अर्धचालक

अर्धचालक ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी विद्युत चालकता चालक और विद्युत रोधक के बीच होती है। ये आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के अत्यावश्यक घटक हैं, जिनमें ट्रांजिस्टर, एकीकृत परिपथ और सौर सेल शामिल हैं।

अर्धचालकों की विद्युत गुणों को अशुद्धियाँ जोड़कर नियंत्रित किया जा सकता है, जिन्हें डोपेंट कहा जाता है, जो पदार्थ में मुक्त इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों की संख्या बदल देते हैं। इस प्रक्रिया को डोपिंग कहा जाता है, जो अर्धचालकों को विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित करने की अनुमति देती है।

सबसे सामान्य अर्धचालक सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं, लेकिन अन्य पदार्थ जैसे गैलियम आर्सेनाइड और इंडियम फॉस्फाइड भी उपयोग में लाए जाते हैं। अर्धचालकों को पतली वेफर्स में निर्मित किया जाता है, जिन्हें फिर इच्छित इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने के लिए प्रक्रिया दी जाती है।

अर्धचालक उद्योग तकनीकी नवाचार का एक प्रमुख संचालक है, और यह नए पदार्थों और उपकरणों का विकास करता रहता है जो इलेक्ट्रॉनिक्स में संभव की सीमाओं को आगे बढ़ाते हैं।

अर्धचालक क्या हैं?

अर्धचालक ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी विद्युत चालकता चालकों और विद्युत रोधकों के बीच होती है। इसका अर्थ है कि वे कुछ परिस्थितियों में विद्युत का संचालन कर सकते हैं, लेकिन अन्य परिस्थितियों में नहीं। अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें ट्रांजिस्टर, डायोड और एकीकृत परिपथ शामिल हैं।

सबसे आम अर्धचालक पदार्थ सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं। इन तत्वों में चार संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिसका अर्थ है कि ये प्रत्येक अन्य परमाणुओं के साथ चार सहसंयोजी बंध बना सकते हैं। जब ये परमाणु एक नियमित क्रिस्टल जालक में व्यवस्थित होते हैं, तो इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के बीच साझा किए जाते हैं और पदार्थ एक विद्युतरोधी होता है।

हालांकि, यदि अर्धचालक में अशुद्धियाँ मिलाई जाती हैं, तो पदार्थ की विद्युत गुणधर्म बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि सिलिकॉन में फॉस्फोरस परमाणु मिलाए जाते हैं, तो फॉस्फोरस परमाणु सिलिकॉन जालक को एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन दान करेंगे। यह अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन फिर जालक में स्वतंत्र रूप से घूम सकता है, जिससे पदार्थ विद्युत का संचालन कर सकता है।

अशुद्धि का प्रकार और मिलाई गई अशुद्धि की मात्रा अर्धचालक की विद्युत गुणधर्म को नियंत्रित कर सकती है। यह अर्धचालकों को विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग करने की अनुमति देता है।

यहाँ कुछ उदाहरण दिए गए हैं कि अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में कैसे उपयोग किए जाते हैं:

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एक छिद्र अर्धचालक में एक अनुपस्थित इलेक्ट्रॉन होता है। जब किसी अर्धचालक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन हटाया जाता है, तो वह पीछे एक धनावेशित छिद्र छोड़ता है। छिद्र एक परमाणु से दूसरे परमाणु पर कूदकर अर्धचालक में गति कर सकते हैं।

इलेक्ट्रॉन

इलेक्ट्रॉन ऋणावेशित कण होते हैं जो किसी परमाणु के नाभिक के चारों ओर परिक्रमा करते हैं। अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से चालन बैंड में कूदकर एक परमाणु से दूसरे परमाणु पर जा सकते हैं। वैलेंस बैंड परमाणु का सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन कोश होता है, जबकि चालन बैंड उससे बाहर वाला अगला इलेक्ट्रॉन कोश होता है।

अर्धचालक उपकरण

छिद्र और इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर और डायोड जैसे अर्धचालक उपकरणों के संचालन के लिए अत्यावश्यक होते हैं। ट्रांजिस्टर इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को प्रवर्धित और स्विच करने के लिए प्रयुक्त होते हैं, जबकि डायोड केवल एक दिशा में धारा प्रवाहित होने देने के लिए प्रयुक्त होते हैं।

उदाहरण

यहाँ कुछ उदाहरण दिए गए हैं कि किस प्रकार छिद्र और इलेक्ट्रॉन अर्धचालक उपकरणों में प्रयुक्त होते हैं:

• एक ट्रांजिस्टर में, बेस क्षेत्र से गुजरने वाली थोड़ी-सी धारा कलेक्टर क्षेत्र से गुजरने वाली बड़ी धारा को नियंत्रित कर सकती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि बेस क्षेत्र के छिद्र कलेक्टर क्षेत्र के इलेक्ट्रॉनों से पुनर्संयोजन कर सकते हैं, जिससे अधिक इलेक्ट्रॉन कलेक्टर से बह सकते हैं।
• एक डायोड में, n-प्रकार और p-प्रकार क्षेत्रों के बीच एक विभव अवरोध बनता है। यह विभव अवरोध n-प्रकार क्षेत्र से p-प्रकार क्षेत्र तक इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को रोकता है। हालाँकि, छिद्र p-प्रकार क्षेत्र से n-प्रकार क्षेत्र तक बह सकते हैं, जिससे धारा केवल एक दिशा में बहती है।

छिद्र और इलेक्ट्रॉन अर्धचालक उपकरणों के संचालन के लिए आवश्यक हैं। यह समझकर कि छिद्र और इलेक्ट्रॉन अर्धचालकों में कैसे चलते हैं, हम विभिन्न कार्य करने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को डिज़ाइन और निर्माण कर सकते हैं।

अर्धचालकों की बैंड सिद्धांत

अर्धचालकों की बैंड सिद्धांत

अर्धचालकों की बैंड सिद्धांत ठोस-अवस्था भौतिकी की एक मौलिक अवधारणा है जो अर्धचालकों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का वर्णन करती है। यह अर्धचालकों के विद्युत और प्रकाशीय गुणों की व्याख्या करती है, जो ट्रांजिस्टर, सौर सेल और प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के व्यवहार को समझने के लिए आवश्यक हैं।

मुख्य अवधारणाएँ:

1. ऊर्जा बैंड: एक अर्धचालक में, इलेक्ट्रॉनों के लिए अनुमत ऊर्जा स्तरों को विशिष्ट ऊर्जा बैंडों में विभाजित किया जाता है। संयोजी बैंड वह सबसे ऊँचा ऊर्जा बैंड है जो निरपेक्ष शून्य तापमान पर इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है, जबकि चालन बैंड वह सबसे निचला ऊर्जा बैंड है जो खाली होता है। संयोजी बैंड और चालन बैंड के बीच की ऊर्जा अंतराल को बैंडगैप कहा जाता है।

2. बैंडगैप: बैंडगैप अर्धचालकों का एक महत्वपूर्ण गुण है। अर्धचालकों में बैंडगैप अपेक्षाकृत छोटा होता है, जबकि विद्युतरोधियों में बड़ा बैंडगैप होता है और धातुओं में कोई बैंडगैप नहीं होता। बैंडगैप यह निर्धारित करता है कि कोई पदार्थ अर्धचालक है, विद्युतरोधी है या धातु।

3. डोपिंग: डोपिंग एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें जानबूझकर अर्धचालक में अशुद्धियाँ डाली जाती हैं ताकि इसकी विद्युत गुणों को बदला जा सके। विशिष्ट डोपेंट परमाणुओं को जोड़कर अर्धचालक की चालकता और प्रकार (n-प्रकार या p-प्रकार) को नियंत्रित किया जा सकता है।

4. इलेक्ट्रॉन और छिद्र चालन: एक अर्धचालक में, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को अवशोषित करके—जैसे ऊष्मा या प्रकाश—संयोजी बैंड से चालन बैंड में जा सकते हैं। जब कोई इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में चला जाता है, तो वह संयोजी बैंड में एक धनात्मक आवेश वाला छिद्र छोड़ देता है। इलेक्ट्रॉन और छिद्र दोनों ही अर्धचालक के भीतर स्वतंत्र रूप से गतिशील होकर विद्युत चालन में योगदान देते हैं।

उदाहरण:

1. सिलिकॉन: सिलिकॉन एक व्यापक रूप से प्रयुक्त अर्धचालक सामग्री है जिसका बैंडगैप कमरे के तापमान पर 1.12 eV है। इसका उपयोग आमतौर पर ट्रांजिस्टर, एकीकृत परिपथ (ICs), और सौर सेल जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।

2. गैलियम आर्सेनाइड (GaAs): GaAs एक अन्य महत्वपूर्ण अर्धचालक सामग्री है जिसका बैंडगैप 1.42 eV है। इसका उपयोग उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, जैसे कि माइक्रोवेव ट्रांजिस्टर और सौर सेल में किया जाता है, क्योंकि इसकी इलेक्ट्रॉन गतिशीलता सिलिकॉन की तुलना में अधिक है।

3. लाइट-एमिटिंग डायोड (LEDs): LEDs अर्धचालक उपकरण हैं जो जब उनमें से विद्युत धारा प्रवाहित होती है तो प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। उत्सर्जित प्रकाश का रंग उस अर्धचालक सामग्री के बैंडगैप पर निर्भर करता है जिसका उपयोग किया गया है।

अर्धचालकों की बैंड सिद्धांत अर्धचालकों की इलेक्ट्रॉनिक गुणों और व्यवहार को समझने के लिए एक व्यापक ढांचा प्रदान करता है। यह विभिन्न अर्धचालक उपकरणों और प्रौद्योगिकियों के विकास और डिज़ाइन के लिए आवश्यक है जो हमारे आधुनिक संसार को आकार देते हैं।

अर्धचालकों के गुण

अर्धचालकों के गुण

अर्धचालक ऐसी सामग्रियाँ हैं जिनकी विद्युत चालकता चालकों और अछालकों के बीच होती है। इसका अर्थ है कि वे कुछ परिस्थितियों में विद्युत का संचालन कर सकते हैं, लेकिन अन्य परिस्थितियों में नहीं। अर्धचालकों के गुण उन्हें ट्रांजिस्टर, डायोड, और एकीकृत परिपथ जैसे कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आवश्यक बनाते हैं।

बैंड गैप

एक अर्धचालक का सबसे महत्वपूर्ण गुण इसकी बैंड गैप है। बैंड गैप वैलेंस बैंड और चालकता बैंड के बीच की ऊर्जा अंतर है। एक चालक में, वैलेंस बैंड और चालकता बैंड एक-दूसरे से ओवरलैप करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन दोनों बैंडों के बीच स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। एक इन्सुलेटर में, बैंड गैप इतना बड़ा होता है कि इलेक्ट्रॉन उसे पार नहीं कर सकते, जिससे वे बैंडों के बीच नहीं घूम पाते। एक अर्धचालक में, बैंड गैप इतना छोटा होता है कि ऊष्मीय ऊर्जा या प्रकाश के अवशोषण से इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड से चालकता बैंड में उत्तेजित हो सकते हैं।

डोपिंग

एक अर्धचालक की विद्युत चालकता को डोपिंग द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। डोपिंग अर्धचालक सामग्री में अशुद्धियाँ मिलाने की प्रक्रिया है। जब एक अर्धचालक को ऐसे तत्व के साथ डोप किया जाता है जिसमें अर्धचालक परमाणुओं की तुलना में एक अतिरिक्त वैलेंस इलेक्ट्रॉन होता है, तो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन चालकता बैंड में दान कर दिए जाते हैं। इस प्रकार की डोपिंग को n-प्रकार डोपिंग कहा जाता है। जब एक अर्धचालक को ऐसे तत्व के साथ डोप किया जाता है जिसमें अर्धचालक परमाणुओं की तुलना में एक कम वैलेंस इलेक्ट्रॉन होता है, तो गायब इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में छिद्र बना देते हैं। ये छिद्र पड़ोसी परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों से भरे जा सकते हैं, जिससे ये छिद्र अर्धचालक में घूम सकते हैं। इस प्रकार की डोपिंग को p-प्रकार डोपिंग कहा जाता है।

ट्रांजिस्टर

ट्रांजिस्टर इलेक्ट्रॉनिक उपकरण होते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल को बढ़ा सकते हैं या स्विच कर सकते हैं। ट्रांजिस्टर अर्धचालकों से बने होते हैं, और ये एमिटर, बेस और कलेक्टर टर्मिनलों के बीच इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को नियंत्रित करके काम करते हैं। जब बेस टर्मिनल पर एक छोटा वोल्टेज लगाया जाता है, तो यह कलेक्टर टर्मिनल पर लगे बड़े वोल्टेज को नियंत्रित कर सकता है। इससे ट्रांजिस्टर एम्प्लिफायर और स्विच के लिए आदर्श बन जाते हैं।

डायोड

डायोड इलेक्ट्रॉनिक उपकरण होते हैं जो धारा को केवल एक दिशा में बहने देते हैं। डायोड अर्धचालकों से बने होते हैं, और ये एक दिशा में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के लिए एक अवरोध बनाकर काम करते हैं। इस अवरोध को p-n जंक्शन कहा जाता है। जब डायोड पर अग्र दिशा में वोल्टेज लगाया जाता है, तो p-n जंक्शन दूर हो जाता है और धारा बह सकती है। जब डायोड पर विपरीत दिशा में वोल्टेज लगाया जाता है, तो p-n जंक्शन धारा के प्रवाह को रोकता है।

इंटीग्रेटेड सर्किट

इंटीग्रेटेड सर्किट (IC) इलेक्ट्रॉनिक उपकरण होते हैं जिनमें लाखों या यहां तक कि अरबों ट्रांजिस्टर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटक होते हैं। IC अर्धचालकों से बने होते हैं, और इनका उपयोग कंप्यूटर, सेल फोन और डिजिटल कैमरा जैसी विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।

अर्धचालकों के उदाहरण

कुछ सामान्य अर्धचालक इस प्रकार हैं:

• सिलिकॉन (Si)
• जर्मेनियम (Ge)
• गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)
• इंडियम फॉस्फाइड (InP)
• कैडमियम टेलुराइड (CdTe)

इन अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, सरल ट्रांजिस्टरों से लेकर जटिल एकीकृत परिपथों तक।

प्रकार के अर्धचालक

प्रकार के अर्धचालक

अर्धचालक ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी विद्युत चालकता चालकों और विद्युत रोधकों के बीच होती है। इसका अर्थ है कि ये कुछ परिस्थितियों में विद्युत का संचालन कर सकते हैं, लेकिन अन्य परिस्थितियों में नहीं। सबसे सामान्य अर्धचालक सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं, लेकिन कई अन्य तत्व और यौगिक भी अर्धचालक हो सकते हैं।

अर्धचालकों के दो मुख्य प्रकार होते हैं: आंतरिक और बाह्य।

आंतरिक अर्धचालक वे शुद्ध अर्धचालक होते हैं जिनमें कोई अशुद्धता नहीं होती। इन पदार्थों की विद्युत चालकता बहुत कम होती है, लेकिन इसे अशुद्धियाँ जोड़कर बढ़ाया जा सकता है।

बाह्य अर्धचालक वे अर्धचालक होते हैं जिनमें अशुद्धियाँ डाली गई हैं। डोपिंग एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें किसी अर्धचालक में उसके विद्युत गुणों को बदलने के लिए किसी अन्य तत्व की थोड़ी मात्रा मिलाई जाती है। जब किसी अर्धचालक में कोई अशुद्धता परमाणु जोड़ा जाता है, तो वह या तो इलेक्ट्रॉन दान कर सकता है या स्वीकार कर सकता है। इससे अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या बदल जाती है, जिससे उसकी विद्युत चालकता बदल जाती है।

अर्धचालकों में डाली जाने वाली अशुद्धियों के दो प्रकार होते हैं: दाता और स्वीकारकर्ता।

दाता वे अशुद्धियाँ हैं जो अर्धचालक को इलेक्ट्रॉन दान करती हैं। इससे अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ जाती है, जिससे इसकी विद्युत चालकता बढ़ जाती है। सामान्य दाता अशुद्धियों में फॉस्फोरस, आर्सेनिक और एन्टिमनी शामिल हैं।

स्वीकारकर्ता वे अशुद्धियाँ हैं जो अर्धचालक से इलेक्ट्रॉन स्वीकार करती हैं। इससे अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या घट जाती है, जिससे इसकी विद्युत चालकता घट जाती है। सामान्य स्वीकारकर्ता अशुद्धियों में बोरॉन, गैलियम और इंडियम शामिल हैं।

अर्धचालक में मिलाई गई अशुद्धि का प्रकार इसकी विद्युत गुणधर्मों को निर्धारित करता है। N-प्रकार के अर्धचालक वे होते हैं जिन्हें दाताओं के साथ डोप किया गया है, जबकि p-प्रकार के अर्धचालक वे होते हैं जिन्हें स्वीकारकर्ताओं के साथ डोप किया गया है।

अर्धचालकों के उदाहरण

• सिलिकॉन सबसे सामान्य अर्धचालक है। इसका उपयोग ट्रांजिस्टर, एकीकृत परिपथ और सौर सेल सहित विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।
• जर्मेनियम एक अन्य सामान्य अर्धचालक है। इसका उपयोग कुछ ट्रांजिस्टर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।
• गैलियम आर्सेनाइड एक यौगिक अर्धचालक है जिसका उपयोग कुछ उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।
• इंडियम फॉस्फाइड एक अन्य यौगिक अर्धचालक है जिसका उपयोग कुछ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।

अर्धचालक आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आवश्यक पदार्थ हैं। इनका उपयोग कंप्यूटरों से लेकर सेल फोनों और सौर सेलों तक विभिन्न प्रकार के उपकरणों में किया जाता है। अर्धचालकों के विभिन्न प्रकारों में विभिन्न गुण होते हैं जो उन्हें विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाते हैं।

अंतर्गत अर्धचालक

एक अंतर्गत अर्धचालक एक शुद्ध अर्धचालक पदार्थ है जिसमें कोई अशुद्धियाँ या डोपैंट नहीं होते हैं। एक अंतर्गत अर्धचालक में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों (n) की संख्या छिद्रों (p) की संख्या के बराबर होती है, और पदार्थ विद्युत रूप से उदासीन होता है। एक अंतर्गत अर्धचालक की विद्युत चालकता बहुत कम होती है, क्योंकि विद्युत चालन के लिए उपलब्ध मुक्त आवेश वाहक बहुत कम होते हैं।

कमरे के तापमान पर, तापीय ऊर्जा अर्धचालक में कुछ सहसंयोजी बंधनों को तोड़ने के लिए पर्याप्त होती है, जिससे मुक्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र बनते हैं। मुक्त आवेश वाहकों की संख्या तापमान के साथ बढ़ती है, इसलिए एक अंतर्गत अर्धचालक की विद्युत चालकता भी तापमान के साथ बढ़ती है।

एक अंतर्गत अर्धचालक की बैंडगैप वैलेंस बैंड और चालन बैंड के बीच की ऊर्जा अंतर होती है। बैंडगैप यह निर्धारित करती है कि अर्धचालक किस तरंगदैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित कर सकता है। यदि प्रकाश की तरंगदैर्ध्य बैंडगैप से छोटी है, तो फोटॉन के पास एक इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से चालन बैंड में उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, जिससे एक मुक्त इलेक्ट्रॉन और एक छिद्र बनता है।

एक अंतःस्थापी अर्धचालक की बैंडगैप उस सामग्री का एक मूलभूत गुण है। सिलिकॉन की बैंडगैप 1.12 eV है, जबकि जर्मेनियम की बैंडगैप 0.67 eV है। सिलिकॉन की बड़ी बैंडगैप इसे जर्मेनियम की तुलना में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है, क्योंकि यह तापीय शोर से कम प्रभावित होता है।

अंतःस्थापी अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें सौर सेल, फोटोडायोड और ट्रांजिस्टर शामिल हैं। एक सौर सेल में, प्रकाश के अवशोषण से मुक्त इलेक्ट्रॉन और छिद्र बनते हैं, जिन्हें फिर एक विद्युत क्षेत्र द्वारा अलग किया जाता है और विद्युत धारा के रूप में संग्रहित किया जाता है। एक फोटोडायोड में, प्रकाश के अवशोषण से अर्धचालक के पार वोल्टेज उत्पन्न होता है, जिसका उपयोग प्रकाश की उपस्थिति का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। एक ट्रांजिस्टर में, अर्धचालक के माध्यम से धारा प्रवाह को एक विद्युत क्षेत्र द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को प्रवर्धित या स्विच करने के लिए किया जाता है।

यहाँ कुछ अंतःस्थापी अर्धचालकों के उदाहरण दिए गए हैं:

• सिलिकॉन (Si)
• जर्मेनियम (Ge)
• गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)
• इंडियम फॉस्फाइड (InP)
• कैडमियम टेलुराइड (CdTe)

ये सभी सामग्रियाँ विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की जाती हैं, और इनके गुण अच्छी तरह से समझे गए हैं।

बाह्य अर्धचालक

बाह्य अर्धचालक

एक बाह्य अर्धचालक (extrinsic semiconductor) एक ऐसा अर्धचालक पदार्थ है जिसे जानबूझकर उसके विद्युत गुणों को बदलने के लिए अशुद्धियों के साथ डोप किया गया है। विशिष्ट डोपेंट परमाणुओं को जोड़कर अर्धचालक की चालकता और अन्य लक्षणों को ठीक-ठीक नियंत्रित किया जा सकता है। इससे अनुरूप गुणों वाले विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए जा सकते हैं।

बाह्य अर्धचालकों के प्रकार

बाह्य अर्धचालकों के दो मुख्य प्रकार होते हैं:

1. एन-प्रकार अर्धचालक: ये वे अर्धचालक होते हैं जिन्हें ऐसे परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है जिनके पास अर्धचालक परमाणुओं की तुलना में एक अतिरिक्त संयोजी इलेक्ट्रॉन होता है। यह अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन एक मुक्त वाहक बन जाता है, जिससे पदार्थ की चालकता बढ़ जाती है। सामान्य एन-प्रकार डोपेंट में फॉस्फोरस (P), आर्सेनिक (As) और एंटीमनी (Sb) शामिल हैं।

2. पी-प्रकार अर्धचालक: ये वे अर्धचालक होते हैं जिन्हें ऐसे परमाणुओं के साथ डोप किया जाता है जिनके पास अर्धचालक परमाणुओं की तुलना में एक कम संयोजी इलेक्ट्रॉन होता है। इससे एक छिद्र (hole) बनता है, जो एक धनात्मक आवेशित मोबाइल वाहक होता है। सामान्य पी-प्रकार डोपेंट में बोरॉन (B), गैलियम (Ga) और इंडियम (In) शामिल हैं।

बाह्य अर्धचालकों के उदाहरण

बाह्य अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• ट्रांजिस्टर: ट्रांजिस्टर डिजिटल सर्किट्स की मूल बुनियादी इकाइयाँ होते हैं। इन्हें n-प्रकार और p-प्रकार दोनों अर्धचालकों से बनाया जाता है और इनका उपयोग सिग्नल को बढ़ाने, धारा को स्विच करने और सूचना संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है।
• डायोड: डायोड इलेक्ट्रॉनिक घटक होते हैं जो धारा को केवल एक दिशा में बहने देते हैं। इन्हें एकल प्रकार के अर्धचालक, या तो n-प्रकार या p-प्रकार से बनाया जाता है।
• लाइट-एमिटिंग डायोड (एलईडी): एलईडी अर्धचालक उपकरण होते हैं जो जब विद्युत धारा उनसे गुजरती है तो प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। इन्हें विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों से बनाया जाता है, जिनमें गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम गैलियम नाइट्राइड (InGaN), और एल्युमिनियम गैलियम इंडियम फॉस्फाइड (AlGaInP) शामिल हैं।
• सौर सेल: सौर सेल उपकरण होते हैं जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। इन्हें विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों से बनाया जाता है, जिनमें सिलिकॉन (Si), कैडमियम टेलुराइड (CdTe), और कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड (CIGS) शामिल हैं।

बाह्य अर्धचालकों के अनुप्रयोग

बाह्य अर्धचालक आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कार्य के लिए अत्यावश्यक होते हैं। इनका उपयोग विस्तृत श्रेणी के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स: बाह्य अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार की उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, जैसे स्मार्टफोन, कंप्यूटर, टेलीविजन और डिजिटल कैमरों में किया जाता है।
• औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स: बाह्य अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार की औद्योगिक अनुप्रयोगों, जैसे पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, मोटर नियंत्रण और रोबोटिक्स में किया जाता है।
• ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स: बाह्य अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार की ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों, जैसे इंजन नियंत्रण, ट्रांसमिशन नियंत्रण और सुरक्षा प्रणालियों में किया जाता है।
• चिकित्सा इलेक्ट्रॉनिक्स: बाह्य अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार की चिकित्सा अनुप्रयोगों, जैसे इमेजिंग प्रणालियों, रोगी निगरानी उपकरणों और शल्य चिकित्सा उपकरणों में किया जाता है।

बाह्य अर्धचालक आधुनिक दुनिया के लिए एक प्रमुख सक्षम करने वाली तकनीक हैं। ये विस्तृत श्रेणी की इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के कार्य करने के लिए अत्यावश्यक हैं और कई विभिन्न उद्योगों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

अंतर्जात और बाह्य अर्धचालकों के बीच अंतर

अंतर्जात अर्धचालक

अंतर्जात अर्धचालक शुद्ध अर्धचालक होते हैं जिनमें कोई अशुद्धियाँ नहीं होती हैं। कमरे के तापमान पर, चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों की संख्या वैलेंस बैंड में छिद्रों की संख्या के बराबर होती है। इसका अर्थ है कि अंतर्जात अर्धचालक विद्युत रूप से उदासीन होते हैं।

एक अंतर्गत अर्धचालक की चालकता बहुत कम होती है। ऐसा इसलिए है क्योंि चालन बैंड में मौजूद इलेक्ट्रॉन और संयोजन बैंड में मौजूद छिद्र लगातार एक-दूसरे से पुनःसंयोजित होते रहते हैं। यह पुनःसंयोजन प्रक्रिया विद्युत चालन के लिए उपलब्ध मुक्त वाहकों की संख्या को घटा देती है।

बाह्य अर्धचालक

बाह्य अर्धचालक वे अर्धचालक होते हैं जिनमें अशुद्धियाँ डोप की गई हैं। डोपिंग एक अर्धचालक में किसी अशुद्धि परमाणु की थोड़ी मात्रा मिलाने की प्रक्रिया है। यह अशुद्धि परमाणु या तो एक दाता परमाणु हो सकता है या एक ग्राही परमाणु।

दाता परमाणु वे परमाणु होते हैं जिनके संयोजन इलेक्ट्रॉन अर्धचालक परमाणुओं की तुलना में एक अधिक होते हैं। जब कोई दाता परमाणु अर्धचालक में मिलाया जाता है, तो अतिरिक्त संयोजन इलेक्ट्रॉन अर्धचालक को दान कर दिया जाता है। यह इलेक्ट्रॉन अब अर्धचालक में घूमने के लिए मुक्त हो जाता है, जिससे अर्धचालक की चालकता बढ़ जाती है।

ग्राही परमाणु वे परमाणु होते हैं जिनके संयोजन इलेक्ट्रॉन अर्धचालक परमाणुओं की तुलना में एक कम होते हैं। जब कोई ग्राही परमाणु अर्धचालक में मिलाया जाता है, तो गायब संयोजन इलेक्ट्रॉन अर्धचालक में एक छिद्र बना देता है। यह छिद्र फिर किसी पड़ोसी परमाणु से आए इलेक्ट्रॉन द्वारा भरा जा सकता है, जिससे अर्धचालक की चालकता बढ़ जाती है।

एक बाह्य अर्धचालक की चालकता एक अंतर्गत अर्धचालक की चालकता से बहुत अधिक होती है। ऐसा इसलिए है क्योंि बाह्य अर्धचालक में मौजूद अशुद्धियाँ विद्युत चालन के लिए उपलब्ध मुक्त वाहकों की संख्या बढ़ा देती हैं।

अंतर्गत और बाह्य अर्धचालकों के उदाहरण

कुछ आंतरिक अर्धचालकों के उदाहरणों में सिलिकॉन, जर्मेनियम और गैलियम आर्सेनाइड शामिल हैं। कुछ बाह्य अर्धचालकों के उदाहरणों में फॉस्फोरस से डोप किया गया सिलिकॉन (n-प्रकार अर्धचालक) और बोरॉन से डोप किया गया सिलिकॉन (p-प्रकार अर्धचालक) शामिल हैं।

आंतरिक और बाह्य अर्धचालकों के अनुप्रयोग

आंतरिक अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें सौर सेल, फोटोडायोड और ट्रांजिस्टर शामिल हैं। बाह्य अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें डायोड, ट्रांजिस्टर और एकीकृत परिपथ शामिल हैं।

अर्धचालकों के अनुप्रयोग

अर्धचालक ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी विद्युत चालकता चालकों और अचालकों के बीच होती है। यह अनूठा गुणधर्म उन्हें विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रणालियों में आवश्यक घटक बनाता है। यहाँ अर्धचालकों के कुछ प्रमुख अनुप्रयोग दिए गए हैं, साथ ही उदाहरण भी:

1. एकीकृत परिपथ (ICs): अर्धचालक ICs की बुनियादी इकाइयाँ होते हैं, जो एकल अर्धचालक सब्सट्रेट पर निर्मित लघुकृत इलेक्ट्रॉनिक परिपथ होते हैं। ICs का उपयोग लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें कंप्यूटर, स्मार्टफोन, डिजिटल कैमरा और अन्य शामिल हैं।

उदाहरण: एक माइक्रोप्रोसेसर, जो कंप्यूटर का केंद्रीय प्रोसेसिंग यूनिट (CPU) होता है, एक IC है जो लाखों ट्रांजिस्टरों और अन्य अर्धचालक घटकों से बना होता है।

2. ट्रांजिस्टर: ट्रांजिस्टर अर्धचालक उपकरण होते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक स्विच या एम्प्लिफायर के रूप में कार्य करते हैं। वे सर्किट में करंट के प्रवाह को नियंत्रित करते हैं और डिजिटल लॉजिक संचालन के लिए आवश्यक होते हैं।

उदाहरण: एक लाइट-एमिटिंग डायोड (LED) एक अर्धचालक उपकरण है जो बिजली के करंट के प्रवाहित होने पर प्रकाश उत्सर्जित करता है। LED का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे संकेतक लाइट, डिस्प्ले और सॉलिड-स्टेट लाइटिंग।

3. सौर सेल: अर्धचालक सौर सेल में उपयोग किए जाते हैं, जो सूर्य की रोशनी को फोटोवोल्टेइक प्रभाव के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

उदाहरण: सौर पैनल, जो कई सौर सेलों से बने होते हैं, को छतों पर या सौर फार्म में स्थापित किया जाता है ताकि नवीकरणीय ऊर्जा उत्पन्न की जा सके।

4. फोटोडायोड और फोटोट्रांजिस्टर: ये अर्धचालक उपकरण प्रकाश के प्रति संवेदनशील होते हैं और विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं, जिनमें ऑप्टिकल संचार, लाइट सेंसर और इमेज सेंसर शामिल हैं।

उदाहरण: एक डिजिटल कैमरा प्रकाश को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करके छवियों को कैप्चर करने के लिए अर्धचालक इमेज सेंसर का उपयोग करता है।

5. लाइट-एमिटिंग डायोड (LED): LED अर्धचालक उपकरण होते हैं जो बिजली के करंट के प्रवाहित होने पर प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। इनका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे संकेतक लाइट, डिस्प्ले और सॉलिड-स्टेट लाइटिंग।

उदाहरण: LED बल्ब पारंपरिक इनकैंडेसेंट बल्बों की ऊर्जा-कुशल विकल्प होते हैं और घरों, कार्यालयों और स्ट्रीटलाइट में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

6. लेज़र डायोड: लेज़र डायोड अर्धचालक उपकरण होते हैं जो सुसंगत, केंद्रित प्रकाश किरणें उत्सर्जित करते हैं। इनका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें प्रकाशीय संचार, लेज़र सूचक, और चिकित्सा उपकरण शामिल हैं।

उदाहरण: लेज़र डायोड का उपयोग ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों में उच्च बैंडविड्थ के साथ लंबी दूरी पर डेटा संचारित करने के लिए किया जाता है।

7. संवेदक: अर्धचालक विभिन्न प्रकार के संवेदकों में उपयोग किए जाते हैं, जैसे तापमान संवेदक, दबाव संवेदक, और गैस संवेदक।

उदाहरण: एक अर्धचालक-आधारित तापमान संवेदक का उपयोग थर्मोस्टैट में किसी कमरे के तापमान को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।

8. पावर इलेक्ट्रॉनिक्स: अर्धचालक पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाते हैं, जैसे रेक्टिफायर, इनवर्टर, और पावर ट्रांजिस्टर, जो विद्युत शक्ति को नियंत्रित और परिवर्तित करते हैं।

उदाहरण: एक अर्धचालक-आधारित पावर इनवर्टर का उपयोग सौर ऊर्जा प्रणालियों में सौर पैनलों से प्राप्त डायरेक्ट करंट (DC) बिजली को ग्रिड कनेक्शन के लिए अल्टरनेटिंग करंट (AC) बिजली में बदलने के लिए किया जाता है।

ये अर्धचालकों के विविध अनुप्रयोगों के कुछ उदाहरण मात्र हैं। अर्धचालकों की अद्वितीय विद्युत गुणधर्मों ने इलेक्ट्रॉनिक्स में क्रांति ला दी है और अनगिनत प्रौद्योगिकियों के विकास को सक्षम बनाया है जो हमारे दैनिक जीवन को प्रभावित करती हैं।

अर्धचालकों का महत्व

अर्धचालकों का महत्व

अर्धचालक ऐसी सामग्रियाँ हैं जिनकी विद्युत चालकता चालकों और विद्युत रोधकों के बीच होती है। यह अनूठा गुण उन्हें ट्रांज़िस्टर, डायोड, एकीकृत परिपथ (IC) और सौर सेल सहित विस्तृत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए अनिवार्य बनाता है।

ट्रांज़िस्टर

ट्रांज़िस्टर आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की आधारभूत इकाइयाँ हैं। वे स्विच की तरह काम करते हैं, जिससे परिपथ में धारा बह सकती है या रोकी जा सकती है। ट्रांज़िस्टर सिलिकॉन या जर्मेनियम जैसी अर्धचालक सामग्रियों से बने होते हैं, और उनकी चालकता वोल्टेज लगाकर नियंत्रित की जा सकती है। धारा प्रवाह को नियंत्रित करने की यह क्षमता ही ट्रांज़िस्टर को इतनी बहुमुखी और उपयोगी बनाती है।

डायोड

डायोड अर्धचालक उपकरणों की एक अन्य श्रेणी है जो धारा को केवल एक दिशा में बहने देती है। यह गुण उन्हें वैकल्पिक धारा (AC) को प्रत्यक्ष धारा (DC) में रेक्टीफाई करने, परिपथों को अधिक वोल्टेज से बचाने और रेडियो तरंगें पकड़ने जैसे अनेक अनुप्रयोगों में उपयोगी बनाता है।

एकीकृत परिपथ (IC)

IC छोटे इलेक्ट्रॉनिक परिपथ होते हैं जिनमें लाखों या अरबों ट्रांज़िस्टर और अन्य घटक होते हैं। IC बनाने के लिए अर्धचालक सामग्री की परतों को सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है, फिर उसे पैटर्न और एचिंग द्वारा वांछित परिपथ के रूप में तैयार किया जाता है। IC का उपयोग कंप्यूटर, स्मार्टफोन और डिजिटल कैमरे सहित अनेक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में होता है।

सौर सेल

सौर सेल ऐसे उपकरण हैं जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलते हैं। सौर सेल अर्धचालक सामग्रियों, जैसे सिलिकॉन या कैडमियम टेलुराइड, से बने होते हैं, और प्रकाश के संपर्क में आने पर उनकी चालकता बढ़ जाती है। चालकता में यह वृद्धि धारा प्रवाहित होने देती है, और विद्युत ऊर्जा का उपयोग उपकरणों को चलाने या बैटरियों में संग्रहित करने के लिए किया जा सकता है।

आधुनिक प्रौद्योगिकी में अर्धचालकों का महत्व

अर्धचालक आधुनिक प्रौद्योगिकी के लिए अत्यावश्यक हैं। इनका उपयोग कंप्यूटरों और स्मार्टफोनों से लेकर सौर सेलों और चिकित्सा उपकरणों तक विस्तृत श्रेणी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में होता है। अर्धचालकों के अनूठे गुण इन्हें इन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं, और भविष्य में इनका महत्व केवल बढ़ता ही जाएगा।

अर्धचालकों के उदाहरण

अर्धचालकों के कुछ सामान्य उदाहरण इस प्रकार हैं:

• सिलिकॉन (Si)
• जर्मेनियम (Ge)
• गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)
• इंडियम फॉस्फाइड (InP)
• कैडमियम टेलुराइड (CdTe)

ये सभी सामग्रियाँ विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की जाती हैं, और इनके गुणों को अनुप्रयोग की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप ढाला जा सकता है।

निष्कर्ष

अर्धचालक आधुनिक प्रौद्योगिकी के लिए अत्यावश्यक सामग्रियाँ हैं। इनके अनूठे गुण इन्हें विस्तृत श्रेणी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आदर्श बनाते हैं, और भविष्य में इनका महत्व केवल बढ़ता ही जाएगा।

अभ्यास समस्याएँ

अभ्यास समस्याएँ

अभ्यास की समस्याएँ किसी भी नई कौशल को सीखने का एक अनिवार्य हिस्सा हैं। ये आपको अपने सीखे हुए ज्ञान को लागू करने और उन क्षेत्रों की पहचान करने देती हैं जहाँ आपको और अभ्यास की आवश्यकता है। यहाँ कुछ सुझाव दिए गए हैं जिनसे आप अभ्यास की समस्याओं से अधिकतम लाभ उठा सकते हैं:

• मूल बातों से शुरुआत करें। सबसे कठिन समस्याओं को तुरंत हल करने की कोशिश न करें। सरल समस्याओं से शुरुआत करें जिन्हें आप आसानी से हल कर सकते हैं। जैसे-जैसे आपका आत्मविश्वास बढ़ेगा, आप धीरे-धीरे समस्याओं की कठिनाई बढ़ा सकते हैं।
• गलतियाँ करने से न डरें। सीखते समय हर कोई गलतियाँ करता है। महत्वपूर्ण बात यह है कि आप अपनी गलतियों से सीखें और आगे बढ़ें।
• अपना समय लें। अभ्यास की समस्याओं को जल्दबाज़ी में न हल करें। अपना समय लें और यह सुनिश्चित करें कि आप प्रत्येक समस्या को हल करने का प्रयास करने से पहले उसे समझ गए हैं।
• अपना कार्य जाँचें। एक बार जब आप कोई समस्या हल कर लें, तो अपना कार्य जाँच लें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि आपने सही उत्तर प्राप्त किया है। इससे आप उन क्षेत्रों की पहचान करने में मदद पाएँगे जहाँ आपको और अभ्यास की आवश्यकता है।
• ज़रूरत पड़ने पर मदद लें। यदि आप किसी समस्या में फँस गए हैं, तो मदद माँगने से न डरें। आपके शिक्षक, एक ट्यूटर या कक्षा के साथी सभी सहायक संसाधन हो सकते हैं।

यहाँ विभिन्न विषयों के लिए कुछ अभ्यास समस्याओं के उदाहरण दिए गए हैं:

• गणित: निम्न समीकरण को हल करें: 3x + 5 = 17
• विज्ञान: पौधे और जानवर के बीच क्या अंतर है?
• इतिहास: अमेरिकी क्रांति के मुख्य कारण क्या थे?
• अंग्रेज़ी: एक ऐसे समय की एक छोटी कहानी लिखें जब आपने कोई चुनौती पार की हो।

अभ्यास की समस्याएँ किसी भी नई कौशल को सीखने के लिए एक मूल्यवान उपकरण हो सकती हैं। इन सुझावों का पालन करके, आप अभ्यास की समस्याओं से अधिकतम लाभ उठा सकते हैं और अपने कौशल को तेजी से और प्रभावी ढंग से सुधार सकते हैं।

सेमीकंडक्टर वीडियो पाठ – महत्वपूर्ण विषय

सेमीकंडक्टर वीडियो पाठ – महत्वपूर्ण विषय

सेमीकंडक्टर ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी विद्युत चालकता किसी चालक और एक अचालक के बीच होती है। यह गुण उन्हें ट्रांजिस्टर, डायोड और एकीकृत परिपथों जैसे कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आवश्यक बनाता है।

सेमीकंडक्टर भौतिकी के महत्वपूर्ण विषय

• ठोसों की बैंड सिद्धांत: यह सिद्धांत ठोसों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को समझाता है, जिसमें अनुमत और निषिद्ध ऊर्जाओं के बैंडों का निर्माण शामिल है।
• डोपिंग: यह प्रक्रिया किसी सेमीकंडक्टर में अशुद्धियाँ मिलाकर उसकी विद्युत गुणधर्मों को बदलने से संबंधित है।
• ट्रांजिस्टर: ये उपकरण डिजिटल परिपथों की मूल इकाइयाँ होते हैं। इनका उपयोग सिग्नल को प्रवर्धित करने, धाराओं को स्विच करने और सूचना संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है।
• डायोड: ये उपकरण धारा को केवल एक दिशा में बहने देते हैं। इनका उपयोग रेक्टिफायर, वोल्टेज नियामक और डिटेक्टर जैसी विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है।
• एकीकृत परिपथ (IC): ये लघुकृत इलेक्ट्रॉनिक परिपथ होते हैं जिनमें लाखों या अरबों ट्रांजिस्टर हो सकते हैं। IC का उपयोग कंप्यूटर से लेकर सेल फोन तक की विस्तृत श्रेणी के उपकरणों में किया जाता है।

सेमीकंडक्टरों के उदाहरण

• सिलिकॉन (Si): यह सबसे आम अर्धचालक पदार्थ है। इसका उपयोग ट्रांजिस्टर, डायोड और IC सहित विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।
• जर्मेनियम (Ge): यह पहला अर्धचालक पदार्थ था जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया गया था। हालांकि, इसकी कम गतिशीलता और उच्च लागत के कारण इसे लगभग पूरी तरह से सिलिकॉन ने प्रतिस्थापित कर दिया है।
• गैलियम आर्सेनाइड (GaAs): यह यौगिक अर्धचालक उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, जैसे कि माइक्रोवेव ट्रांजिस्टर और सौर सेल में उपयोग किया जाता है।
• इंडियम फॉस्फाइड (InP): यह यौगिक अर्धचालक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, जैसे कि लाइट-एमिटिंग डायोड (LED) और लेज़र में उपयोग किया जाता है।

अर्धचालकों के अनुप्रयोग

अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• कंप्यूटर
• सेल फोन
• डिजिटल कैमरे
• टीवी
• रेडियो
• चिकित्सा उपकरण
• औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियाँ
• ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स

अर्धचालक आधुनिक दुनिया के लिए अत्यावश्यक हैं। ये हमारे डिजिटल उपकरणों की बुनियादी इकाइयाँ हैं और हमारी अर्थव्यवस्था में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

Semiconductors Important JEE Main Questions

Semiconductors Important JEE Main Questions

1. अर्धचालक क्या है?

एक अर्धचालक ऐसा पदार्थ है जिसकी विद्युत चालकता एक चालक और एक विद्युत रोधक के बीच की होती है। अर्धचालकों का उपयोग ट्रांजिस्टर, डायोड और एकीकृत परिपथ सहित विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।

2. अर्धचालकों के विभिन्न प्रकार क्या हैं?

सेमीकंडक्टर के दो मुख्य प्रकार होते हैं: आंतरिक सेमीकंडक्टर और बाह्य सेमीकंडक्टर। आंतरिक सेमीकंडक्टर वे शुद्ध सेमीकंडक्टर होते हैं जिनमें कोई अशुद्धि नहीं होती। बाह्य सेमीकंडक्टर वे सेमीकंडक्टर होते हैं जिन्हें उनके विद्युत गुणों को बदलने के लिए अशुद्धियों के साथ डोप किया गया है।

3. एक सेमीकंडक्टर की बैंड गैप क्या है?

एक सेमीकंडक्टर की बैंड गैप वैलेंस बैंड और चालकता बैंड के बीच की ऊर्जा अंतर होती है। बैंड गैप सेमीकंडक्टर की विद्युत चालकता निर्धारित करती है। एक छोटी बैंड गैप वाला सेमीकंडकर एक अच्छा चालक होता है, जबकि एक बड़ी बैंड गैप वाला सेमीकंडक्टर एक खराब चालक होता है।

4. एक ट्रांजिस्टर और एक डायोड में क्या अंतर है?

एक ट्रांजिस्टर एक सेमीकंडक्टर युक्ति है जो इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को प्रवर्धित या स्विच कर सकती है। एक डायोड एक सेमीकंडक्टर युक्ति है जो धारा को केवल एक दिशा में बहने देती है।

5. सेमीकंडक्टर के कुछ अनुप्रयोग क्या हैं?

सेमीकंडक्टर विभिन्न प्रकार की इलेक्ट्रॉनिक युक्तियों में उपयोग किए जाते हैं, जिनमें शामिल हैं:

• ट्रांजिस्टर
• डायोड
• एकीकृत परिपथ
• सौर सेल
• प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LEDs)
• लेज़र
• प्रकाश संवेदक

6. सेमीकंडक्टर उद्योग के सामने कुछ चुनौतियाँ क्या हैं?

सेमीकंडक्टर उद्योग कई चुनौतियों का सामना कर रहा है, जिनमें शामिल हैं:

• कच्चे माल की बढ़ती लागत
• नए और अभिनव अर्धचालक पदार्थों की आवश्यकता
• अर्धचालक उपकरणों की बढ़ती जटिलता
• अधिक कुशल अर्धचालक विनिर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता

7. अर्धचालक उद्योग में भविष्य की कुछ प्रवृत्तियाँ क्या हैं?

अर्धचालक उद्योग में भविष्य की कुछ प्रवृत्तियाँ इस प्रकार हैं:

• यौगिक अर्धचालकों का बढ़ता उपयोग
• बेहतर गुणधर्मों वाले नए अर्धचालक पदार्थों का विकास
• अधिक जटिल अर्धचालक उपकरण बनाने के लिए 3D एकीकरण का उपयोग
• अधिक कुशल और पर्यावरण-अनुकूल नई अर्धचालक विनिर्माण प्रक्रियाओं का विकास

अर्धचालकों के उदाहरण

अर्धचालकों के कुछ उदाहरण इस प्रकार हैं:

• सिलिकॉन
• जर्मेनियम
• गैलियम आर्सेनाइड
• इंडियम फॉस्फाइड
• कैडमियम टेलुराइड

ये अर्धचालक विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाते हैं, जिनमें ट्रांजिस्टर, डायोड, एकीकृत परिपथ, सौर सेल, LED, लेज़र और फोटोडिटेक्टर शामिल हैं।

अर्धचालकों पर अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

500K पर शुद्ध सिलिकॉन अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन और होल बराबर हैं (1.5 × 10^16 m^-3)। इंडियम डोपिंग से nh बढ़कर 4.5 × 10^22 m^-3 हो जाता है। डोप किए गए अर्धचालक का प्रकार और इलेक्ट्रॉन सांद्रता की गणना कीजिए।

दिया गया है:

• 500K पर शुद्ध सिलिकॉन अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन और होल बराबर हैं (1.5 × 10^16 m^-3)।
• इंडियम डोपिंग से (n_h) बढ़कर 4.5 × 10^22 m^-3 हो जाता है।

ज्ञात करना है:

• डोप्ड सेमीकंडक्टर का प्रकार।
• डोप्ड सेमीकंडक्टर में इलेक्ट्रॉन सांद्रता।

हल:

1. डोप्ड सेमीकंडक्टर का प्रकार:

चूँकि शुद्ध सिलिकॉन सेमीकंडक्टर में छिद्रों की सांद्रता ((p_h)) इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता ((n_h)) के बराबर है, यह एक अंतःस्थ सेमीकंडक्टर है।

इंडियम के साथ डोपिंग के बाद, छिद्रों की सांद्रता उल्लेखनीय रूप से घट जाती है, जबकि इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता उल्लेखनीय रूप से बढ़ जाती है। इससे संकेत मिलता है कि सेमीकंडक्टर एक n-प्रकार का सेमीकंडक्टर बन गया है।

2. डोप्ड सेमीकंडक्टर में इलेक्ट्रॉन सांद्रता:

डोप्ड सेमीकंडक्टर की इलेक्ट्रॉन सांद्रता को मास-एक्शन नियम का उपयोग करके परिकलित किया जा सकता है:

$$n_hn_e = n_i^2$$

जहाँ:

• (n_h) डोप्ड सेमीकंडक्टर में छिद्रों की सांद्रता है।
• (n_e) डोप्ड सेमीकंडक्टर में इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता है।
• (n_i) 500K पर सिलिकॉन की अंतःस्थ वाहक सांद्रता है।

दिए गए मानों को समीकरण में रखने पर, हमें प्राप्त होता है:

$$(1.5 \times 10^{16} \text{ m}^{-3})(n_e) = (1.5 \times 10^{16} \text{ m}^{-3})^2$$

(n_e) के लिए हल करने पर, हमें मिलता है:

$$n_e = \frac{(1.5 \times 10^{16} \text{ m}^{-3})^2}{1.5 \times 10^{16} \text{ m}^{-3}} = 1.5 \times 10^{16} \text{ m}^{-3}$$

इसलिए, डोप्ड सेमीकंडक्टर की इलेक्ट्रॉन सांद्रता (1.5 \times 10^{16} \text{ m}^{-3}) है।

सेमीकंडक्टरों में कक्ष तापमान पर संयोजन बैंड आंशिक रूप से खाली क्यों होता है, और चालकता बैंड आंशिक रूप से भरा हुआ क्यों होता है?

अर्धचालकों में वैलेंस बैंड आंशिक रूप से खाली क्यों होता है, और कंडक्शन बैंड कमरे के तापमान पर आंशिक रूप से भरा हुआ होता है?

एक अर्धचालक में, वैलेंस बैंड सबसे ऊंची ऊर्जा वाला बैंड होता है जो परम शून्य तापमान पर इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है। कंडक्शन बैंड सबसे निचली ऊर्जा वाला बैंड होता है जो परम शून्य तापमान पर इलेक्ट्रॉनों से खाली होता है। वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड के बीच की ऊर्जा अंतर को बैंड गैप कहा जाता है।

कमरे के तापमान पर, वैलेंस बैंड में मौजूद कुछ इलेक्ट्रॉनों के पास बैंड गैप को पार करके कंडक्शन बैंड में जाने के लिए पर्याप्त ऊष्मीय ऊर्जा होती है। इससे वैलेंस बैंड में होल्स बनती हैं और कंडक्शन बैंड में मुक्त इलेक्ट्रॉन बनते हैं। बनने वाले होल्स और इलेक्ट्रॉनों की संख्या तापमान के समानुपाती होती है।

कमरे के तापमान पर वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड का आंशिक रूप से भरा होना ही अर्धचालकों को उनके अनोखे विद्युत गुण प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, एक अर्धचालक की चालकता तापमान के साथ बढ़ती है, जबकि एक धातु की चालकता तापमान के साथ घटती है।

उदाहरण:

• सिलिकॉन में, बैंड गैप 1.12 eV है। कमरे के तापमान पर, लगभग 10^10 इलेक्ट्रॉन प्रति घन सेंटीमीटर के पास बैंड गैप को पार करने के लिए पर्याप्त ऊष्मीय ऊर्जा होती है। इसका अर्थ है कि वैलेंस बैंड में लगभग 10^10 छिद्र प्रति घन सेंटीमीटर और चालकता बैंड में लगभग 10^10 इलेक्ट्रॉन प्रति घन सेंटीमीटर हैं।
• जर्मेनियम में, बैंड गैप 0.67 eV है। कमरे के तापमान पर, लगभग 10^13 इलेक्ट्रॉन प्रति घन सेंटीमीटर के पास बैंड गैप को पार करने के लिए पर्याप्त ऊष्मीय ऊर्जा होती है। इसका अर्थ है कि वैलेंस बैंड में लगभग 10^13 छिद्र प्रति घन सेंटीमीटर और चालकता बैंड में लगभग 10^13 इलेक्ट्रॉन प्रति घन सेंटीमीटर हैं।

कमरे के तापमान पर वैलेंस बैंड और चालकता बैंड का आंशिक रूप से भरा होना अर्धचालकों का एक मौलिक गुण है। यही गुण अर्धचालकों को उनके अद्वितीय विद्युत गुण देता है और उन्हें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इतने उपयोगी बनाता है।

एक आंतरिक अर्धचालक में, चालक इलेक्ट्रॉनों की संख्या 7 × 10^19 m^3 है। समान 1 cm × 1 cm × 1 mm आकार के अर्धचालक में कुल धारावाहक वाहकों की संख्या ज्ञात कीजिए।

आंतरिक अर्धचालक

एक अंतःस्थापित अर्धचालक एक शुद्ध अर्धचालक पदार्थ है जिसमें कोई अशुद्धि नहीं होती है। एक अंतःस्थापित अर्धचालक में, चालक इलेक्ट्रॉनों की संख्या छिद्रों की संख्या के बराबर होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कमरे के तापमान पर, अर्धचालक में कुछ संयोजी इलेक्ट्रॉन पर्याप्त ऊष्मीय ऊर्जा प्राप्त करके अपने परमाणुओं से मुक्त हो जाते हैं और चालक इलेक्ट्रॉन बन जाते हैं। पीछे छूटे छिद्रों को अन्य संयोजी इलेक्ट्रॉन भर देते हैं, जिससे आवेश का प्रवाह बनता है।

उदाहरण

एक अंतःस्थापित अर्धचालक में जिसकी वाहक सांद्रता 7 × 10^19 m^3 है, 1 cm × 1 cm × 1 mm आकार के नमूने में कुल धारा वाहकों की संख्या इस प्रकार गणना की जा सकती है:

n = 7 × 10^19 m^3
V = 1 cm × 1 cm × 1 mm = 1 × 10^-6 m^3
N = nV = 7 × 10^19 m^3 × 1 × 10^-6 m^3 = 7 × 10^13 वाहक

इसलिए, अर्धचालक नमूने में कुल धारा वाहकों की संख्या 7 × 10^13 है।

अंतःस्थापित अर्धचालकों के अनुप्रयोग

अंतःस्थापित अर्धचालकों का उपयोग विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• सौर सेल
• प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LEDs)
• फोटोडायोड
• ट्रांजिस्टर

ये सभी उपकरण इस तथ्य पर निर्भर करते हैं कि अंतःस्थापित अर्धचालक प्रकाश या ऊष्मा के संपर्क में आने पर विद्युत चालन कर सकते हैं।

सिलिकॉन की ऊर्जा अंतराल 1.14 eV है। अधिकतम तरंगदैर्ध्य क्या है जिस पर सिलिकॉन ऊर्जा अवशोषित करना प्रारंभ करेगा?

एक अर्धचालक सामग्री, जैसे सिलिकॉन, की ऊर्जा अंतराल उस न्यूनतम ऊर्जा को दर्शाता है जो एक इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से चालन बैंड में उत्तेजित करने के लिए आवश्यक होती है। जब प्रकाश का एक फोटॉन जिसकी ऊर्जा ऊर्जा अंतराल से बराबर या अधिक हो, अर्धचालक पर आपतित होता है, तो फोटॉन अवशोषित हो सकता है और इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में उत्तेजित हो सकता है। इस प्रक्रिया को प्रकाशीय अवशोषण कहा जाता है।

सिलिकॉन द्वारा ऊर्जा अवशोषित करना शुरू करने वाली अधिकतम तरंगदैर्ध्य को निम्न सूत्र का उपयोग करके गणना किया जा सकता है:

λ = hc/Eg

जहाँ:

λ प्रकाश की तरंगदैर्ध्य मीटर (m) में है
h प्लैंक नियतांक है (6.626 x 10^-34 जूल-सेकंड)
c प्रकाश की चाल है (2.998 x 10^8 मीटर प्रति सेकंड)
Eg अर्धचालक का ऊर्जा अंतराल जूल (J) में है

सिलिकॉन के लिए ऊर्जा अंतराल 1.14 eV है, जो 1.83 x 10^-19 J के बराबर है। इस मान को सूत्र में रखने पर हमें मिलता है:

λ = (6.626 x 10^-34 J s)(2.998 x 10^8 m/s) / (1.83 x 10^-19 J)
λ = 1.09 माइक्रोमीटर (µm)

इसलिए, अधिकतम तरंगदैर्ध्य जिस पर सिलिकॉन ऊर्जा अवशोषित करना शुरू करता है, 1.09 µm है। इसका अर्थ है कि 1.09 µm से छोटी तरंगदैर्ध्य वाले फोटॉनों में सिलिकॉन में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने और प्रकाशीय अवशोषण उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। 1.09 µm से अधिक तरंगदैर्ध्य वाले फोटॉनों में सिलिकॉन द्वारा अवशोषित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं होती।

संक्षेप में, सिलिकॉन की ऊर्जा अंतराल यह निर्धारित करता है कि सामग्री किस प्रकाश की अधिकतम तरंगदैर्ध्य को अवशोषित कर सकती है। सिलिकॉन के लिए, ऊर्जा अंतराल 1.14 eV है, जो 1.09 µm की अधिकतम अवशोषण तरंगदैर्ध्य के अनुरूप है।