సెమీకండక్టర్ అంటే ఏమిటి మరియు దానిని దేనితో తింటారు?
సెమీకండక్టర్- సాంకేతికత మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్ యొక్క ఆధునిక ప్రపంచం ఆలోచించలేని పదార్థం లేకుండా. సెమీకండక్టర్స్కొన్ని పరిస్థితులలో లోహాలు మరియు నాన్-లోహాల లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి. ఎలక్ట్రికల్ రెసిస్టివిటీ పరంగా, సెమీకండక్టర్స్ మంచి కండక్టర్స్ మరియు డైఎలెక్ట్రిక్స్ మధ్య ఇంటర్మీడియట్ స్థానాన్ని ఆక్రమిస్తాయి. సెమీకండక్టర్క్రిస్టల్ లాటిస్‌లోని అశుద్ధ మూలకాల (అశుద్ధ మూలకాలు) మరియు ఈ మూలకాల యొక్క ఏకాగ్రత, అలాగే ఉష్ణోగ్రత మరియు వివిధ రకాల రేడియేషన్‌లకు గురికావడంపై నిర్దిష్ట వాహకత యొక్క బలమైన ఆధారపడటంలో కండక్టర్ల నుండి భిన్నంగా ఉంటుంది.
సెమీకండక్టర్ యొక్క ప్రాథమిక లక్షణం- పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో విద్యుత్ వాహకత పెరుగుదల.
సెమీకండక్టర్స్ అంటే బ్యాండ్ గ్యాప్ అనేక ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్ల (eV) క్రమంలో ఉండే పదార్థాలు. ఉదాహరణకు, డైమండ్‌ను వైడ్-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్‌గా వర్గీకరించవచ్చు మరియు ఇండియమ్ ఆర్సెనైడ్‌ను నారో-గ్యాప్ సెమీకండక్టర్‌గా వర్గీకరించవచ్చు. బ్యాండ్ గ్యాప్ అనేది కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువ మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ పైభాగం మధ్య శక్తి అంతరం యొక్క వెడల్పు, దీనిలో ఎలక్ట్రాన్ కోసం అనుమతించబడిన స్థితులు లేవు.
LED లు మరియు సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లలో కాంతిని ఉత్పత్తి చేసేటప్పుడు మరియు విడుదలయ్యే ఫోటాన్‌ల శక్తిని నిర్ణయించేటప్పుడు బ్యాండ్ గ్యాప్ యొక్క పరిమాణం ముఖ్యమైనది.
సెమీకండక్టర్లలో అనేక రసాయన మూలకాలు ఉన్నాయి: Si సిలికాన్, జీ జెర్మేనియం, ఆర్సెనిక్, సే సెలీనియం, టె టెల్లూరియం మరియు ఇతరులు, అలాగే అన్ని రకాల మిశ్రమాలు మరియు రసాయన సమ్మేళనాలు, ఉదాహరణకు: సిలికాన్ అయోడైడ్, గాలియం ఆర్సెనైడ్, పాదరసం టెల్యురైట్ మొదలైనవి). సాధారణంగా, మన చుట్టూ ఉన్న ప్రపంచంలోని దాదాపు అన్ని అకర్బన పదార్థాలు సెమీకండక్టర్లు. ప్రకృతిలో అత్యంత సాధారణ సెమీకండక్టర్ సిలికాన్, ఇది సుమారుగా అంచనాల ప్రకారం, భూమి యొక్క క్రస్ట్‌లో దాదాపు 30% ఉంటుంది.
అశుద్ధ మూలకం యొక్క పరమాణువు ఎలక్ట్రాన్ను వదులుకుంటుందా లేదా దానిని సంగ్రహిస్తుందా అనేదానిపై ఆధారపడి, అశుద్ధ పరమాణువులను దాత లేదా అంగీకరించే పరమాణువులు అంటారు. అశుద్ధ మూలకం యొక్క పరమాణువు యొక్క దాత మరియు అంగీకరించే లక్షణాలు కూడా క్రిస్టల్ లాటిస్‌లోని ఏ అణువును భర్తీ చేస్తుంది మరియు ఏ స్ఫటికాకార విమానంలో పొందుపరచబడిందనే దానిపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
పైన చెప్పినట్లుగా, సెమీకండక్టర్ల యొక్క వాహక లక్షణాలు ఉష్ణోగ్రతపై బలంగా ఆధారపడి ఉంటాయి మరియు ఉష్ణోగ్రత సంపూర్ణ సున్నాకి (-273 ° C) చేరుకున్నప్పుడు, సెమీకండక్టర్లు విద్యుద్వాహక లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి.
వాహకత రకం ఆధారంగా, సెమీకండక్టర్లు n- రకం మరియు p- రకంగా విభజించబడ్డాయి
n-రకం సెమీకండక్టర్
వాహకత రకం ఆధారంగా, సెమీకండక్టర్లు n- రకం మరియు p- రకంగా విభజించబడ్డాయి.
ఒక n-రకం సెమీకండక్టర్ అశుద్ధ స్వభావాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు లోహాల వంటి విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నిర్వహిస్తుంది. n-రకం సెమీకండక్టర్లను ఉత్పత్తి చేయడానికి సెమీకండక్టర్లకు జోడించబడే అశుద్ధ మూలకాలను దాత మూలకాలు అంటారు. "n-రకం" అనే పదం "ప్రతికూల" అనే పదం నుండి వచ్చింది, ఇది ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ ద్వారా నిర్వహించబడే ప్రతికూల చార్జ్‌ని సూచిస్తుంది.
ఛార్జ్ బదిలీ ప్రక్రియ యొక్క సిద్ధాంతం క్రింది విధంగా వివరించబడింది:
టెట్రావాలెంట్ Si సిలికాన్‌కు ఆర్సెనిక్ వలె పెంటావాలెంట్ అనే అశుద్ధ మూలకం జోడించబడుతుంది. పరస్పర చర్య సమయంలో, ప్రతి ఆర్సెనిక్ అణువు సిలికాన్ అణువులతో సమయోజనీయ బంధంలోకి ప్రవేశిస్తుంది. కానీ ఐదవ ఉచిత ఆర్సెనిక్ పరమాణువు మిగిలి ఉంది, ఇది సంతృప్త వాలెన్స్ బాండ్లలో చోటు లేదు మరియు ఇది సుదూర ఎలక్ట్రాన్ కక్ష్యకు వెళుతుంది, ఇక్కడ అణువు నుండి ఎలక్ట్రాన్ను తొలగించడానికి తక్కువ శక్తి అవసరమవుతుంది. ఎలక్ట్రాన్ విడిపోతుంది మరియు స్వేచ్ఛగా మారుతుంది, ఛార్జ్ మోయగల సామర్థ్యం కలిగి ఉంటుంది. అందువల్ల, ఛార్జ్ బదిలీ అనేది ఎలక్ట్రాన్ ద్వారా నిర్వహించబడుతుంది, ఒక రంధ్రం కాదు, అంటే, ఈ రకమైన సెమీకండక్టర్ లోహాల వంటి విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నిర్వహిస్తుంది.
Antimony Sb కూడా ముఖ్యమైన సెమీకండక్టర్లలో ఒకటైన లక్షణాలను మెరుగుపరుస్తుంది - జెర్మేనియం Ge.
p-రకం సెమీకండక్టర్
ఒక p-రకం సెమీకండక్టర్, అశుద్ధ బేస్‌తో పాటు, వాహకత యొక్క రంధ్ర స్వభావం ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది. ఈ సందర్భంలో జోడించిన మలినాలను అంగీకరించే మలినాలను అంటారు.
"p-టైప్" అనేది "పాజిటివ్" అనే పదం నుండి వచ్చింది, ఇది మెజారిటీ క్యారియర్‌ల యొక్క ధనాత్మక చార్జ్‌ని సూచిస్తుంది.
ఉదాహరణకు, ఒక సెమీకండక్టర్, టెట్రావాలెంట్ Si సిలికాన్‌కు కొద్ది మొత్తంలో ట్రివాలెంట్ ఇండియం పరమాణువులు జోడించబడతాయి. మా విషయంలో, ఇండియం ఒక అశుద్ధ మూలకం అవుతుంది, వీటిలో పరమాణువులు మూడు పొరుగు సిలికాన్ అణువులతో సమయోజనీయ బంధాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. కానీ సిలికాన్‌కు ఒక ఉచిత బంధం మిగిలి ఉంది, అయితే ఇండియమ్ అణువుకు వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ లేదు, కాబట్టి ఇది పొరుగు సిలికాన్ అణువుల మధ్య సమయోజనీయ బంధం నుండి ఒక వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ను సంగ్రహిస్తుంది మరియు ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన అయాన్‌గా మారుతుంది, ఇది రంధ్రం అని పిలవబడేది మరియు తదనుగుణంగా, ఒక రంధ్రం పరివర్తన.
అదే పథకం ప్రకారం, In ndium Ge జెర్మేనియంకు రంధ్రం వాహకతను అందిస్తుంది.
సెమీకండక్టర్ మూలకాలు మరియు పదార్థాల లక్షణాలను పరిశోధించడం, కండక్టర్ మరియు సెమీకండక్టర్ మధ్య సంపర్క లక్షణాలను అధ్యయనం చేయడం, సెమీకండక్టర్ పదార్థాల తయారీలో ప్రయోగాలు చేయడం, O.V. లోసెవ్ 1920లలో ఆధునిక LED యొక్క నమూనాను సృష్టించాడు.
ఈ వ్యాసంలో అసాధారణమైన ముఖ్యమైన లేదా ఆసక్తికరంగా ఏమీ లేదు, "డమ్మీస్" కోసం ఒక సాధారణ ప్రశ్నకు సమాధానం: లోహాలు మరియు విద్యుద్వాహకము నుండి సెమీకండక్టర్లను వేరుచేసే ప్రధాన లక్షణాలు ఏమిటి?
సెమీకండక్టర్లు బ్యాండ్ గ్యాప్ (కండక్షన్ బ్యాండ్ మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ మధ్య) ఉనికిని కలిగి ఉండే పదార్థాలు (స్ఫటికాలు, పాలీక్రిస్టలైన్ మరియు నిరాకార పదార్థాలు, మూలకాలు లేదా సమ్మేళనాలు).
ఎలక్ట్రానిక్ సెమీకండక్టర్స్ స్ఫటికాలు మరియు నిరాకార పదార్థాలు, ఇవి విద్యుత్ వాహకత పరంగా, లోహాలు (σ = 10 4 ÷10 6 ఓం -1 సెం.మీ -1) మరియు డైఎలెక్ట్రిక్స్ (σ = 10 -10 ÷10 -20 ఓం - 1 cm -1). అయినప్పటికీ, వాహకత యొక్క ఇచ్చిన సరిహద్దు విలువలు చాలా ఏకపక్షంగా ఉంటాయి.
లోహాలు మరియు సెమీకండక్టర్స్ (ఇన్సులేటర్లు) - బ్యాండ్ సిద్ధాంతం ఘనపదార్థాలను రెండు తరగతులుగా విభజించడాన్ని సాధ్యం చేసే ప్రమాణాన్ని రూపొందించడం సాధ్యం చేస్తుంది. లోహాలు వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో ఉచిత స్థాయిల ఉనికిని కలిగి ఉంటాయి, వీటికి ఎలక్ట్రాన్లు కదులుతాయి, అదనపు శక్తిని పొందుతాయి, ఉదాహరణకు, విద్యుత్ క్షేత్రంలో త్వరణం కారణంగా. లోహాల యొక్క విలక్షణమైన లక్షణం ఏమిటంటే, వాటి భూమిలో, ఉత్తేజిత స్థితిలో (0 K వద్ద) అవి ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్లను కలిగి ఉంటాయి, అనగా. బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం ప్రభావంతో ఆర్డర్ కదలికలో పాల్గొనే ఎలక్ట్రాన్లు.
0 K వద్ద సెమీకండక్టర్స్ మరియు ఇన్సులేటర్లలో, వాలెన్స్ బ్యాండ్ పూర్తిగా జనాభాతో ఉంటుంది మరియు కండక్షన్ బ్యాండ్ దాని నుండి బ్యాండ్ గ్యాప్ ద్వారా వేరు చేయబడుతుంది మరియు క్యారియర్‌లను కలిగి ఉండదు. అందువల్ల, చాలా బలంగా లేని విద్యుత్ క్షేత్రం వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో ఉన్న ఎలక్ట్రాన్లను బలోపేతం చేయదు మరియు వాటిని కండక్షన్ బ్యాండ్‌కు బదిలీ చేయదు. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, 0 K వద్ద ఇటువంటి స్ఫటికాలు ఆదర్శ అవాహకాలుగా ఉండాలి. ఉష్ణోగ్రత పెరిగినప్పుడు లేదా అటువంటి స్ఫటికం వికిరణం అయినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్లు కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోకి వెళ్లడానికి తగినంత థర్మల్ లేదా రేడియంట్ శక్తిని గ్రహించగలవు. ఈ పరివర్తన సమయంలో, వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో రంధ్రాలు కనిపిస్తాయి, ఇవి విద్యుత్ బదిలీలో కూడా పాల్గొనవచ్చు. వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి కండక్షన్ బ్యాండ్‌కి ఎలక్ట్రాన్ బదిలీ అయ్యే సంభావ్యత దీనికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది ( -ఇg/ kT), ఎక్కడ ఇg - నిషేధించబడిన జోన్ యొక్క వెడల్పు. పెద్ద విలువతో ఇg (2-3 eV) ఈ సంభావ్యత చాలా చిన్నదిగా మారుతుంది.
అందువలన, లోహాలు మరియు నాన్-లోహాలుగా పదార్థాల విభజన చాలా ఖచ్చితమైన ఆధారాన్ని కలిగి ఉంటుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, నాన్‌మెటల్స్‌ను సెమీకండక్టర్స్ మరియు డైఎలెక్ట్రిక్‌లుగా విభజించడం అటువంటి ఆధారాన్ని కలిగి ఉండదు మరియు ఇది పూర్తిగా షరతులతో కూడుకున్నది.
బ్యాండ్ గ్యాప్ ఉన్న పదార్ధాలను విద్యుద్వాహకాలుగా వర్గీకరించవచ్చని గతంలో నమ్మేవారు ఇg≈ 2÷3 eV, కానీ తరువాత వాటిలో చాలా సాధారణ సెమీకండక్టర్లు అని తేలింది. అంతేకాకుండా, ఒక భాగం యొక్క మలినాలను లేదా అదనపు (స్టోయికియోమెట్రిక్ కూర్పు పైన) అణువుల సాంద్రతను బట్టి, అదే క్రిస్టల్ సెమీకండక్టర్ మరియు ఇన్సులేటర్ రెండూ కావచ్చునని చూపబడింది. ఇది వజ్రం, జింక్ ఆక్సైడ్, గాలియం నైట్రైడ్ మొదలైన వాటి స్ఫటికాలకు వర్తిస్తుంది. బేరియం మరియు స్ట్రోంటియం టైటనేట్‌ల వంటి విలక్షణమైన విద్యుద్వాహకాలు కూడా, అలాగే రూటిల్, పాక్షిక తగ్గింపుపై, సెమీకండక్టర్ల లక్షణాలను పొందుతాయి, ఇది వాటిలో అదనపు లోహ అణువుల రూపానికి సంబంధించినది.
నాన్‌మెటల్స్‌ను సెమీకండక్టర్లు మరియు డైఎలెక్ట్రిక్‌లుగా విభజించడం కూడా ఒక నిర్దిష్ట అర్థాన్ని కలిగి ఉంది, ఎందుకంటే అనేక స్ఫటికాలు వాటి ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతను మలినాలను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా లేదా ప్రకాశం లేదా వేడి చేయడం ద్వారా గమనించదగ్గ విధంగా పెంచలేవు. ఇది ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ల యొక్క అతి తక్కువ జీవితకాలం కారణంగా లేదా స్ఫటికాలలో లోతైన ఉచ్చుల ఉనికి కారణంగా లేదా ఎలక్ట్రాన్ల యొక్క అతి తక్కువ చలనశీలత కారణంగా ఉంటుంది, అనగా. విద్యుత్ క్షేత్రంలో వారి డ్రిఫ్ట్ యొక్క అతి తక్కువ వేగంతో.
విద్యుత్ వాహకత ఏకాగ్రత n, ఛార్జ్ e మరియు ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల చలనశీలతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. అందువల్ల, వివిధ పదార్థాల వాహకత యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటం సూచించిన పారామితుల యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. అన్ని ఎలక్ట్రానిక్ కండక్టర్లకు ఛార్జ్ ఇస్థిరంగా మరియు ఉష్ణోగ్రత నుండి స్వతంత్రంగా ఉంటుంది. చాలా పదార్థాలలో, కదిలే ఎలక్ట్రాన్లు మరియు ఫోనాన్‌ల మధ్య ఘర్షణల తీవ్రత పెరగడం వల్ల ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ చలనశీలత విలువ సాధారణంగా కొద్దిగా తగ్గుతుంది, అనగా. క్రిస్టల్ లాటిస్ యొక్క కంపనాల ద్వారా ఎలక్ట్రాన్ వికీర్ణం కారణంగా. అందువల్ల, లోహాలు, సెమీకండక్టర్లు మరియు విద్యుద్వాహకముల యొక్క విభిన్న ప్రవర్తన ప్రధానంగా ఛార్జ్ క్యారియర్ ఏకాగ్రత మరియు దాని ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది:
1) లోహాలలో, ఛార్జ్ క్యారియర్లు n యొక్క గాఢత ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు ఉష్ణోగ్రత మార్పులతో కొద్దిగా మారుతుంది. విద్యుత్ వాహకత కోసం సమీకరణంలో చేర్చబడిన వేరియబుల్ చలనశీలత. మరియు చలనశీలత ఉష్ణోగ్రతతో కొద్దిగా తగ్గుతుంది కాబట్టి, విద్యుత్ వాహకత కూడా తగ్గుతుంది;
2) సెమీకండక్టర్స్ మరియు డైఎలెక్ట్రిక్స్‌లో nసాధారణంగా ఉష్ణోగ్రతతో విపరీతంగా పెరుగుతుంది. ఈ వేగవంతమైన పెరుగుదల nచలనశీలతలో తగ్గుదల కంటే వాహకతలో మార్పులకు అత్యంత ముఖ్యమైన సహకారాన్ని అందిస్తుంది. అందువల్ల, పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో విద్యుత్ వాహకత వేగంగా పెరుగుతుంది. ఈ కోణంలో, విద్యుద్వాహకాలను ఒక నిర్దిష్ట పరిమితి కేసుగా పరిగణించవచ్చు, ఎందుకంటే సాధారణ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద విలువ nఈ పదార్ధాలలో చాలా చిన్నది. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, వ్యక్తిగత విద్యుద్వాహకము యొక్క వాహకత పెరుగుదల కారణంగా సెమీకండక్టర్ స్థాయికి చేరుకుంటుంది n. వ్యతిరేకత కూడా గమనించబడుతుంది - తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, కొన్ని సెమీకండక్టర్లు అవాహకాలుగా మారతాయి.
గ్రంథ పట్టిక
- వెస్ట్ A. ఘనపదార్థాల రసాయన శాస్త్రం. పార్ట్ 2 ప్రతి. ఇంగ్లీష్ నుండి - M.: మీర్, 1988. - 336 p.
- ఆధునిక క్రిస్టలోగ్రఫీ. T.4 స్ఫటికాల భౌతిక లక్షణాలు. - M.: నౌకా, 1981.
కెమిస్ట్రీ ఫ్యాకల్టీ యొక్క గ్రూప్ 501 యొక్క విద్యార్థులు: బెజ్జుబోవ్ S.I., వోరోబయోవా N.A., ఎఫిమోవ్ A.A.
వాక్యూమ్ పరికరాల కంటే వాటి వినియోగానికి ప్రాధాన్యతనిచ్చే అనేక లక్షణాలను కలిగి ఉన్న సెమీకండక్టర్ పరికరాలు ఎలక్ట్రానిక్ టెక్నాలజీలో ఎక్కువగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, సెమీకండక్టర్ ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో పురోగతి ద్వారా వర్గీకరించబడింది, కొత్త భౌతిక సూత్రాల ఆధారంగా పరికరాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి.
సెమీకండక్టర్లలో సిలికాన్, జెర్మేనియం, ఇండియం, ఫాస్పరస్ మొదలైన అనేక రసాయన మూలకాలు ఉన్నాయి, చాలా ఆక్సైడ్లు, సల్ఫైడ్లు, సెలీనైడ్లు మరియు టెల్యురైడ్లు, కొన్ని మిశ్రమాలు మరియు అనేక ఖనిజాలు ఉన్నాయి. విద్యావేత్త A.F. Ioffe ప్రకారం, "సెమీకండక్టర్లు దాదాపు మన చుట్టూ ఉన్న మొత్తం అకర్బన ప్రపంచం."
సెమీకండక్టర్స్ స్ఫటికాకార, నిరాకార మరియు ద్రవ. సెమీకండక్టర్ టెక్నాలజీలో, సాధారణంగా స్ఫటికాకార సెమీకండక్టర్లను మాత్రమే ఉపయోగిస్తారు (ప్రధాన పదార్ధంలోని 1010 పరమాణువులకు ఒకటి కంటే ఎక్కువ మలినాలు లేని మలినాలతో ఒకే స్ఫటికాలు). సాధారణంగా, సెమీకండక్టర్లలో విద్యుత్ వాహకత పరంగా, లోహాలు మరియు విద్యుద్వాహకము (అందుకే వాటి పేరు యొక్క మూలం) మధ్య ఇంటర్మీడియట్ స్థానాన్ని ఆక్రమించే పదార్థాలు ఉంటాయి. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, వారి నిర్దిష్ట విద్యుత్ వాహకత 10-8 నుండి 105 S / m వరకు ఉంటుంది (లోహాలకు - 106-108 S / m, విద్యుద్వాహకానికి - 10-8-10-13 S / m). సెమీకండక్టర్స్ యొక్క ప్రధాన లక్షణం పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో విద్యుత్ వాహకత పెరుగుదల (లోహాలకు ఇది వస్తుంది). సెమీకండక్టర్స్ యొక్క విద్యుత్ వాహకత బాహ్య ప్రభావాలపై గణనీయంగా ఆధారపడి ఉంటుంది: తాపన, వికిరణం, విద్యుత్ మరియు అయస్కాంత క్షేత్రాలు, ఒత్తిడి, త్వరణం, అలాగే చిన్న మొత్తంలో మలినాలను కూడా కలిగి ఉంటుంది. సెమీకండక్టర్స్ యొక్క లక్షణాలు ఘనపదార్థాల బ్యాండ్ సిద్ధాంతాన్ని ఉపయోగించి బాగా వివరించబడ్డాయి.
అన్ని పదార్ధాల పరమాణువులు న్యూక్లియస్ మరియు ఎలక్ట్రాన్లు కేంద్రకం చుట్టూ మూసి ఉన్న కక్ష్యలో కదులుతూ ఉంటాయి. పరమాణువులోని ఎలక్ట్రాన్లు షెల్లుగా విభజించబడ్డాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాలను రూపొందించడానికి ఉపయోగించే ప్రధాన సెమీకండక్టర్లు - సిలికాన్ మరియు జెర్మేనియం - టెట్రాహెడ్రల్ క్రిస్టల్ లాటిస్ (సాధారణ త్రిభుజాకార పిరమిడ్ ఆకారాన్ని కలిగి ఉంటుంది) (Fig. 16.1). విమానంలో Ge నిర్మాణం యొక్క ప్రొజెక్షన్ అంజీర్లో చూపబడింది. 16.2 ప్రతి వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్, అనగా, ఒక స్ఫటికంలో బయటి, పూరించని, అణువు యొక్క షెల్ మీద ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ దాని స్వంతదానికే కాకుండా, పొరుగు అణువు యొక్క కేంద్రకానికి కూడా చెందినది. క్రిస్టల్ లాటిస్‌లోని అన్ని పరమాణువులు ఒకదానికొకటి ఒకే దూరంలో ఉన్నాయి మరియు సమయోజనీయ బంధాల ద్వారా అనుసంధానించబడి ఉంటాయి (రెండు పరమాణువుల జత వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ల మధ్య బంధాన్ని సమయోజనీయ అంటారు; ఇది అంజీర్ 16.2లో రెండు పంక్తుల ద్వారా చూపబడింది). ఈ కనెక్షన్లు బలంగా ఉన్నాయి; వాటిని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి, మీరు బయటి నుండి శక్తిని వర్తింపజేయాలి.
ఎలక్ట్రాన్ శక్తి W వివిక్తమైనది లేదా పరిమాణీకరించబడింది, కాబట్టి ఎలక్ట్రాన్ దాని శక్తికి అనుగుణమైన కక్ష్యలో మాత్రమే కదలగలదు. ఎలక్ట్రాన్ శక్తి యొక్క సాధ్యమైన విలువలను శక్తి స్థాయిల ద్వారా రేఖాచిత్రంలో సూచించవచ్చు (Fig. 16.3). కక్ష్య కేంద్రకం నుండి ఎంత దూరంగా ఉంటే, ఎలక్ట్రాన్ యొక్క శక్తి ఎక్కువ మరియు దాని శక్తి స్థాయి పెరుగుతుంది. ఎలక్ట్రాన్లకు (నిషిద్ధ మండలాలు) నిషిద్ధ శక్తికి అనుగుణంగా శక్తి స్థాయిలు జోన్లు II ద్వారా వేరు చేయబడతాయి. ఘనపదార్థంలోని పొరుగు పరమాణువులు ఒకదానికొకటి చాలా దగ్గరగా ఉన్నందున, ఇది శక్తి స్థాయిల మార్పు మరియు విభజనకు కారణమవుతుంది, దీని ఫలితంగా అనుమతించబడిన బ్యాండ్‌లు (Fig. 16.3లో I, III, IV) అనే శక్తి బ్యాండ్‌లు ఏర్పడతాయి. అనుమతించబడిన బ్యాండ్ల వెడల్పు సాధారణంగా అనేక ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్లు. శక్తి బ్యాండ్‌లో, అనుమతించబడిన స్థాయిల సంఖ్య క్రిస్టల్‌లోని అణువుల సంఖ్యకు సమానంగా ఉంటుంది. ప్రతి అనుమతించబడిన జోన్ ఒక నిర్దిష్ట శక్తి ప్రాంతాన్ని ఆక్రమిస్తుంది మరియు కనిష్ట మరియు గరిష్ట శక్తి స్థాయిల ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది, వీటిని వరుసగా జోన్ యొక్క దిగువ మరియు పైకప్పు అని పిలుస్తారు.
ఎలక్ట్రాన్లు లేని అనుమతించబడిన మండలాలను ఫ్రీ (I) అంటారు. ఫ్రీ జోన్, దీనిలో 0 K ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎలక్ట్రాన్లు లేవు, కానీ అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద అవి దానిలో ఉండవచ్చు, దీనిని కండక్షన్ బ్యాండ్ అంటారు.
ఇది వాలెన్స్ బ్యాండ్ (III) పైన ఉంది - 0 K ఉష్ణోగ్రత వద్ద అన్ని శక్తి స్థాయిలు ఎలక్ట్రాన్లచే ఆక్రమించబడిన నిండిన బ్యాండ్ల ఎగువ భాగం.
బ్యాండ్ సిద్ధాంతంలో, ఘనపదార్థాలను లోహాలు, సెమీకండక్టర్లు మరియు ఇన్సులేటర్‌లుగా విభజించడం అనేది వాలెన్స్ మరియు కండక్షన్ బ్యాండ్ల మధ్య బ్యాండ్ గ్యాప్ మరియు అనుమతించబడిన ఎనర్జీ బ్యాండ్‌లను పూరించే స్థాయిపై ఆధారపడి ఉంటుంది (Fig. 16.4). బ్యాండ్ గ్యాప్ ΔWa అనేది అంతర్గత విద్యుత్ వాహకత యొక్క క్రియాశీలత శక్తిగా పిలువబడుతుంది. మెటల్ కోసం ΔWa = 0 (Fig. 16.4, a); సాంప్రదాయకంగా, ΔWa ≤ 2 eV వద్ద క్రిస్టల్ ఒక సెమీకండక్టర్ (Fig. 16.4,6), ΔWa ≥ 2 eV వద్ద ఇది విద్యుద్వాహకము (Fig. 16.4, c). సెమీకండక్టర్లలో ΔWa విలువ సాపేక్షంగా చిన్నది కాబట్టి, ఎలక్ట్రాన్‌కు ఉష్ణ చలనం యొక్క శక్తితో పోల్చదగిన శక్తిని అందించడానికి సరిపోతుంది, తద్వారా ఇది వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి కండక్షన్ బ్యాండ్‌కు కదులుతుంది. ఇది సెమీకండక్టర్ల యొక్క విశిష్టతను వివరిస్తుంది - పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో విద్యుత్ వాహకత పెరుగుదల.
సెమీకండక్టర్ల విద్యుత్ వాహకత. అంతర్గత విద్యుత్ వాహకత. ఒక పదార్ధం విద్యుత్ వాహకతను కలిగి ఉండాలంటే, అది తప్పనిసరిగా ఉచిత ఛార్జ్ క్యారియర్‌లను కలిగి ఉండాలి. లోహాలలో ఇటువంటి చార్జ్ క్యారియర్లు ఎలక్ట్రాన్లు. సెమీకండక్టర్లలో ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఉంటాయి.
అంతర్గత సెమీకండక్టర్స్ (ఐ-టైప్) యొక్క విద్యుత్ వాహకతను పరిశీలిద్దాం, అనగా మలినాలను కలిగి ఉండని మరియు క్రిస్టల్ లాటిస్‌లో నిర్మాణ లోపాలు లేని పదార్థాలు (ఖాళీ సైట్‌లు, లాటిస్ షిఫ్ట్‌లు మొదలైనవి) 0 K ఉష్ణోగ్రత వద్ద, అక్కడ అటువంటి సెమీకండక్టర్లో ఉచిత ఛార్జ్ క్యారియర్లు లేవు. అయినప్పటికీ, పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో (లేదా లైటింగ్ వంటి ఇతర శక్తివంతమైన ప్రభావాలు), కొన్ని సమయోజనీయ బంధాలు విచ్ఛిన్నమవుతాయి మరియు వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు స్వేచ్ఛగా మారతాయి, వాటి అణువు నుండి దూరంగా ఉండవచ్చు (Fig. 16.5). ఎలక్ట్రాన్ యొక్క నష్టం అణువును సానుకూల అయాన్‌గా మారుస్తుంది. బంధాలలో, ఎలక్ట్రాన్ ఉన్న ప్రదేశంలో, ఒక ఉచిత ("ఖాళీ") స్థలం కనిపిస్తుంది - ఒక రంధ్రం. రంధ్రం యొక్క ఛార్జ్ సానుకూలంగా ఉంటుంది మరియు సంపూర్ణ విలువలో ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఛార్జ్కి సమానంగా ఉంటుంది.
ఖాళీ స్థలం - ఒక రంధ్రం - పొరుగు పరమాణువు యొక్క వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ ద్వారా పూరించబడుతుంది, దీని స్థానంలో సమయోజనీయ బంధంలో కొత్త రంధ్రం ఏర్పడుతుంది, అందువలన, వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ల కదలికతో పాటు, రంధ్రాలు కూడా కదులుతాయి. క్రిస్టల్ లాటిస్‌లో అణువులు నోడ్‌ల వద్ద “కఠినంగా” స్థిరంగా ఉన్నాయని గుర్తుంచుకోవాలి. ఒక అణువు నుండి ఎలక్ట్రాన్ యొక్క నిష్క్రమణ అయనీకరణకు దారితీస్తుంది మరియు రంధ్రం యొక్క తదుపరి కదలిక అంటే "స్థిర" పరమాణువుల ప్రత్యామ్నాయ అయనీకరణం. విద్యుత్ క్షేత్రం లేనట్లయితే, ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్లు అస్తవ్యస్తమైన ఉష్ణ చలనానికి లోనవుతాయి. సెమీకండక్టర్‌ను బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రంలో ఉంచినట్లయితే, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు, అస్తవ్యస్తమైన థర్మల్ మోషన్‌లో పాల్గొనడం కొనసాగిస్తూ, ఫీల్డ్ ప్రభావంతో కదలడం (డ్రిఫ్ట్) ప్రారంభమవుతుంది, ఇది విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని సృష్టిస్తుంది. ఈ సందర్భంలో, ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క దిశకు వ్యతిరేకంగా కదులుతాయి మరియు సానుకూల చార్జ్‌ల వంటి రంధ్రాలు క్షేత్రం యొక్క దిశలో కదులుతాయి. సమయోజనీయ బంధాల అంతరాయం ఫలితంగా ఏర్పడే సెమీకండక్టర్ యొక్క విద్యుత్ వాహకతను అంతర్గత విద్యుత్ వాహకత అంటారు.
సెమీకండక్టర్ల యొక్క విద్యుత్ వాహకతను బ్యాండ్ సిద్ధాంతాన్ని ఉపయోగించి కూడా వివరించవచ్చు. దానికి అనుగుణంగా, 0 K ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాలెన్స్ బ్యాండ్ యొక్క అన్ని శక్తి స్థాయిలు ఎలక్ట్రాన్లచే ఆక్రమించబడతాయి. ఎలక్ట్రాన్లకు బయటి నుండి ఆక్టివేషన్ ఎనర్జీ ΔWa కంటే ఎక్కువ శక్తిని ఇస్తే, కొన్ని వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు కండక్షన్ బ్యాండ్‌కి వెళతాయి, అక్కడ అవి స్వేచ్ఛగా లేదా ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్‌లుగా మారతాయి. వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్ల నిష్క్రమణ కారణంగా, దానిలో రంధ్రాలు ఏర్పడతాయి, వాటి సంఖ్య, సహజంగా, మిగిలిపోయిన ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యకు సమానంగా ఉంటుంది. రంధ్రాలు ఎలక్ట్రాన్లచే ఆక్రమించబడతాయి, దీని శక్తి వాలెన్స్ బ్యాండ్ స్థాయిల శక్తికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. పర్యవసానంగా, వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో, ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక రంధ్రాలను వ్యతిరేక దిశలో కదిలేలా చేస్తుంది. వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో ఎలక్ట్రాన్లు తిరుగుతున్నప్పటికీ, సాధారణంగా రంధ్రాల కదలికను పరిగణనలోకి తీసుకోవడం మరింత సౌకర్యవంతంగా ఉంటుంది.
కండక్షన్ ఎలక్ట్రాన్-కండక్షన్ హోల్ జత ఏర్పడే ప్రక్రియను ఒక జత ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల తరం అంటారు (Fig. 16.6లో 1). సెమీకండక్టర్ యొక్క అంతర్గత విద్యుత్ వాహకత అనేది కండక్షన్ ఎలక్ట్రాన్-కండక్షన్ హోల్ జతల ఉత్పత్తి వల్ల కలిగే విద్యుత్ వాహకత అని మనం చెప్పగలం. రంధ్రం ఎలక్ట్రాన్‌తో నింపబడితే ఫలితంగా ఏర్పడే ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలు అదృశ్యమవుతాయి: ఎలక్ట్రాన్ స్వేచ్ఛగా మారుతుంది మరియు కదిలే సామర్థ్యాన్ని కోల్పోతుంది మరియు పరమాణు అయాన్ యొక్క అదనపు ధనాత్మక చార్జ్ తటస్థీకరించబడుతుంది. ఈ సందర్భంలో, రంధ్రం మరియు ఎలక్ట్రాన్ రెండూ ఏకకాలంలో అదృశ్యమవుతాయి. ఒక ఎలక్ట్రాన్ మరియు ఒక రంధ్రాన్ని తిరిగి కలిపే ప్రక్రియను రీకాంబినేషన్ అంటారు (Fig. 16.6లో 2). రీకాంబినేషన్, బ్యాండ్ సిద్ధాంతానికి అనుగుణంగా, కండక్షన్ బ్యాండ్ నుండి వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని ఉచిత ప్రదేశాలకు ఎలక్ట్రాన్ల పరివర్తనగా పరిగణించబడుతుంది. అధిక శక్తి స్థాయి నుండి తక్కువ స్థాయికి ఎలక్ట్రాన్ల పరివర్తన శక్తి విడుదలతో కూడి ఉంటుందని గమనించండి, ఇది కాంతి క్వాంటా (ఫోటాన్లు) రూపంలో విడుదల చేయబడుతుంది లేదా థర్మల్ వైబ్రేషన్ల రూపంలో (ఫోనాన్లు) క్రిస్టల్ లాటిస్‌కు బదిలీ చేయబడుతుంది. ) ఒక జత ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల సగటు జీవితకాలం క్యారియర్ జీవితకాలం అంటారు. ఛార్జ్ క్యారియర్ తన జీవితకాలంలో ప్రయాణించే సగటు దూరాన్ని ఛార్జ్ క్యారియర్ యొక్క విస్తరణ పొడవు అంటారు (Lр, - రంధ్రాల కోసం, Ln - ఎలక్ట్రాన్ల కోసం).
స్థిరమైన ఉష్ణోగ్రత వద్ద (మరియు ఇతర బాహ్య ప్రభావాలు లేనప్పుడు), స్ఫటికం సమతౌల్య స్థితిలో ఉంటుంది: ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల ఉత్పత్తి చేయబడిన జతల సంఖ్య తిరిగి కలిపిన జతల సంఖ్యకు సమానం. యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల సంఖ్య, అంటే వాటి ఏకాగ్రత, నిర్దిష్ట విద్యుత్ వాహకత విలువను నిర్ణయిస్తుంది. అంతర్గత సెమీకండక్టర్ కోసం, ఎలక్ట్రాన్ ఏకాగ్రత ni రంధ్ర ఏకాగ్రత pi (ni = pi)కి సమానం.
అశుద్ధ విద్యుత్ వాహకత. సెమీకండక్టర్లో ఒక అశుద్ధాన్ని ప్రవేశపెట్టినట్లయితే, దాని స్వంత విద్యుత్ వాహకతతో పాటు అది కూడా ఒక అశుద్ధతను కలిగి ఉంటుంది. అశుద్ధ విద్యుత్ వాహకత ఎలక్ట్రానిక్ లేదా రంధ్రం కావచ్చు. ఒక ఉదాహరణగా, పెంటావాలెంట్ మూలకం యొక్క అశుద్ధత, ఉదాహరణకు ఆర్సెనిక్, స్వచ్ఛమైన జెర్మేనియం (ఒక టెట్రావాలెంట్ మూలకం) (Fig. 16.7, a) లోకి ప్రవేశపెట్టబడినప్పుడు కేసును పరిగణించండి. ఆర్సెనిక్ అణువు సమయోజనీయ బంధాల ద్వారా జెర్మేనియం క్రిస్టల్ లాటిస్‌లో బంధించబడింది. కానీ ఆర్సెనిక్ యొక్క నాలుగు వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు మాత్రమే బంధంలో పాల్గొనగలవు మరియు ఐదవ ఎలక్ట్రాన్ "అదనపు" గా మారుతుంది, ఆర్సెనిక్ అణువుకు తక్కువ బలంగా కట్టుబడి ఉంటుంది. ఈ ఎలక్ట్రాన్ను అణువు నుండి దూరంగా చింపివేయడానికి, చాలా తక్కువ శక్తి అవసరమవుతుంది, కాబట్టి ఇప్పటికే గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఇది సమయోజనీయ బంధంలో రంధ్రం వదలకుండా ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్‌గా మారుతుంది. అందువలన, క్రిస్టల్ లాటిస్ యొక్క ప్రదేశంలో సానుకూలంగా చార్జ్ చేయబడిన అశుద్ధ అయాన్ కనిపిస్తుంది మరియు క్రిస్టల్‌లో ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ కనిపిస్తుంది. పరమాణువులు ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లను దానం చేసే మలినాలను దాతలు అంటారు.
అంజీర్లో. మూర్తి 16.7b దాత అశుద్ధతతో సెమీకండక్టర్ యొక్క శక్తి బ్యాండ్ రేఖాచిత్రాన్ని చూపుతుంది. కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువన ఉన్న బ్యాండ్ గ్యాప్‌లో, అనుమతించబడిన శక్తి స్థాయి (అపవిత్రత, దాత) సృష్టించబడుతుంది, దానిపై "అదనపు" ఎలక్ట్రాన్లు 0 Kకి దగ్గరగా ఉన్న ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉంటాయి. ఎలక్ట్రాన్ను అశుద్ధ స్థాయి నుండి కండక్షన్ బ్యాండ్‌కి బదిలీ చేయడానికి వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్ను బదిలీ చేయడం కంటే తక్కువ శక్తి అవసరం. దాత స్థాయి నుండి కండక్షన్ బ్యాండ్ దిగువకు ఉన్న దూరాన్ని దాతల అయనీకరణ (యాక్టివేషన్) శక్తి అంటారు ΔWand.
సెమీకండక్టర్లో దాత మలినాన్ని ప్రవేశపెట్టడం వల్ల ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల సాంద్రత గణనీయంగా పెరుగుతుంది, అయితే హోల్ ఏకాగ్రత స్థానిక సెమీకండక్టర్లో ఉన్నట్లుగానే ఉంటుంది. అటువంటి అశుద్ధ సెమీకండక్టర్లో, ఎలక్ట్రికల్ కండక్టివిటీ ప్రధానంగా ఎలక్ట్రాన్ల వల్ల వస్తుంది, దీనిని ఎలక్ట్రానిక్ అని పిలుస్తారు మరియు సెమీకండక్టర్లను n-రకం సెమీకండక్టర్స్ అని పిలుస్తారు. n-రకం సెమీకండక్టర్లలోని ఎలక్ట్రాన్లు మెజారిటీ ఛార్జ్ క్యారియర్లు (వాటి ఏకాగ్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది), మరియు రంధ్రాలు మైనారిటీ క్యారియర్లు.
ఒక ట్రివాలెంట్ మూలకం (ఉదాహరణకు, ఇండియం) యొక్క మలినాన్ని జెర్మేనియంలోకి ప్రవేశపెట్టినట్లయితే, జెర్మేనియంతో ఎనిమిది-ఎలక్ట్రాన్ సమయోజనీయ బంధాన్ని ఏర్పరచడానికి ఇండియమ్‌కు ఒక ఎలక్ట్రాన్ సరిపోదు. ఒక కనెక్షన్ ఖాళీగా ఉంటుంది. ఉష్ణోగ్రతలో స్వల్ప పెరుగుదలతో, పొరుగున ఉన్న జెర్మేనియం అణువు నుండి ఒక ఎలక్ట్రాన్ పూరించని వాలెన్స్ బాండ్‌లోకి వెళ్లి, దాని స్థానంలో ఒక రంధ్రం వదిలివేయవచ్చు (Fig. 16.8, a), ఇది ఎలక్ట్రాన్ మొదలైనవాటితో కూడా నింపబడుతుంది. అందువలన, సెమీకండక్టర్లో రంధ్రం కదులుతున్నట్లు అనిపిస్తుంది. అశుద్ధ అణువు ప్రతికూల అయాన్‌గా మారుతుంది. పరమాణువులు, ఉత్తేజితం అయినప్పుడు, పొరుగు పరమాణువుల నుండి వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లను స్వీకరించే సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉండే మలినాలు, వాటిలో రంధ్రం సృష్టించడం, వాటిని అంగీకరించేవారు లేదా అంగీకరించేవారు అంటారు.
అంజీర్లో. అంగీకార అశుద్ధతతో సెమీకండక్టర్ యొక్క శక్తి బ్యాండ్ల రేఖాచిత్రాన్ని మూర్తి 16.8b చూపుతుంది. వాలెన్స్ బ్యాండ్ ఎగువన ఉన్న బ్యాండ్ గ్యాప్‌లో అశుద్ధ శక్తి స్థాయి (అంగీకారుడు) సృష్టించబడుతుంది. 0 K కి దగ్గరగా ఉన్న ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో ఈ స్థాయి ఉచితం, ఇది వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని ఎలక్ట్రాన్ ద్వారా ఆక్రమించబడుతుంది, దీనిలో ఎలక్ట్రాన్ ఆకులు తర్వాత ఒక రంధ్రం ఏర్పడుతుంది. వాలెన్స్ బ్యాండ్ ఎగువ నుండి అంగీకార స్థాయికి ఉన్న దూరాన్ని అంగీకారాల యొక్క అయనీకరణ (యాక్టివేషన్) శక్తి అంటారు ΔWA. సెమీకండక్టర్లో అంగీకార మలినాన్ని ప్రవేశపెట్టడం వలన రంధ్రం ఏకాగ్రత గణనీయంగా పెరుగుతుంది, అయితే ఎలక్ట్రాన్ ఏకాగ్రత స్థానిక సెమీకండక్టర్లో ఉన్నట్లుగానే ఉంటుంది. ఈ అశుద్ధ సెమీకండక్టర్లో, విద్యుత్ వాహకత ప్రధానంగా రంధ్రాల వల్ల వస్తుంది, దీనిని హోల్ కండక్టివిటీ అని పిలుస్తారు మరియు సెమీకండక్టర్లను p-టైప్ సెమీకండక్టర్స్ అంటారు. p-రకం సెమీకండక్టర్ కోసం, రంధ్రాలు మెజారిటీ ఛార్జ్ క్యారియర్లు, మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మైనారిటీ ఛార్జ్ క్యారియర్లు.
అశుద్ధ సెమీకండక్టర్లలో, అశుద్ధ విద్యుత్ వాహకతతో పాటు, మైనారిటీ క్యారియర్‌ల ఉనికి కారణంగా అంతర్గత వాహకత కూడా ఉంటుంది. ఒక అశుద్ధ సెమీకండక్టర్లో మైనారిటీ క్యారియర్‌ల ఏకాగ్రత మెజారిటీ క్యారియర్‌ల ఏకాగ్రత పెరిగే కొద్దీ చాలా సార్లు తగ్గుతుంది, కాబట్టి n-రకం సెమీకండక్టర్లకు సంబంధం nnpn = nipi = ni2 = pi2 చెల్లుతుంది మరియు p-రకం సెమీకండక్టర్లకు సంబంధం ppnp = ni2 = pi2, ఇక్కడ nn మరియు pn అనేది మెజారిటీ క్యారియర్‌ల ఏకాగ్రత, మరియు pp మరియు np అనేది n- మరియు p-రకం సెమీకండక్టర్లో వరుసగా మైనారిటీ ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల సాంద్రత.
అశుద్ధ సెమీకండక్టర్ యొక్క నిర్దిష్ట విద్యుత్ వాహకత మెజారిటీ క్యారియర్‌ల ఏకాగ్రత ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది మరియు వాటి ఏకాగ్రత ఎక్కువ. ఆచరణలో, సెమీకండక్టర్ దాత మరియు అంగీకరించే మలినాలను కలిగి ఉన్నప్పుడు తరచుగా ఒక సందర్భం ఉంటుంది. అప్పుడు విద్యుత్ వాహకత రకం అశుద్ధత ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది, వీటిలో ఏకాగ్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది. Nd దాతలు మరియు Na అంగీకరించేవారి సాంద్రతలు సమానంగా ఉండే సెమీకండక్టర్ (Nd = Na)) పరిహారం అంటారు.
విద్యుత్ కండక్టర్లతో పాటు, మెటల్ కండక్టర్ల కంటే గణనీయంగా తక్కువ విద్యుత్ వాహకత కలిగిన అనేక పదార్థాలు ప్రకృతిలో ఉన్నాయి. ఈ రకమైన పదార్ధాలను సెమీకండక్టర్స్ అంటారు.
సెమీకండక్టర్స్‌లో ఇవి ఉన్నాయి: సెలీనియం, సిలికాన్ మరియు జెర్మేనియం వంటి కొన్ని రసాయన మూలకాలు, థాలియం సల్ఫైడ్, కాడ్మియం సల్ఫైడ్, సిల్వర్ సల్ఫైడ్ వంటి సల్ఫర్ సమ్మేళనాలు, కార్బోరండం వంటి కార్బైడ్‌లు,కార్బన్ (వజ్రం),బోరాన్, గ్రే టిన్, ఫాస్ఫరస్, యాంటిమోనీ, ఆర్సెనిక్, టెల్లూరియం, అయోడిన్ మరియు ఆవర్తన వ్యవస్థలోని 4వ - 7వ సమూహాల మూలకాలలో కనీసం ఒకదానిని కలిగి ఉండే అనేక సమ్మేళనాలు. సేంద్రీయ సెమీకండక్టర్లు కూడా ఉన్నాయి.
సెమీకండక్టర్ యొక్క విద్యుత్ వాహకత యొక్క స్వభావం సెమీకండక్టర్ యొక్క మూల పదార్థంలో ఉన్న మలినాలను మరియు దాని భాగాల తయారీ సాంకేతికతపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
సెమీకండక్టర్ అనేది 10 -10 - 10 4 (ఓం x సెం.మీ.) -1 కలిగిన పదార్ధం, ఇది ఈ లక్షణాల ప్రకారం, కండక్టర్ మరియు ఇన్సులేటర్ మధ్య ఉంటుంది. బ్యాండ్ సిద్ధాంతం ప్రకారం కండక్టర్లు, సెమీకండక్టర్లు మరియు ఇన్సులేటర్ల మధ్య వ్యత్యాసం క్రింది విధంగా ఉంది: స్వచ్ఛమైన సెమీకండక్టర్స్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ ఇన్సులేటర్లలో, నింపిన బ్యాండ్ (వాలెన్స్) మరియు కండక్షన్ బ్యాండ్ మధ్య శక్తి అంతరం ఉంటుంది.
సెమీకండక్టర్లు కరెంట్‌ను ఎందుకు నిర్వహిస్తాయి?
ఒక సెమీకండక్టర్ దాని అశుద్ధ పరమాణువులలోని బాహ్య ఎలక్ట్రాన్లు ఈ పరమాణువుల కేంద్రకాలతో సాపేక్షంగా బలహీనంగా బంధించబడి ఉంటే అది ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతను కలిగి ఉంటుంది. ఈ రకమైన సెమీకండక్టర్లో విద్యుత్ క్షేత్రం సృష్టించబడితే, ఈ ఫీల్డ్ యొక్క శక్తుల ప్రభావంతో, సెమీకండక్టర్ యొక్క అశుద్ధ అణువుల బాహ్య ఎలక్ట్రాన్లు వాటి పరమాణువుల పరిమితులను విడిచిపెట్టి, ఉచిత ఎలక్ట్రాన్‌లుగా మారుతాయి.
ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ క్షేత్ర శక్తుల ప్రభావంతో సెమీకండక్టర్లో విద్యుత్ ప్రసరణ ప్రవాహాన్ని సృష్టిస్తాయి. పర్యవసానంగా, ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతతో సెమీకండక్టర్లలో విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క స్వభావం మెటల్ కండక్టర్లలో వలె ఉంటుంది. కానీ మెటల్ కండక్టర్ యొక్క యూనిట్ వాల్యూమ్ కంటే సెమీకండక్టర్ యొక్క యూనిట్ వాల్యూమ్‌లో చాలా రెట్లు తక్కువ ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లు ఉంటాయి కాబట్టి, అన్ని ఇతర ఒకే విధమైన పరిస్థితులలో, సెమీకండక్టర్‌లోని కరెంట్ ఒక కంటే చాలా రెట్లు తక్కువగా ఉంటుంది. మెటల్ కండక్టర్.
సెమీకండక్టర్‌కు “రంధ్రం” వాహకత ఉంటుంది, దాని అశుద్ధ పరమాణువులు వాటి బాహ్య ఎలక్ట్రాన్లను వదులుకోకపోవడమే కాకుండా, దీనికి విరుద్ధంగా, సెమీకండక్టర్ యొక్క ప్రధాన పదార్ధం యొక్క అణువుల నుండి ఎలక్ట్రాన్లను సంగ్రహిస్తాయి. ఒక అశుద్ధ అణువు ప్రధాన పదార్ధం యొక్క అణువు నుండి ఎలక్ట్రాన్ను తీసుకుంటే, తరువాతి కాలంలో ఎలక్ట్రాన్ కోసం ఖాళీ స్థలం వంటిది ఏర్పడుతుంది - “రంధ్రం”.
ఎలక్ట్రాన్ను కోల్పోయిన సెమీకండక్టర్ అణువును "ఎలక్ట్రాన్ రంధ్రం" లేదా కేవలం "రంధ్రం" అని పిలుస్తారు. “రంధ్రం” పొరుగు అణువు నుండి బదిలీ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్‌తో నిండి ఉంటే, అది తొలగించబడుతుంది మరియు అణువు విద్యుత్ తటస్థంగా మారుతుంది మరియు “రంధ్రం” ఎలక్ట్రాన్ను కోల్పోయిన పొరుగు అణువుకు స్థానభ్రంశం చెందుతుంది. పర్యవసానంగా, "రంధ్రం" వాహకత కలిగిన సెమీకండక్టర్ విద్యుత్ క్షేత్రానికి బహిర్గతమైతే, "ఎలక్ట్రాన్ రంధ్రాలు" ఈ ఫీల్డ్ యొక్క దిశలో మారతాయి.
పక్షపాతం ఎలెక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ యొక్క దిశలో "ఎలక్ట్రాన్ రంధ్రాలు" ఫీల్డ్‌లోని సానుకూల విద్యుత్ ఛార్జీల కదలికను పోలి ఉంటుంది మరియు అందువల్ల సెమీకండక్టర్లో విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క దృగ్విషయాన్ని సూచిస్తుంది.
సెమీకండక్టర్లను వాటి విద్యుత్ వాహకత యొక్క మెకానిజం ద్వారా ఖచ్చితంగా వేరు చేయలేము, ఎందుకంటే వాటితో పాటు"రంధ్రం" వాహకతతో, ఇచ్చిన సెమీకండక్టర్ ఒక డిగ్రీ లేదా మరొకదానికి ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతను కలిగి ఉండవచ్చు.
సెమీకండక్టర్స్ దీని ద్వారా వర్గీకరించబడతాయి:
వాహకత రకం (ఎలక్ట్రానిక్ - n-రకం, రంధ్రం - p-రకం);
రెసిస్టివిటీ;
ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల జీవితకాలం (మైనారిటీ) లేదా విస్తరణ పొడవు, ఉపరితల రీకాంబినేషన్ రేటు;
తొలగుట సాంద్రత.
సిలికాన్ అత్యంత సాధారణ సెమీకండక్టర్ పదార్థం
సెమీకండక్టర్ల లక్షణాలపై ఉష్ణోగ్రత గణనీయమైన ప్రభావాన్ని చూపుతుంది. దానిలో పెరుగుదల ప్రధానంగా రెసిస్టివిటీలో తగ్గుదలకు దారితీస్తుంది మరియు దీనికి విరుద్ధంగా, అనగా సెమీకండక్టర్లు ప్రతికూల ఉనికిని కలిగి ఉంటాయి. . సంపూర్ణ సున్నాకి సమీపంలో, సెమీకండక్టర్ అవాహకం అవుతుంది.
సెమీకండక్టర్లు అనేక పరికరాలకు ఆధారం. చాలా సందర్భాలలో అవి ఒకే స్ఫటికాల రూపంలో పొందాలి. పేర్కొన్న లక్షణాలను అందించడానికి, సెమీకండక్టర్లు వివిధ మలినాలతో డోప్ చేయబడతాయి. మూలం సెమీకండక్టర్ పదార్థాల స్వచ్ఛతపై పెరిగిన డిమాండ్లు ఉంచబడతాయి.
సెమీకండక్టర్స్ ఆధునిక సాంకేతికతలో విస్తృతమైన అనువర్తనాన్ని కనుగొన్నాయి, అవి సాంకేతిక పురోగతిపై చాలా బలమైన ప్రభావాన్ని కలిగి ఉన్నాయి. వారికి ధన్యవాదాలు, ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల బరువు మరియు కొలతలు గణనీయంగా తగ్గించడం సాధ్యమవుతుంది. ఎలక్ట్రానిక్స్ యొక్క అన్ని రంగాల అభివృద్ధి సెమీకండక్టర్ పరికరాల ఆధారంగా పెద్ద సంఖ్యలో వివిధ పరికరాల సృష్టి మరియు మెరుగుదలకు దారితీస్తుంది. సెమీకండక్టర్ పరికరాలు మైక్రోసెల్‌లు, మైక్రోమాడ్యూల్స్, సాలిడ్-స్టేట్ సర్క్యూట్‌లు మొదలైన వాటికి ఆధారంగా పనిచేస్తాయి.
సెమీకండక్టర్ పరికరాలపై ఆధారపడిన ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు ఆచరణాత్మకంగా జడత్వం లేనివి. జాగ్రత్తగా నిర్మించబడిన మరియు బాగా మూసివేసిన సెమీకండక్టర్ పరికరం పదివేల గంటలపాటు ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, కొన్ని సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత పరిమితిని కలిగి ఉంటాయి (ఉదాహరణకు, జెర్మేనియం), కానీ చాలా క్లిష్టమైన ఉష్ణోగ్రత పరిహారం కాదు లేదా పరికరం యొక్క ప్రధాన పదార్థాన్ని మరొకదానితో భర్తీ చేయడం (ఉదాహరణకు, సిలికాన్, సిలికాన్ కార్బైడ్) ఈ ప్రతికూలతను ఎక్కువగా తొలగిస్తుంది. సెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీ సాంకేతికతను మెరుగుపరచడం అనేది ఇప్పటికే ఉన్న స్కాటర్ మరియు పారామితుల యొక్క అస్థిరతలో తగ్గింపుకు దారితీస్తుంది.
సెమీకండక్టర్లలో సృష్టించబడిన సెమీకండక్టర్-మెటల్ కాంటాక్ట్ మరియు ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంక్షన్ (n-p జంక్షన్) సెమీకండక్టర్ డయోడ్ల తయారీలో ఉపయోగించబడతాయి. డబుల్ జంక్షన్లు (p-n-p లేదా n-p-n) - ట్రాన్సిస్టర్లు మరియు థైరిస్టర్లు. ఈ పరికరాలు ప్రధానంగా విద్యుత్ సంకేతాలను సరిదిద్దడానికి, ఉత్పత్తి చేయడానికి మరియు విస్తరించడానికి ఉపయోగిస్తారు.
సెమీకండక్టర్ల ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాల ఆధారంగా, ఫోటోరేసిస్టర్లు, ఫోటోడియోడ్లు మరియు ఫోటోట్రాన్సిస్టర్లు సృష్టించబడతాయి. సెమీకండక్టర్ డోలనం జనరేటర్ల (యాంప్లిఫయర్లు) క్రియాశీల భాగంగా పనిచేస్తుంది. విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ముందుకు దిశలో pn జంక్షన్ గుండా పంపినప్పుడు, ఛార్జ్ క్యారియర్లు - ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు - LED లను రూపొందించడానికి ఉపయోగించే ఫోటాన్‌ల ఉద్గారాలతో తిరిగి కలుపుతాయి.
సెమీకండక్టర్ల యొక్క థర్మోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలు పెల్టియర్ ప్రభావం ఆధారంగా సెమీకండక్టర్ థర్మల్ రెసిస్టెన్స్, సెమీకండక్టర్ థర్మోఎలిమెంట్స్, థర్మోపైల్స్ మరియు థర్మోఎలెక్ట్రిక్ జనరేటర్లు మరియు సెమీకండక్టర్ల థర్మోఎలెక్ట్రిక్ శీతలీకరణను సృష్టించడం సాధ్యం చేశాయి - థర్మోఎలెక్ట్రిక్ రిఫ్రిజిరేటర్లు మరియు థర్మోస్టాబిలైజర్లు.
థర్మల్ మరియు సౌర శక్తిని విద్యుత్తుగా మార్చే యంత్రరహిత కన్వర్టర్లలో సెమీకండక్టర్లను ఉపయోగిస్తారు - థర్మోఎలెక్ట్రిక్ జనరేటర్లు మరియు ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ కన్వర్టర్లు (సోలార్ బ్యాటరీలు).
సెమీకండక్టర్‌కు వర్తించే యాంత్రిక ఒత్తిడి దాని విద్యుత్ నిరోధకతను మారుస్తుంది (ప్రభావం లోహాలలో కంటే బలంగా ఉంటుంది), ఇది సెమీకండక్టర్ స్ట్రెయిన్ గేజ్‌కు ఆధారం.
సెమీకండక్టర్ పరికరాలు ప్రపంచ ఆచరణలో విస్తృతంగా మారాయి, ఇవి ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో విప్లవాత్మక మార్పులను కలిగి ఉన్నాయి:
కొలిచే పరికరాలు, కంప్యూటర్లు,
అన్ని రకాల కమ్యూనికేషన్లు మరియు రవాణా కోసం పరికరాలు,
పరిశ్రమలో ప్రక్రియ ఆటోమేషన్ కోసం,
శాస్త్రీయ పరిశోధన కోసం పరికరాలు,
రాకెట్ టెక్నాలజీ,
వైద్య పరికరములు
ఇతర ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు మరియు సాధనాలు.
సెమీకండక్టర్ పరికరాల ఉపయోగం కొత్త పరికరాలను సృష్టించడం మరియు పాత వాటిని మెరుగుపరచడం సాధ్యపడుతుంది, అంటే దాని కొలతలు, బరువు, విద్యుత్ వినియోగం మరియు అందువల్ల సర్క్యూట్లో ఉష్ణ ఉత్పత్తిలో తగ్గుదల, బలం పెరుగుదల, చర్య కోసం తక్షణ సంసిద్ధత , మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల సేవా జీవితాన్ని మరియు విశ్వసనీయతను పెంచవచ్చు.
సెమీకండక్టర్స్ యొక్క లక్షణాలు - అంబర్ యొక్క ఆస్తి, ఉన్నితో రుద్దడం తర్వాత, చిన్న వస్తువులను స్వయంగా ఆకర్షించడానికి, చాలా కాలం క్రితం గుర్తించబడింది. కానీ విద్యుత్ దృగ్విషయాలు, చంచలమైనవి మరియు అస్థిరమైనవి, అయస్కాంత దృగ్విషయాల నీడలో దీర్ఘకాలం ఉంటాయి, కాలక్రమేణా మరింత స్థిరంగా ఉంటాయి.
17వ మరియు 18వ శతాబ్దాలలో, విద్యుత్ ప్రయోగాలు విస్తృతంగా అందుబాటులోకి వచ్చాయి మరియు అనేక కొత్త ఆవిష్కరణలు జరిగాయి. 1729లో, ఆంగ్లేయుడు స్టీఫెన్ గ్రే అన్ని పదార్ధాలు 2 తరగతులుగా విభజించబడ్డాయని కనుగొన్నాడు: విద్యుదావేశాన్ని మోసుకెళ్లలేని ఇన్సులేటర్లు (ఘర్షణ ద్వారా విద్యుదీకరించవచ్చు కాబట్టి "ఎలక్ట్రిక్ బాడీస్" అని పిలుస్తారు), మరియు ఛార్జ్ మోయగల సామర్థ్యం కలిగిన కండక్టర్లు ("నాన్" అని పిలుస్తారు - విద్యుత్ సంస్థలు").
పదార్ధాల విద్యుత్ లక్షణాల గురించి ఆధునిక ఆలోచనలు
తదుపరి ఆలోచనల అభివృద్ధితో, విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నిర్వహించే పదార్థాల లక్షణాలను పరిమాణాత్మకంగా వర్గీకరించడం ప్రారంభమైంది - నిర్దిష్ట విద్యుత్ వాహకత విలువ ద్వారా, మీటరుకు సిమెన్స్‌లో (S/m) కొలుస్తారు. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, కండక్టర్ల వాహకత 10 6 నుండి 10 8 S / m పరిధిలో ఉంటుంది మరియు డైలెక్ట్రిక్స్ (ఇన్సులేటర్లు) కోసం ఇది 10 -8 S / m కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.
వాహకతలో ఇంటర్మీడియట్ స్థానాన్ని ఆక్రమించే పదార్ధాలను తార్కికంగా సెమీకండక్టర్స్ లేదా సెమీ-ఇన్సులేటర్స్ అంటారు. మొదటి పేరు చారిత్రాత్మకంగా పరిష్కరించబడింది. సెమీకండక్టర్ల వాహకత 10 -8 నుండి 10 6 S/m వరకు ఉంటుంది. ఈ 3 రకాల పదార్ధాల మధ్య పదునైన సరిహద్దులు లేవు; గుణాత్మక వ్యత్యాసాలు పరిమాణాత్మక లక్షణాలలో వ్యత్యాసం ద్వారా నిర్ణయించబడతాయి.
ఘనపదార్థంలోని ఎలక్ట్రాన్ ఏకపక్ష శక్తిని కలిగి ఉండదని భౌతిక శాస్త్రం నుండి తెలుసు, ఈ శక్తి శక్తి స్థాయిలు అని పిలువబడే కొన్ని విలువలను మాత్రమే తీసుకుంటుంది. పరమాణువులోని ఎలక్ట్రాన్ న్యూక్లియస్‌కి ఎంత దగ్గరగా ఉంటే దాని శక్తి అంత తక్కువగా ఉంటుంది. సుదూర ఎలక్ట్రాన్ అత్యధిక శక్తిని కలిగి ఉంటుంది. అణువు యొక్క బయటి షెల్ యొక్క ఎలక్ట్రాన్లు మాత్రమే (వాలెన్స్ బ్యాండ్ అని పిలవబడే ఎలక్ట్రాన్లు) విద్యుత్ మరియు రసాయన ప్రక్రియలలో పాల్గొంటాయి.
వాలెన్స్ బ్యాండ్ ఎలక్ట్రాన్ల కంటే ఎక్కువ శక్తి కలిగిన ఎలక్ట్రాన్లు కండక్షన్ బ్యాండ్ ఎలక్ట్రాన్‌లుగా వర్గీకరించబడ్డాయి. ఈ ఎలక్ట్రాన్లు వ్యక్తిగత పరమాణువులతో సంబంధం కలిగి ఉండవు మరియు అవి ప్రసరణను ప్రారంభించడానికి శరీరంలో యాదృచ్ఛికంగా కదులుతాయి.
కండక్షన్ బ్యాండ్‌కు ఎలక్ట్రాన్ను దానం చేసిన పదార్ధం యొక్క పరమాణువులు ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన అయాన్‌లుగా పరిగణించబడతాయి మరియు అవి కదలకుండా ఉంటాయి మరియు వాహక ఎలక్ట్రాన్లు కదిలే పదార్ధం యొక్క స్ఫటిక లాటిస్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. కండక్టర్లలో (లోహాలు), కండక్షన్ బ్యాండ్ వాలెన్స్ బ్యాండ్‌కు ప్రక్కనే ఉంటుంది మరియు జోక్యం లేకుండా ప్రతి మెటల్ అణువు ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్లను కండక్షన్ బ్యాండ్‌కు ఇస్తుంది, ఇది లోహాలకు విద్యుత్ వాహకత యొక్క ఆస్తిని అందిస్తుంది.
సెమీకండక్టర్ల లక్షణాలు బ్యాండ్ గ్యాప్ ద్వారా నిర్ణయించబడతాయి
సెమీకండక్టర్స్ మరియు డైలెక్ట్రిక్స్‌లో, వాలెన్స్ బ్యాండ్ మరియు కండక్షన్ బ్యాండ్ మధ్య పిలవబడేది ఉంది. నిషేధించబడిన ప్రాంతం. ఎలక్ట్రాన్లు ఈ జోన్ స్థాయిల శక్తికి అనుగుణంగా శక్తిని కలిగి ఉండవు. బ్యాండ్ గ్యాప్ యొక్క వెడల్పును బట్టి డైలెక్ట్రిక్స్ మరియు సెమీకండక్టర్స్‌గా పదార్థాల విభజన జరుగుతుంది. కొన్ని ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్ల (eV) బ్యాండ్ గ్యాప్‌తో, వాలెన్స్ బ్యాండ్ ఎలక్ట్రాన్లు కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోకి ప్రవేశించే అవకాశం తక్కువగా ఉంటుంది, ఇది ఈ పదార్ధాలను నాన్-కండక్టింగ్ చేస్తుంది. అందువలన, డైమండ్ 5.6 eV యొక్క బ్యాండ్ గ్యాప్‌ను కలిగి ఉంది. అయినప్పటికీ, పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో, వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని ఎలక్ట్రాన్లు వాటి శక్తిని పెంచుతాయి మరియు వాటిలో కొన్ని ప్రసరణ బ్యాండ్‌లోకి ప్రవేశిస్తాయి, ఇది విద్యుద్వాహకాలను ఇన్సులేటింగ్ లక్షణాలను మరింత దిగజార్చుతుంది.
బ్యాండ్ గ్యాప్ ఒక ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్ క్రమంలో ఉంటే, పదార్ధం గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఇప్పటికే గుర్తించదగిన వాహకతను పొందుతుంది, పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో మరింత వాహకంగా మారుతుంది. మేము అటువంటి పదార్ధాలను సెమీకండక్టర్లుగా వర్గీకరిస్తాము మరియు సెమీకండక్టర్ల లక్షణాలు బ్యాండ్ గ్యాప్ ద్వారా నిర్ణయించబడతాయి.
గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, సెమీకండక్టర్ల బ్యాండ్ గ్యాప్ 2.5-3 eV కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. ఉదాహరణగా, జెర్మేనియం యొక్క బ్యాండ్ గ్యాప్ 0.72 eV, మరియు సిలికాన్ 1.12 eV. వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్స్‌లో 2 eV కంటే ఎక్కువ బ్యాండ్‌గ్యాప్ ఉన్న సెమీకండక్టర్లు ఉంటాయి. సాధారణంగా, సెమీకండక్టర్ యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ ఎక్కువ, దాని ద్రవీభవన స్థానం ఎక్కువ. అందువలన, జెర్మేనియం 936 °C ద్రవీభవన స్థానం కలిగి ఉంటుంది మరియు సిలికాన్ 1414 °C ద్రవీభవన స్థానం కలిగి ఉంటుంది.
రెండు రకాల సెమీకండక్టర్ వాహకత - ఎలక్ట్రాన్ మరియు రంధ్రం
సంపూర్ణ సున్నా ఉష్ణోగ్రత వద్ద (-273 °C), స్వచ్ఛమైన సెమీకండక్టర్లో (అంతర్గత సెమీకండక్టర్ లేదా సెమీకండక్టర్ i-రకం) అన్ని ఎలక్ట్రాన్లు అణువులలో కనిపిస్తాయి మరియు సెమీకండక్టర్ ఒక అవాహకం. ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ, వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లు కండక్షన్ బ్యాండ్‌లోకి ప్రవేశిస్తాయి మరియు ఎలక్ట్రానిక్ ప్రసరణ జరుగుతుంది. కానీ ఒక అణువు ఎలక్ట్రాన్ను కోల్పోయినప్పుడు, అది ధనాత్మకంగా చార్జ్ అవుతుంది.
ఒక స్ఫటిక జాలకలో ఒక స్థానాన్ని ఆక్రమించిన అణువు విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క ప్రభావంతో కదలదు, కానీ ఇది పొరుగు అణువు నుండి ఎలక్ట్రాన్ను ఆకర్షించగలదు, దాని వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోని “రంధ్రం” నింపుతుంది. ఎలక్ట్రాన్ను కోల్పోయిన పరమాణువు, బయటి షెల్‌లో ఏర్పడిన “రంధ్రం” పూరించడానికి కూడా అవకాశం కోసం చూస్తుంది. ఒక రంధ్రం ధనాత్మక చార్జ్ యొక్క అన్ని లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది మరియు సెమీకండక్టర్లో 2 రకాల క్యారియర్లు ఉన్నాయని మనం భావించవచ్చు - ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లు మరియు ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన రంధ్రాలు.
కండక్షన్ ఎలక్ట్రాన్లు వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో ఉచిత స్థలాలను ఆక్రమించగలవు, అనగా. రంధ్రాలతో విలీనం చేయండి. ఈ ప్రక్రియను రీకాంబినేషన్ అని పిలుస్తారు మరియు క్యారియర్‌ల ఉత్పత్తి మరియు పునఃసంయోగం ఏకకాలంలో జరుగుతుంది కాబట్టి, ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద క్యారియర్ జతల సంఖ్య డైనమిక్ సమతౌల్య స్థితిలో ఉంటుంది - ఫలిత జతల సంఖ్యను తిరిగి కలపడం సంఖ్యతో పోల్చబడుతుంది.
సెమీకండక్టర్ యొక్క అంతర్గత వాహకత i-రకం ఎలక్ట్రానిక్ మరియు హోల్ కండక్టివిటీని కలిగి ఉంటుంది, ఎలక్ట్రానిక్ వాహకత ప్రధానంగా ఉంటుంది, ఎందుకంటే ఎలక్ట్రాన్లు రంధ్రాల కంటే ఎక్కువ మొబైల్గా ఉంటాయి. లోహాలు లేదా సెమీకండక్టర్ల నిర్దిష్ట విద్యుత్ వాహకత క్యూబిక్ మీటర్‌కు ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల సంఖ్యపై ఆధారపడి ఉంటుంది. సెం.మీ., లేదా ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల ఏకాగ్రతపై.
1 క్యూబిక్‌లో అణువుల సంఖ్య ఉంటే 10 22 క్రమం యొక్క పదార్ధం యొక్క cm, అప్పుడు లోహాలలో గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య అణువుల సంఖ్య కంటే తక్కువ కాదు, అనగా. 10 22 క్రమానికి చెందినది, అయితే స్వచ్ఛమైన జెర్మేనియంలో ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల సాంద్రత సుమారు 10 13 సెం.మీ -3, మరియు సిలికాన్ 10 10 సెం.మీ -3, ఇది లోహం కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది, అందుకే వాహకత సెమీకండక్టర్లు లోహాల కంటే మిలియన్ల మరియు బిలియన్ల రెట్లు అధ్వాన్నంగా ఉంటాయి.
ఇదంతా మలినాలను గురించి
సెమీకండక్టర్‌కు వోల్టేజ్ వర్తించినప్పుడు, దానిలో ఉత్పన్నమయ్యే విద్యుత్ క్షేత్రం ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలను వేగవంతం చేస్తుంది, వాటి కదలిక ఆదేశించబడుతుంది మరియు విద్యుత్ ప్రవాహం పుడుతుంది - కండక్షన్ కరెంట్. అంతర్గత వాహకతతో పాటు, సెమీకండక్టర్లలో అశుద్ధ వాహకత కూడా ఉంది, మీరు పేరు నుండి ఊహించినట్లుగా, సెమీకండక్టర్లో మలినాలను కలిగి ఉండటం వలన ఇది జరుగుతుంది.
4-వాలెంట్ జెర్మేనియంకు 5-వాలెంట్ యాంటిమోనీ, ఆర్సెనిక్ లేదా భాస్వరం యొక్క చిన్న మొత్తాన్ని జోడించినట్లయితే, అశుద్ధ అణువులు జెర్మేనియం అణువులతో బంధించడానికి 4 ఎలక్ట్రాన్లను ఉపయోగిస్తాయి మరియు ఐదవది వాహకత బ్యాండ్‌లో ఉంటుంది, ఇది వాహకతను నాటకీయంగా మెరుగుపరుస్తుంది. సెమీకండక్టర్ యొక్క. అటువంటి మలినాలను, ఎలక్ట్రాన్లను దానం చేసే పరమాణువులను దాతలు అంటారు. అటువంటి సెమీకండక్టర్లలో ఎలక్ట్రానిక్ వాహకత ఎక్కువగా ఉంటుంది కాబట్టి, వాటిని సెమీకండక్టర్స్ అంటారు n-రకం (ఆంగ్ల పదం నుండి ప్రతికూల- ప్రతికూల). అన్ని దాత పరమాణువులు కండక్షన్ బ్యాండ్‌కు ఎలక్ట్రాన్ను దానం చేయడానికి, దాత అణువుల శక్తి బ్యాండ్ సెమీకండక్టర్ యొక్క వాహక బ్యాండ్‌కు వీలైనంత దగ్గరగా, దాని దిగువన ఉండాలి.
3-వాలెంట్ బోరాన్, ఇండియం లేదా అల్యూమినియం యొక్క మలినాన్ని 4-వాలెంట్ జెర్మేనియంకు జోడించినప్పుడు, అశుద్ధ అణువులు జెర్మేనియం అణువుల నుండి ఎలక్ట్రాన్లను తీసివేస్తాయి మరియు జెర్మేనియం రంధ్ర వాహకతను పొందుతుంది మరియు సెమీకండక్టర్ అవుతుంది. p-రకం (ఆంగ్ల పదం నుండి అనుకూల- అనుకూల). రంధ్ర వాహకతను సృష్టించే మలినాలను అంగీకారాలు అంటారు.
గ్రహీతలు ఎలక్ట్రాన్లను సులభంగా సంగ్రహించడానికి, అంగీకరించే పరమాణువుల శక్తి స్థాయిలు సెమీకండక్టర్ యొక్క వాలెన్స్ బ్యాండ్ స్థాయిలకు ప్రక్కనే ఉండాలి.
అశుద్ధ వాహకత సాధారణంగా అంతర్గత వాహకతను గణనీయంగా మించిపోతుంది, ఎందుకంటే దాత లేదా అంగీకరించే పరమాణువుల ఏకాగ్రత అంతర్గత వాహకాల యొక్క ఏకాగ్రతను గణనీయంగా మించిపోయింది. కచ్చితమైన మోతాదులో అశుద్ధతతో సెమీకండక్టర్‌ను పొందడం చాలా కష్టం, మరియు ప్రారంభ సెమీకండక్టర్ కూడా చాలా స్వచ్ఛంగా ఉండాలి. కాబట్టి, జెర్మేనియం కోసం, 10 బిలియన్ జెర్మేనియం పరమాణువులకు ఒకటి కంటే ఎక్కువ విదేశీ అశుద్ధత (అంటే దాత లేదా అంగీకరించేవాడు) అనుమతించబడదు మరియు సిలికాన్ కోసం స్వచ్ఛత అవసరాలు 1000 రెట్లు ఎక్కువగా ఉంటాయి.
మెటల్-సెమీకండక్టర్ పరివర్తన
సెమీకండక్టర్ పరికరాలలో, సెమీకండక్టర్-మెటల్ పరిచయాలను ఉపయోగించాల్సిన అవసరం ఉంది. ఒక పదార్ధం (మెటల్ లేదా సెమీకండక్టర్) ఒక ఎలక్ట్రాన్ పదార్థాన్ని విడిచిపెట్టడానికి అవసరమైన శక్తి ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది - పని పనితీరు. లోహం నుండి పని ఫంక్షన్‌ను A m గా మరియు సెమీకండక్టర్ నుండి A p గా సూచిస్తాము.
ఓమిక్ పరిచయాలు
ఒక ఓహ్మిక్ కాంటాక్ట్‌ను సృష్టించడం అవసరమైతే (అనగా, సరిదిద్దడం లేదు, అనువర్తిత వోల్టేజ్ యొక్క ఏదైనా ధ్రువణత వద్ద సంపర్క నిరోధకత తక్కువగా ఉన్నప్పుడు), కింది పరిస్థితులలో సెమీకండక్టర్‌తో లోహం యొక్క సంబంధాన్ని నిర్ధారించడం సరిపోతుంది:
- n-సెమీకండక్టర్‌తో పరిచయం: A m< A п;
- p-సెమీకండక్టర్‌తో పరిచయం: A m > A p .
సెమీకండక్టర్ల యొక్క ఇటువంటి లక్షణాలు సెమీకండక్టర్ యొక్క సరిహద్దు పొరలో మెజారిటీ క్యారియర్లు పేరుకుపోతాయనే వాస్తవం ద్వారా వివరించబడింది, ఇది దాని తక్కువ నిరోధకతను నిర్ధారిస్తుంది. మెజారిటీ క్యారియర్‌ల సంచితం అనేది ఎలక్ట్రాన్లు ఎల్లప్పుడూ తక్కువ పని ఫంక్షన్‌తో కూడిన పదార్ధం నుండి అధిక పని పనితీరు కలిగిన పదార్థానికి కదులుతాయి.
రెక్టిఫైయర్ పరిచయాలు
కానీ సెమీకండక్టర్‌తో ఉంటే n-టైప్ A m > A pతో సంపర్కంలో ఒక లోహం ఉంది, అప్పుడు ఎలక్ట్రాన్లు సెమీకండక్టర్ నుండి లోహానికి కదులుతాయి మరియు మెజారిటీ వాహకాలు క్షీణించిన మరియు తక్కువ వాహకత కలిగిన ప్రాంతం సరిహద్దు పొరలో ఏర్పడుతుంది. సృష్టించబడిన అడ్డంకిని అధిగమించడానికి, ఒక నిర్దిష్ట ధ్రువణత మరియు తగినంత పరిమాణం యొక్క వోల్టేజ్ పరిచయానికి వర్తింపజేయాలి. రివర్స్ ధ్రువణత వర్తించినప్పుడు, పరిచయం యొక్క వాహకత మరింత క్షీణిస్తుంది - అటువంటి పరిచయం సరిదిద్దే లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది. మెటల్-సెమీకండక్టర్ పరిచయం సెమీకండక్టర్ల మాదిరిగానే లక్షణాలను కలిగి ఉందని చూడటం సులభం. p A m వద్ద టైప్ చేయండి< A п.
సెమీకండక్టర్ డిటెక్టర్ చరిత్ర
మెటల్-సెమీకండక్టర్ సెమీకండక్టర్ల యొక్క సారూప్య లక్షణాలను జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త ఫెర్డినాండ్ బ్రాన్ 1874లో కనుగొన్నారు. ప్రారంభ మెటల్-సెమీకండక్టర్ డయోడ్‌లు 1900లో కనిపించాయి, రేడియో రిసీవర్‌లు ఒక టంగ్‌స్టన్ వైర్‌తో కూడిన డిటెక్టర్‌లను ఉపయోగించడం ప్రారంభించినప్పుడు గాలెనా (లీడ్ సల్ఫైడ్) క్రిస్టల్ ఉపరితలంపై నొక్కినప్పుడు. రేడియో ఔత్సాహికులు సీసాన్ని సల్ఫర్‌తో కలపడం ద్వారా డిటెక్టర్‌లను తయారు చేశారు.
1906లో, ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త జి. పికార్డ్ ఒక సిలికాన్ క్రిస్టల్ నుండి డిటెక్టర్‌ను మరియు చిట్కాతో స్పైరల్ కాంటాక్ట్ స్ప్రింగ్‌ను రూపొందించాడు మరియు దానికి పేటెంట్‌ను పొందాడు. అటువంటి పరిచయాలను అధ్యయనం చేసిన జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త వాల్టర్ షాట్కీ తర్వాత మెటల్-సెమీకండక్టర్ పరిచయం ఆధారంగా ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలను షాట్కీ డయోడ్‌లు అంటారు.
1926 లో, శక్తివంతమైన కుప్రాక్స్ రెక్టిఫైయర్ ఎలిమెంట్స్ కనిపించాయి, ఇందులో కుప్రస్ ఆక్సైడ్ పొరతో పూసిన రాగి ప్లేట్ ఉంటుంది, వీటిని పవర్ యూనిట్లలో విస్తృతంగా ఉపయోగించారు.
ఎలక్ట్రాన్-హోల్ పరివర్తన
ఎలక్ట్రాన్-హోల్ పరివర్తన, లేదా n-p-జంక్షన్ అనేది వివిధ వాహకత రకాలైన రెండు సెమీకండక్టర్ల సరిహద్దులో ఒక ప్రాంతం, మరియు సెమీకండక్టర్ పరికరాల ఆపరేషన్ అటువంటి పరివర్తనాల లక్షణాల ఉపయోగంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. జంక్షన్‌కు వర్తించే వోల్టేజ్ లేనప్పుడు, ఛార్జ్ క్యారియర్లు అధిక సాంద్రత ఉన్న ప్రాంతాల నుండి తక్కువ సాంద్రత ఉన్న ప్రాంతాలకు - సెమీకండక్టర్ నుండి తరలిపోతాయి. n-రకం సెమీకండక్టర్ p-రకం ఎలక్ట్రాన్లు కదులుతాయి మరియు రంధ్రాలు వ్యతిరేక దిశలో కదులుతాయి.
ఈ కదలికల ఫలితంగా, ఇంటర్‌ఫేస్‌కు రెండు వైపులా స్పేస్ ఛార్జ్ ఉన్న ప్రాంతాలు కనిపిస్తాయి మరియు ఈ ప్రాంతాల మధ్య సంపర్క సంభావ్య వ్యత్యాసం ఏర్పడుతుంది. ఈ సంభావ్య వ్యత్యాసం సంభావ్య అవరోధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది, ఇది మరింత వాహకాలు అవరోధం గుండా వెళ్ళకుండా నిరోధిస్తుంది. అవరోధం ఎత్తు (సంపర్క సంభావ్య వ్యత్యాసం) మలినాలను ఏకాగ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది మరియు జెర్మేనియం కోసం ఇది సాధారణంగా 0.3-0.4 V, 0.7 V చేరుకుంటుంది. స్థిరమైన స్థితిలో, జంక్షన్ ద్వారా కరెంట్ ఉండదు, ఎందుకంటే p-n- సెమీకండక్టర్ల ఇతర ప్రాంతాలతో పోలిస్తే జంక్షన్ అధిక నిరోధకతను కలిగి ఉంటుంది మరియు ఫలితంగా వచ్చే పొరను నిరోధించే పొర అంటారు.
ఉంటే n-p-జంక్షన్‌కు బాహ్య వోల్టేజీని వర్తింపజేయండి, ఆపై దాని ధ్రువణతను బట్టి, జంక్షన్ భిన్నంగా ప్రవర్తిస్తుంది.
జంక్షన్ ద్వారా డైరెక్ట్ కరెంట్ ప్రవాహం
సెమీకండక్టర్‌కి ఉంటే p-టైప్ చేయండి, వోల్టేజ్ మూలం యొక్క “ప్లస్”ని వర్తింపజేయండి, ఆపై మూలం సృష్టించిన ఫీల్డ్ కాంటాక్ట్ పొటెన్షియల్ డిఫరెన్స్ ఫీల్డ్‌కు విరుద్ధంగా పనిచేస్తుంది, మొత్తం ఫీల్డ్ తగ్గుతుంది, సంభావ్య అవరోధం యొక్క ఎత్తు తగ్గుతుంది మరియు పెద్ద సంఖ్యలో క్యారియర్లు దాన్ని అధిగమించండి. డైరెక్ట్ కరెంట్ అని పిలువబడే కరెంట్ జంక్షన్ గుండా ప్రవహించడం ప్రారంభమవుతుంది. అదే సమయంలో, రక్షిత పొర యొక్క మందం మరియు దాని విద్యుత్ నిరోధకత తగ్గుతుంది.
గణనీయమైన ఫార్వర్డ్ కరెంట్‌ను రూపొందించడానికి, అప్లైడ్ వోల్టేజ్ లేనప్పుడు అడ్డంకి ఎత్తుతో పోల్చదగిన జంక్షన్‌కు వోల్టేజ్‌ను వర్తింపజేయడం సరిపోతుంది, అనగా. వోల్ట్‌లో పదవ వంతు, మరియు ఇంకా ఎక్కువ వోల్టేజ్ వద్ద, అవరోధ పొర యొక్క ప్రతిఘటన సున్నాకి దగ్గరగా ఉంటుంది.
జంక్షన్ ద్వారా రివర్స్ కరెంట్ ప్రవాహం
బాహ్య వోల్టేజ్ "రివర్స్" అయితే, అనగా. జతచేయు p-సెమీకండక్టర్ “మైనస్” వోల్టేజ్ మూలం, బాహ్య వోల్టేజ్ ఫీల్డ్ కాంటాక్ట్ పొటెన్షియల్ డిఫరెన్స్ ఫీల్డ్‌కు జోడించబడుతుంది. సంభావ్య అవరోధం యొక్క ఎత్తు పెరుగుతుంది, ఇది జంక్షన్ ద్వారా మెజారిటీ క్యారియర్‌ల వ్యాప్తికి ఆటంకం కలిగిస్తుంది మరియు "రివర్స్" అని పిలువబడే జంక్షన్ ద్వారా కరెంట్ తక్కువగా ఉంటుంది. అవరోధ పొర మందంగా మారుతుంది మరియు దాని విద్యుత్ నిరోధకత పెరుగుతుంది.
ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంక్షన్ల యొక్క సరిదిద్దే లక్షణాలు వివిధ శక్తులు మరియు ప్రయోజనాల డయోడ్‌లలో ఉపయోగించబడతాయి - విద్యుత్ సరఫరాలలో ప్రత్యామ్నాయ ప్రవాహాన్ని మరియు వివిధ ప్రయోజనాల కోసం పరికరాలలో బలహీనమైన సంకేతాలను సరిచేయడానికి.
సెమీకండక్టర్ లక్షణాల యొక్క ఇతర అప్లికేషన్లు
రివర్స్ వోల్టేజ్ కింద ఉన్న ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జంక్షన్ కొన్ని నుండి వందల పికోఫారడ్‌ల సామర్థ్యంతో చార్జ్డ్ ఎలక్ట్రికల్ కెపాసిటర్‌తో సమానంగా ప్రవర్తిస్తుంది. ఈ కెపాసిటెన్స్ జంక్షన్‌కు వర్తించే వోల్టేజ్‌పై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది కొన్ని రకాల సెమీకండక్టర్ పరికరాలను అనువర్తిత వోల్టేజ్ ద్వారా నియంత్రించబడే వేరియబుల్ కెపాసిటర్‌లుగా ఉపయోగించడానికి అనుమతిస్తుంది.
లక్షణాలు n-p-పరివర్తనాలు మీడియం యొక్క ఉష్ణోగ్రతపై కూడా గణనీయంగా ఆధారపడి ఉంటాయి, ఇది కొన్ని రకాల సెమీకండక్టర్ పరికరాలను ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్లుగా ఉపయోగించడం సాధ్యపడుతుంది. వంటి విభిన్న వాహకత కలిగిన మూడు ప్రాంతాలతో పరికరాలు n-p-n, ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్‌లను విస్తరించే లక్షణాలను కలిగి ఉన్న పరికరాలను సృష్టించడానికి, అలాగే వాటిని ఉత్పత్తి చేయడానికి మిమ్మల్ని అనుమతిస్తుంది.