाह धारा बढ़ती है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक विसरण धारा अपवाह धारा के बराबर नहीं हो जाती। इस प्रकार एक p-n संधि बनती है। साम्यावस्था में p-n संधि में कोई शुद्ध धारा नहीं होती है।

n-क्षेत्र से इलेक्ट्रॉनों की हानि और p-क्षेत्र द्वारा इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति के कारण दोनों क्षेत्रों की संधि पर विभव का अंतर उत्पन्न होता है। इस विभव की ध्रुवता वाहकों के आगे प्रवाह का विरोध करने वाली होती है ताकि साम्यावस्था की स्थिति बनी रहे। चित्र 14.11 साम्यावस्था में p-n संधि और संधि पर विभव को दर्शाता है। n-पदार्थ ने इलेक्ट्रॉनों को खो दिया है, और p-पदार्थ ने इलेक्ट्रॉन प्राप्त किए हैं। इस प्रकार n-पदार्थ, p-पदार्थ के सापेक्ष धनात्मक है। चूँकि यह विभव n-क्षेत्र से p-क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की गति को रोकने का प्रयास करता है, इसे अक्सर अवरोध विभव कहा जाता है।

उदाहरण 14.3 क्या हम एक p-type अर्धचालक के एक स्लैब को लेकर उसे किसी n-type अर्धचालक से भौतिक रूप से जोड़कर p-n जंक्शन प्राप्त कर सकते हैं?

हल

नहीं! कोई भी स्लैब, चाहे जितना भी समतल हो, उसकी सतह की खुरदरापन अंतर-परमाणु क्रिस्टल अंतराल (~2 से 3 Å) से बहुत अधिक होगा और इसलिए परमाणु स्तर पर निरंतर संपर्क संभव नहीं होगा। जंक्शन प्रवाहित आवेश वाहकों के लिए एक असांतत्य के रूप में व्यवहार करेगा।

14.6 अर्धचालक डायोड

एक अर्धचालक डायोड [चित्र 14.12(a)] मूलतः एक p-n जंक्शन होता है जिसके सिरों पर धातु संपर्क प्रदान किए जाते हैं ताकि बाह्य वोल्टेज लगाया जा सके। यह एक द्वि-टर्मिनल युक्ति है। p-n जंक्शन डायोड को प्रतीकात्मक रूप से चित्र 14.12(b) में दिखाए अनुसार दर्शाया जाता है।

तीर की दिशा धारा की पारंपरिक दिशा को दर्शाती है (जब डायोड अग्र बायस में होता है)। साम्यावस्था अवरोध विभव को डायोड के पार लगाए गए बाह्य वोल्टेज $V$ द्वारा बदला जा सकता है। p-n जंक्शन डायोड की साम्यावस्था (बिना बायस) की स्थिति चित्र 14.11(a) और (b) में दिखाई गई है।

चित्र 14.12 (a) अर्धचालक डायोड, (b) p-n जंक्शन डायोड का प्रतीक

14.6.1 अग्र बायस में p-n जंक्शन डायोड

जब एक अर्धचालक डायोड के पार कोई बाह्य वोल्टता $V$ इस प्रकार लगाई जाती है कि $\mathrm{p}$-भाग बैटरी के धनात्मक टर्मिनल से और n-भाग ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा हो [चित्र 14.13(a)], तो इसे अग्र बायसित (forward biased) कहा जाता है।

लगाई गई वोल्टता अधिकतर अवनमन क्षेत्र (depletion region) के पार गिरती है और संधि के $\mathrm{p}$-भाग तथा $\mathrm{n}$-भाग पर वोल्टता-पतन नगण्य होता है। (ऐसा इसलिए है क्योंकि अवनमन क्षेत्र – एक ऐसा क्षेत्र जहाँ कोई आवेश नहीं हैं – का प्रतिरोध n-भाग और p-भाग के प्रतिरोध की तुलना में बहुत अधिक है।) लगाई गई वोल्टता $(V)$ की दिशा अंतर्निहित विभव $V_{0}$ के विपरीत है। परिणामस्वरूप, अवनमन परत की चौड़ाई घट जाती है और अवरोध ऊँचाई कम हो जाती है [चित्र 14.13(b)]। अग्र बायस के अंतर्गत प्रभावी अवरोध ऊँचाई $\left(V_{0}-V\right)$ होती है।

चित्र 14.13 (a) अग्र बायस के अंतर्गत p-n संधि डायोड, (b) अवरोध विभव (1) बैटरी के बिना, (2) निम्न बैटरी वोल्टता, और (3) उच्च वोल्टता बैटरी।

यदि लगाया गया वोल्टता कम है, तो बैरियर विभव केवल थोड़ा-सा साम्यावस्था मान से नीचे घटेगा, और पदार्थ में केवल वही थोड़े-से वाहक—जो संयोग से उच्चतम ऊर्जा स्तरों पर हों—के पास जंक्शन पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होगी। इसलिए धारा बहुत कम होगी। यदि हम लगायी गयी वोल्टता को उल्लेखनीय रूप से बढ़ा दें, तो बैरियर ऊँचाई घट जाएगी और अधिक संख्या में वाहकों के पास आवश्यक ऊर्जा होगी। इस प्रकार धारा बढ़ जाती है।

लगायी गयी वोल्टता के कारण, n-पक्ष के इलेक्ट्रॉन विप्लाव क्षेत्र को पार कर p-पक्ष तक पहुँचते हैं (जहाँ वे अल्पसंख्यक वाहक होते हैं)। इसी प्रकार, p-पक्ष के छिद्र जंक्शन को पार कर n-पक्ष तक पहुँचते हैं (जहाँ वे अल्पसंख्यक वाहक होते हैं)। अग्र बायस में यह प्रक्रिया अल्पसंख्यक वाहक इंजेक्शन कहलाती है। जंक्शन सीमा पर, प्रत्येक ओर, जंक्शन से दूर स्थानों की तुलना में अल्पसंख्यक वाहक सांद्रता उल्लेखनीय रूप से बढ़ जाती है।

इस सांद्रता अंतर के कारण, p-पक्ष पर इंजेक्ट किए गए इलेक्ट्रॉन p-पक्ष के जंक्शन किनारे से p-पक्ष के दूसरे सिरे तक विसरित होते हैं। इसी तरह, n-पक्ष पर इंजेक्ट किए गए छिद्र n-पक्ष के जंक्शन किनारे से n-पक्ष के दूसरे सिरे तक विसरित होते हैं (चित्र 14.14)। आवेशित वाहकों की किसी भी ओर यह गति धारा उत्पन्न करती है। डायोड की कुल अग्र धारा छिद्र विसरण धारा और इलेक्ट्रॉन विसरण के कारण पारंपरिक धारा का योग है। इस धारा का परिमाण सामान्यतः mA में होता है।

14.6.2 विपरीत अभिनत अवस्था में p-n संधि डायोड

जब बाह्य वोल्टता $(V)$ डायोड के पार इस प्रकार लगाई जाती है कि $\mathrm{n}$-भुज धनात्मक और $\mathrmp$-भुज ऋणात्मक हो, तो इसे विपरीत अभिनत कहा जाता है [चित्र 14.15 (a)]। लगाई गई वोल्टता अधिकांशतः विप्लाव क्षेत्र में गिरती है। लगाई गई वोल्टता की दिशा अवरोध विभव की दिशा के समान है। परिणामस्वरूप, अवरोध ऊँचाई बढ़ जाती है और विप्लाव क्षेत्र विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन के कारण चौड़ा हो जाता है। विपरीत अभिनत अवस्था में प्रभावी अवरोध ऊँचाई $\left(V_{0}+V\right)$ होती है, [चित्र 14.15(b)]। यह $\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}$ से इलेक्ट्रॉनों और $\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n}$ से छिद्रों के प्रवाह को दबाता है। इस प्रकार, विसरण धारा अग्र अभिनत डायोड की तुलना में असाधारण रूप से घट जाती है।

चित्र 14.14 अग्र अभिनत अल्पसंख्यक वाहक इंजेक्शन।

संधि का विद्युत-क्षेत्र इस प्रकार है कि यदि $\mathrm{p}$-भाग के इलेक्ट्रॉन या $\mathrm{n}$-भाग के छिद्र अपने यादृच्छिक गति में संधि के पास आते हैं, तो वे अपने बहुलता-क्षेत्र में खिंच लिए जाते हैं। वाहकों का यह ड्रिफ्ट धारा उत्पन्न करता है। ड्रिफ्ट धारा कुछ $\mu$ A के क्रम की होती है। यह काफी कम है क्योंकि यह वाहकों के अल्पता-भाग से बहुलता-भाग की ओर संधि पार करने के कारण होती है। अग्र झुकाव में भी ड्रिफ्ट धारा होती है, परंतु यह नगण्य $(\mu \mathrm{A})$ होती है जब इसकी तुलना इंजेक्ट किए गए वाहकों की धारा से की जाती है जो सामान्यतः mA में होती है।

चित्र 14.15 (a) प्रतिलोम झुकाव में डायोड, (b) प्रतिलोम झुकाव में अवरोध विभव।

डायोड का रिवर्स करंट लगाए गए वोल्टेज पर बहुत अधिक निर्भर नहीं करता है। एक छोटा-सा वोल्टेज भी अल्पसंख्यक वाहकों को जंक्शन के एक ओर से दूसरी ओर खींचने के लिए पर्याप्त होता है। करंट लगाए गए वोल्टेज की मात्रा से सीमित नहीं होता, बल्कि जंक्शन के दोनों ओर अल्पसंख्यक वाहकों की सांद्रता के कारण सीमित होता है।
रिवर्स बायस के तहत करंट आलोच्य रिवर्स बायस वोल्टेज, जिसे ब्रेकडाउन वोल्टेज $\left(V_{b r}\right)$ कहा जाता है, तक अनिवार्य रूप से वोल्टेज से स्वतंत्र होता है। जब $V=V_{b r}$, डायोड का रिवर्स करंट तेजी से बढ़ जाता है। बायस वोल्टेज में थोड़ी-सी वृद्धि भी करंट में बड़ा बदलाव ला देती है। यदि रिवर्स करंट को बाह्य परिपथ द्वारा निर्धारित मान (निर्माता द्वारा निर्दिष्ट) से नीचे सीमित नहीं किया जाता है, तो $\mathrm{p}-\mathrm{n}$ जंक्शन नष्ट हो जाएगा। एक बार जब यह निर्धारित मान से अधिक हो जाता है, तो डायोड अधिक गरम होने के कारण नष्ट हो जाता है। यह तब भी हो सकता है जब डायोड फॉरवर्ड बायस में हो, यदि फॉरवर्ड करंट निर्धारित मान से अधिक हो जाए।

डायोड की V-I विशेषताओं (अर्थात् लगाए गए वोल्टेज के फलस्वरूप धारा में होने वाले परिवर्तन) का अध्ययन करने के लिए परिपथ व्यवस्था आकृति 14.16(a) और (b) में दिखाई गई है। बैटरी को डायोड से एक पोटेंशियोमीटर (या रियोस्टेट) के माध्यम से जोड़ा जाता है ताकि डायोड पर लगाया गया वोल्टेज बदला जा सके। वोल्टेज के विभिन्न मानों के लिए धारा का मान नोट किया जाता है। $V$ और $I$ के बीच एक ग्राफ आकृति 14.16(c) के अनुसार प्राप्त होता है। ध्यान दीजिए कि अग्र बायस मापन में हम एक मिलियामीटर का उपयोग करते हैं क्योंकि अपेक्षित धारा बड़ी होती है (जैसा कि पिछले भाग में समझाया गया है), जबकि प्रतिलोम बायस में धारा मापने के लिए एक माइक्रोअमीटर का उपयोग किया जाता है। आप आकृति 14.16(c) में देख सकते हैं कि अग्र

अग्रदिशाबद्धता में, धारा पहले बहुत धीरे-धीरे, लगभग नगण्य रूप से बढ़ती है, जब तक कि डायोड के पार वोल्टेज एक निश्चित मान को पार नहीं कर जाता। इस विशिष्ट वोल्टेज के बाद, डायोड धारा उल्लेखनीय रूप से (घातांकीय रूप से) बढ़ जाती है, यहाँ तक कि डायोड की अग्रदिशाबद्धता वोल्टेज में बहुत छोटी वृद्धि के लिए भी। इस वोल्टेज को थ्रेशोल्ड वोल्टेज या कट-इन वोल्टेज ($\sim 0.2 \mathrm{~V}$ जर्मेनियम डायोड के लिए और $\sim 0.7 \mathrm{~V}$ सिलिकॉन डायोड के लिए) कहा जाता है।

डायोड की प्रतिदिशाबद्धता में, धारा बहुत कम $(\sim \mu \mathrm{A})$ होती है और बदशाबद्धता में परिवर्तन के साथ लगभग स्थिर रहती है। इसे रिवर्स सैचुरेशन धारा कहा जाता है। हालांकि, विशेष स्थितियों में, बहुत अधिक प्रतिदिशाबद्धता (ब्रेकडाउन वोल्टेज) पर, धारा अचानक बढ़ जाती है। डायोड की इस विशेष क्रिया की चर्चा बाद में खंड 14.8 में की गई है। सामान्य प्रयोजन वाले डायोड रिवर्स सैचुरेशन धारा क्षेत्र से परे उपयोग नहीं किए जाते हैं।

उपरोक्त चर्चा दर्शाती है कि $\mathrm{p}-\mathrm{n}$ जंक्शन डायोड मुख्यतः केवल एक दिशा में (अग्रदिशाबद्धता में) धारा प्रवाहित होने देता है। अग्रदिशाबद्धता प्रतिरोध, प्रतिदिशाबद्धता प्रतिरोध की तुलना में कम होता है। यह गुण ac वोल्टेज के रेक्टिफिकेशन के लिए उपयोग किया जाता है जैसा कि अगले खंड में चर्चा की गई है। डायोड के लिए, हम एक राशि को गतिशील प्रतिरोध कहते हैं जो वोल्टेज में छोटे परिवर्तन $\Delta \mathrm{V}$ से धारा में छोटे परिवर्तन $\Delta \mathrm{I}$ का अनुपात होता है:

$$ \begin{equation*} r_{d}=\frac{\Delta V}{\Delta I} \tag{14.6} \end{equation*} $$

उदाहरण 14.4 सिलिकॉन डायोड की V-I विशेषता आकृति 14.17 में दिखाई गई है। डायोड का प्रतिरोध (a) $I_{D}=15 \mathrm{~mA}$ और (b) $V_{D}=-10 \mathrm{~V}$ पर परिकलित कीजिए।

>

आकृति 14.17

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

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

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

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

इसलिए,

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

14.7 संधि डायोड का एक रेक्टिफायर के रूप में अनुप्रयोग

संधि डायोड की V-I विशेषता से हम देखते हैं कि यह धारा को केवल तभी प्रवाहित होने देता है जब यह अग्रदिष्ट अवस्था में होता है। इसलिए यदि एक डायोड के पार एक प्रत्यावर्ती वोल्टता लगाई जाती है तो धारा केवल उस चक्र के भाग में प्रवाहित होती है जब डायोड अग्रदिष्ट अवस्था में होता है। यह गुण प्रत्यावर्ती वोल्टता को समायोजित करने के लिए उपयोग किया जाता है और इस उद्देश्य के लिए उपयोग किया जाने वाला परिपथ एक रेक्टिफायर कहलाता है।

यदि किसी डायोड को किसी लोड के साथ श्रेणी में जोड़कर उस पर एक प्रत्यावर्ती (AC) वोल्टेज लगाया जाए, तो लोड के पार केवल उन अर्ध-चक्रों के दौरान एक स्पंदित वोल्टेज प्राप्त होगा जब डायोड अग्रदिशाएं अभिनत (forward biased) होता है। ऐसे परिपथ को, जैसा कि चित्र 14.18 में दिखाया गया है, अर्ध-तरंग (half-wave) रेक्टिफायर कहा जाता है। ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक कुंडली टर्मिनल A और B के बीच वांछित AC वोल्टेज प्रदान करती है। जब A पर वोल्टेज धनात्मक होता है, तो डायोड अग्रदिशाएं अभिनत होता है और चालन करता है। जब A ऋणात्मक होता है, तो डायोड प्रतिदिशाएं अभिनत (reverse-biased) होता है और चालन नहीं करता है। डायोड का प्रतिलोम संतृप्ति धारा (reverse saturation current) नगण्य होता है और व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए शून्य माना जा सकता है। (डायोड के प्रतिलोम विनाश वोल्टेज़ को ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक कुंडली पर प्राप्त शिखर AC वोल्टेज से काफी अधिक होना चाहिए ताकि डायोड प्रतिलोम विनाश से सुरक्षित रहे।)

इसलिए, ac के धनात्मक अर्धचक्र में लोड प्रतिरोधक $R_{L}$ से धारा प्रवाहित होती है और हम आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करते हैं, जैसा कि चित्र 14.18(b) में दिखाया गया है, जबकि ऋणात्मक अर्धचक्र में कोई धारा नहीं होती। अगले धनात्मक अर्धचक्र में, फिर से हम आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करते हैं। इस प्रकार, आउटपुट वोल्टेज, यद्यपि अभी भी परिवर्तनशील है, केवल एक दिशा तक सीमित है और इसे रेक्टीफाइड कहा जाता है। चूँकि इस परिपथ का रेक्टीफाइड आउटपुट केवल आगत ac तरंग के आधे भाग के लिए होता है, इसे अर्ध-तरंग रेक्टीफायर कहा जाता है।

दो डायोडों का उपयोग करने वाला परिपथ, जो चित्र 14.19(a) में दिखाया गया है, आउटपुट में दोनों—धनात्मक और ऋणात्मक—अर्धचक्रों के लिए सुधारित वोल्टेज देता है। इसलिए इसे पूर्ण-तरंग सुधारक (full-wave rectifier) कहा जाता है। यहाँ दोनों डायोडों की p-भुजा ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक कुंडली के सिरों से जुड़ी है। डायोडों की n-भुजा आपस में जोड़ी गई हैं और आउटपुट इनके सामान्य बिन्दु तथा ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक कुंडली के मध्य-बिन्दु के बीच लिया जाता है। इसलिए पूर्ण-तरंग सुधारक के लिए ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक कुंडली को केंद्र-टैप (centre-tap) दिया जाता है और इसे केंद्र-टैप ट्रांसफॉर्मर कहा जाता है। चित्र 14.19(c) से स्पष्ट है कि प्रत्येक डायोड द्वारा सुधारित वोल्टेज कुल द्वितीयक वोल्टेज की केवल आधी होती है। प्रत्येक डायोड केवल अर्धचक्र के लिए सुधार करता है, पर दोनों डायोड क्रमागत चक्रों के लिए ऐसा करते हैं। इस प्रकार उनके सामान्य टर्मिनल और ट्रांसफॉर्मर के केंद्र-टैप के बीच आउटपुट पूर्ण-तरंग सुधारित आउटपुट बन जाता है। (ध्यान दें कि पूर्ण-तरंग सुधारक का एक अन्य परिपथ भी है जिसे केंद्र-टैप ट्रांसफॉर्मर की आवश्यकता नहीं होती, पर चार डायोडों की आवश्यकता होती है।)

मान लीजिए किसी क्षण केंद्र-टैप के सापेक्ष A पर इनपुट वोल्टेध धनात्मक है। यह स्पष्ट है कि उसी क्षण B पर वोल्टेज, चरण-विपरीत होने के कारण, ऋणात्मक होगी जैसा चित्र 14.19(b) में दिखाया गया है। इसलिए डायोड D₁ अग्रदिश बायसित होकर चालन करता है (जबकि D₂ प्रतिलोम दिशा में बायसित होने से चालन नहीं करता)। इस प्रकार इस धनात्मक अर्धचक्र के दौरान हमें आउटपुट धारा (तथा भार प्रतिरोध R_L पर आउटपुट वोल्टेज) मिलती है जैसा चित्र 14.19(c) में दिखाया गया है। जब AC चक्र में A पर वोल्टेज केंद्र-टैप के सापेक्ष ऋणात्मक हो जाती है, तब B पर वोल्टेज धनात्मक होगी। चक्र के इस भाग में डायोड D₁ चालन नहीं करेगा पर डायोड D₂ करेगा, जिससे ऋणात्मक अर्धचक्र के दौरान भी आउटपुट धारा और आउटपुट वोल्टेज (R_L पर) प्राप्त होती है। इस प्रकार हमें चक्र के धनात्मक तथा ऋणात्मक दोनों अर्धचक्रों के दौरान आउटपुट वोल्टेज मिलती है। स्पष्टतः यह अर्ध-तरंग सुधारक की तुलना में सुधरित वोल्टेज या धारा प्राप्त करने के लिए अधिक दक्ष परिपथ है।

अनुवाद:

चित्र 14.19 (a) एक पूर्ण-तरंग दिष्टकारी परिपथ;
(b) डायोड D₁ को बिन्दु A पर तथा डायोड D₂ को बिन्दु B पर दी गई इनपुट तरंग आकृतियाँ;
(c) पूर्ण-तरंग दिष्टकारी परिपथ से जुड़े भार R_L के पार प्राप्त आउटपुट तरंग आकृति।

दिष्टकारित वोल्टेज अर्ध-साइनसॉइड आकृति के दालों के रूप में होता है। यद्यपि यह एकदिशीय है, इसकी स्थिर मान नहीं होता। इन स्पंदित वोल्टेज से स्थिर DC आउटपुट प्राप्त करने के लिए सामान्यतः आउटपुट टर्मिनलों के पार (भार R_L के समानान्तर) एक संधारक (कैपेसिटर) जोड़ा जाता है। इसी उद्देश्य के लिए R_L के साथ श्रेणी में एक प्रेरक (इन्डक्टर) का भी उपयोग किया जा सकता है। चूँकि ये अतिरिक्त परिपथ AC रिपल को छानकर शुद्ध DC वोल्टेज देते हैं, इसलिए इन्हें फिल्टर कहा जाता है।

अब हम फिल्टरिंग में संधारित्र की भूमिका पर चर्चा करेंगे। जब संधारित्र के पार वोल्टेज बढ़ता है, तो वह चार्ज होता है। यदि कोई बाहरी भार नहीं है, तो वह rectified आउटपुट के शिखर वोल्टेज तक चार्ज रहता है। जब कोई भार होता है, तो वह भार के माध्यम से discharge होता है और उसके पार वोल्टेज गिरना शुरू होता है। अगले half-cycle में rectified आउटपुट फिर से शिखर मान तक चार्ज हो जाता है (चित्र 14.20)। संधारित्र के पार वोल्टेज के गिरने की दर व्युत्क्रमानुपाती होती है परिपथ में प्रयुक्त धारिता $C$ और प्रभावी प्रतिरोध $R_{L}$ के गुणनफल पर और इसे समय नियतांक कहा जाता है। समय नियतांक को बड़ा बनाने के लिए $C$ का मान बड़ा होना चाहिए। इसलिए संधारित्र इनपुट फिल्टर बड़े संधारित्रों का उपयोग करते हैं। संधारित्र इनपुट फिल्टर का उपयोग करके प्राप्त आउटपुट वोल्टेज rectified वोल्टेज के शिखर वोल्टेज के निकट होता है। इस प्रकार का फिल्टर पावर सप्लाई में सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त होता है।

चित्र 14.20 (a) संधारित्र फिल्टर के साथ एक full-wave rectifier, (b) (a) में rectifier का इनपुट और आउटपुट वोल्टेज।

सारांश

1. अर्धचालक वर्तमान के ठोस अवस्था इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे डायोड, ट्रांजिस्टर, ICs आदि में प्रयुक्त आधारभूत पदार्थ हैं।

2. जालक संरचना और घटक तत्वों की परमाणु संरचना यह तय करती है कि कोई विशेष पदार्थ विद्युत्-रोधी, धातु या अर्धचालक होगा।

3. धातुओं की प्रतिरोधकता कम होती है $\left(10^{-2}\right.$ से $10^{-8} \Omega \mathrm{m})$, विद्युत्-रोधियों की प्रतिरोधकता बहुत अधिक होती है ($>10^{8} \Omega \mathrm{m}^{-1}$), जबकि अर्धचालकों की प्रतिरोधकता मध्यम होती है।

4. अर्धचालक मौलिक ($\mathrm{Si}, \mathrm{Ge}$) तथा यौगिक (GaAs, CdS आदि) दोनों प्रकार के होते हैं।

5. शुद्ध अर्धचालकों को ‘अंतर्जात अर्धचालक’ कहा जाता है। आवेश वाहकों (इलेक्ट्रॉन और छिद्रों) की उपस्थिति पदार्थ का ‘अंतर्जात’ गुण है और ये ऊष्मीय उत्तेजना के फलस्वरूप प्राप्त होते हैं। अंतर्जात चालकों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या ($n_{e}$) छिद्रों की संख्या ($n_{h}$) के बराबर होती है। छिद्र मूलतः इलेक्ट्रॉन रिक्तियाँ होती हैं जिन पर प्रभावी धनात्मक आवेश होता है।

6. शुद्ध अर्धचालकों में उपयुक्त अशुद्धता का ‘डोपिंग’ करके आवेश वाहकों की संख्या बदली जा सकती है। ऐसे अर्धचालकों को बाह्य अर्धचालक कहा जाता है। ये दो प्रकार के होते हैं (n-प्रकार और p-प्रकार)।

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

8. n-प्रकार अर्धचालक $\mathrm{Si}$ या Ge पंचसंयोजी परमाणुओं (दाताओं) जैसे As, Sb, P आदि के डोपिंग से प्राप्त किया जाता है, जबकि p-प्रकार Si या Ge त्रिसंयोजी परमाणुओं (स्वीकारकों) जैसे B, Al, In आदि के डोपिंग से प्राप्त किया जा सकता है।

9. सभी स्थितियों में $n_{e} n_{h}=n_{i}^{2}$ होता है। इसके अतिरिक्त, पदार्थ समग्र रूप से आवेश-तटस्थ होता है।

10. किसी पदार्थ में इलेक्ट्रॉन दो पृथक ऊर्जा बैंडों (जिन्हें संयोजी बैंड तथा चालक बैंड कहा जाता है) में स्थित होते हैं। संयोजी बैंड की ऊर्जाएँ चालक बैंड की ऊर्जाओं की तुलना में कम होती हैं। संयोजी बैंड की सभी ऊर्जा स्तर भरे हुए होते हैं जबकि चालक बैंड की ऊर्जा स्तर पूरी तरह खाली या आंशिक रूप से भरे हो सकते हैं। चालक बैंड के इलेक्ट्रॉन ठोस में स्वतंत्र रूप से गति कर सकते हैं और चालकता के लिए उत्तरदायी होते हैं। चालकता की मात्रा इस बात पर निर्भर करती है कि संयोजी बैंड के शीर्ष $(E_{V})$ तथा चालक बैंड के तल $E_{C}$ के बीच ऊर्जा अंतराल $(E_{g})$ कितना है। संयोजी बैंड के इलेक्ट्रॉनों को ऊष्मा, प्रकाश या विद्युत ऊर्जा द्वारा उत्तेजित कर चालक बैंड में भेजा जा सकता है और इस प्रकार अर्धचालक में बहने वाली धारा में परिवर्तन उत्पन्न किया जा सकता है।

11. परिरोधकों के लिए $E_{g}>3 \mathrm{eV}$, अर्धचालकों के लिए $E_{g}$ का मान $0.2 \mathrm{eV}$ से $3 \mathrm{eV}$ तक होता है, जबकि धातुओं के लिए $E_{g} \approx 0$ होता है।

12. p-n संधि सभी अर्धचालक युक्तियों की ‘कुंजी’ है। जब ऐसी संधि बनाई जाती है, तो एक ‘निष्क्रियन परत’ बनती है जिसमें उनके इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों से रहित गतिहीन आयन-कोर होते हैं। यही संधि विभव अवरोध के लिए उत्तरदायी होता है।

13. बाह्य लगाए गए वोल्टेज को बदलकर जंक्शन बाधाओं को बदला जा सकता है। अग्र बायस में (n-भाग को बैटरी के ऋणात्मक टर्मिनल से और p-भाग को धनात्मक टर्मिनल से जोड़ा जाता है), बाधा घट जाती है जबकि प्रतिबायस में बाधा बढ़ जाती है। इसलिए, अग्र बायस धारा अधिक होती है (mA) जबकि p-n जंक्शन डायोड में यह बहुत कम होती है (μA)।

14. डायोड का उपयोग ac वोल्टेज को समायोजित करने के लिए किया जा सकता है (ac वोल्टेज को एक दिशा में सीमित करना)। एक संधारित्र या उपयुक्त फिल्टर की सहायता से, dc वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है।

विचार करने योग्य बिंदु

1. अर्धचालकों में ऊर्जा बैंड (E_C या E_V) स्थानिक रूप से अनिर्धारित होते हैं जिसका अर्थ है कि ये ठोस के किसी विशिष्ट स्थान पर स्थित नहीं होते हैं। ये ऊर्जाएं समग्र औसत होती हैं। जब आप किसी चित्र में देखते हैं जिसमें E_C या E_V को सीधी रेखाओं के रूप में खींचा गया है, तो उन्हें क्रमशः चालन बैंड ऊर्जा स्तरों के निचले भाग और संयोजन बैंड ऊर्जा स्तरों के ऊपरी भाग के रूप में लिया जाना चाहिए।

2. तत्वीय अर्धचालकों (Si या Ge) में, n-प्रकार या p-प्रकार के अर्धचालक ‘डोपैंट्स’ को दोषों के रूप में प्रस्तुत करके प्राप्त किए जाते हैं। यौगिक अर्धचालकों में, स्टॉइकियोमेट्रिक अनुपात में परिवर्तन भी अर्धचालक के प्रकार को बदल सकता है। उदाहरण के लिए, आदर्श GaAs में Ga:As का अनुपात 1:1 होता है, लेकिन Ga-समृद्ध या As-समृद्ध GaAs में यह क्रमशः Ga₁.₁As₀.९ या Ga₀.९As₁.१ हो सकता है। सामान्य तौर पर, दोषों की उपस्थिति अर्धचालकों के गुणों को कई तरीकों से नियंत्रित करती है।