Semiconductor Electronics: Materials, Devices and Simple Circuits

Notes

1. विद्युत धारा (Electric Current)

I = neAv_d

यह धारा केवल मुक्त इलेक्ट्रॉनों (Free Electrons) के प्रवाह के कारण संभव होती है।

प्रतिरोध (Resistance): R

चालकता (Conductance): G

प्रतिरोधकता (Resistivity): ρ

विशिष्ट चालकता (Conductivity): σ

2. पदार्थों का वर्गीकरण (Classification of Materials)

प्रतिरोधकता के आधार पर (According to Resistivity)

• धातु (Metals): 10⁻² – 10⁻⁸ Ωm
• अर्धचालक (Semiconductors): 10⁵ – 10⁻⁶ Ωm
• कुचालक (Insulators): 10¹¹ – 10¹⁹ Ωm

3. अर्धचालक पदार्थ (Semiconductor Materials)

1. मौलिक (Elemental):

Si तथा Ge

1. यौगिक (Compound):
   • कार्बनिक (Organic) – एन्थ्रासीन (Anthracene)
   • अकार्बनिक (Inorganic) – CdS, GaAs, CdSe, InP आदि।
   • कार्बनिक बहुलक (Organic Polymers) – Polypyrrole, Polyaniline आदि।

4. ऊर्जा बैंड की अवधारणा (Concept of Energy Bands)

सिलिकॉन के लिए:

Si → 2, 8, 4

जर्मेनियम के लिए:

Ge → 2, 8, 18, 4

सबसे बाहरी कक्षा में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों को संयोजकता इलेक्ट्रॉन (Valence Electrons) कहते हैं।

ऊर्जा स्तर (Energy Level)

अनेक परमाणुओं में नाभिक से असमान दूरी के कारण इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा अलग-अलग होती है।

इलेक्ट्रॉन अभिकेन्द्रीय बल (Centripetal Force) तथा कूलॉम बल (Coulomb Force) द्वारा बंधे रहते हैं।

अपनी कक्षाओं में नाभिक से अलग-अलग दूरी के कारण इलेक्ट्रॉनों की स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy) अलग-अलग होती है।

अलग-अलग वेग के कारण इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy) भी अलग-अलग होती है।

अनेक परमाणुओं के लिए:

5. ठोसों में ऊर्जा बैंड (Energy Bands in Solids)

एक परमाणु के लिए → 1 इलेक्ट्रॉन।

n परमाणुओं के लिए → n इलेक्ट्रॉन।

सहसंयोजक बंध (Covalent Bond) बनने के बाद:

चालन बैंड (Conduction Band)

संयोजकता इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा बढ़ाने के लिए ऊष्मा देने पर ये इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होकर ऊर्जा बैंडों के एक समूह में पहुँच जाते हैं, जिसे चालन बैंड कहते हैं।

संयोजकता बैंड (Valence Band)

संयोजकता इलेक्ट्रॉनों के विभिन्न ऊर्जा स्तरों से बने बैंड को संयोजकता बैंड कहते हैं।

ऊर्जा अंतराल (Energy Gap)

चालन बैंड तथा संयोजकता बैंड के बीच के क्षेत्र को ऊर्जा अंतराल (Energy Gap) कहते हैं।

ऊर्जा अंतराल में इलेक्ट्रॉनों की अनुमति नहीं होती है।

धातु में चालन बैंड तथा संयोजकता बैंड एक-दूसरे के बराबर होते हैं।

6. अर्धचालकों के प्रकार (Types of Semiconductors)

1. आंतरिक अर्धचालक (Intrinsic Semiconductor)
2. बाह्य अर्धचालक (Extrinsic Semiconductor)

7. आंतरिक अर्धचालक (Intrinsic Semiconductor)

शुद्ध अर्धचालक को आंतरिक अर्धचालक कहते हैं, अर्थात इसमें किसी अन्य प्रकार के परमाणु की अशुद्धि उपस्थित नहीं होती है।

कमरे के तापमान पर तापमान बढ़ने से परमाणुओं में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों को ऊष्मीय ऊर्जा (Thermal Energy) प्राप्त होती है।

इससे इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा अवस्था प्राप्त करते हैं।

इसे संयोजकता स्तर अथवा संयोजकता बैंड (Valence Level or Band) कहा जाता है। इस अवस्था में संयोजकता बैंड पूर्णतः भरा हुआ माना जाता है।

ऊर्जा प्राप्त करने के बाद इलेक्ट्रॉन दूसरे बैंड में चले जाते हैं। इसे चालन बैंड (Conduction Band) कहते हैं।

संयोजकता बैंड से चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन के जाने के बाद पीछे एक रिक्त स्थान रह जाता है। इस रिक्त स्थान को होल (Hole) कहते हैं।

पड़ोसी परमाणु का इलेक्ट्रॉन इस रिक्त स्थान को भर सकता है, जिससे दूसरे परमाणु में एक नया रिक्त स्थान बन जाता है। इस रिक्त स्थान को भी होल कहते हैं।

चूँकि किसी स्थान पर ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन उपस्थित होता है, इसलिए उसके रिक्त हो जाने पर उस स्थान को धनात्मक आवेश के समतुल्य माना जाता है। इसी कारण होल को धनात्मक माना जाता है।

प्रेक्षण से:

n_e = n_h = n_i

जहाँ:

• n_e = इलेक्ट्रॉनों की संख्या
• n_h = होलों की संख्या
• n_i = आंतरिक कणों की संख्या

विद्युत धारा इलेक्ट्रॉनों के कारण बनती है।

8. बाह्य अर्धचालक (Extrinsic Semiconductor)

डोपिंग (Doping)

जब किसी अर्धचालक में किसी उपयुक्त तत्व अथवा अशुद्धि (Impurity) को निश्चित मात्रा में मिलाया जाता है, तो बाह्य अर्धचालक प्राप्त होता है।

इस प्रक्रिया को डोपिंग (Doping) तथा मिलाई गई अशुद्धि को डोपेंट (Dopant) कहते हैं।

प्रकार (Types)

1. n-प्रकार अर्धचालक (n-type Semiconductor)
2. p-प्रकार अर्धचालक (p-type Semiconductor)

9. n-प्रकार अर्धचालक (n-type Semiconductor)

जब किसी शुद्ध अर्धचालक अर्थात Si या Ge में पंचसंयोजी तत्व (Pentavalent Element) मिलाया जाता है, तो n-प्रकार अर्धचालक प्राप्त होता है।

पंचसंयोजी अशुद्धि (Pentavalent Impurity)

ऊर्जा स्तर (Energy Level)

• आवेश वाहक (Charge Carrier): इलेक्ट्रॉन
• होल अल्पसंख्यक आवेश वाहक (Minority Charge Carriers) होते हैं।
• इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक आवेश वाहक (Majority Charge Carriers) होते हैं।

n_p > n_h

सांद्रता संबंध:

n_h × n_e = n_i²

होल को ग्राही (Acceptor) कहा जाता है क्योंकि वे इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करते हैं।

10. p-प्रकार अर्धचालक (p-type Semiconductor)

जब किसी शुद्ध अर्धचालक में त्रिसंयोजी तत्व (Trivalent Element) मिलाया जाता है, तो p-प्रकार अर्धचालक प्राप्त होता है।

त्रिसंयोजी अशुद्धि (Trivalent Impurity)

ऊर्जा स्तर (Energy Level)

• आवेश वाहक: होल
• होल बहुसंख्यक आवेश वाहक होते हैं।
• इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक आवेश वाहक होते हैं।

n_p > n_e

सांद्रता संबंध:

n_h × n_e = n_i²

इलेक्ट्रॉनों को ग्राही (Acceptor) कहा जाता है क्योंकि वे इलेक्ट्रॉनों को प्रतिकर्षित करते हैं।

11. p-n संधि (p-n Junction)

जब p-प्रकार अर्धचालक तथा n-प्रकार अर्धचालक को एक साथ जोड़ा जाता है, तो उनके बीच बनने वाली सीमा को p-n संधि (p-n Junction) कहते हैं।

जब p-प्रकार तथा n-प्रकार अर्धचालकों को एक साथ जोड़ा जाता है, तब संधि के निकट उपस्थित इलेक्ट्रॉन होलों से मिलते हैं, जिसके कारण एक प्रक्रिया प्रारंभ होती है।

N-क्षेत्र से P-क्षेत्र की ओर इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के कारण संधि के निकट एक क्षेत्र बनता है।

इसी समय p-प्रकार तथा n-प्रकार के बीच एक परत बनती है, जिसे अवक्षय परत (Depletion Layer) कहते हैं।

अवक्षय परत के बीच विद्युत क्षेत्र स्थापित होने के कारण p-प्रकार तथा n-प्रकार के बीच विभव उत्पन्न होता है। जो विभव n-क्षेत्र से p-क्षेत्र की ओर इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह का विरोध करता है, उसे विभव प्राचीर (Potential Barrier) कहते हैं।

12. p-n संधि की अभिनति (Biasing of p-n Junction)

अग्र अभिनति (Forward Bias)

जब बैटरी का धनात्मक सिरा p-प्रकार अर्धचालक से तथा ऋणात्मक सिरा n-प्रकार अर्धचालक से जोड़ा जाता है, तो आवेशित कणों के बीच का अवक्षय क्षेत्र कम हो जाता है।

n-प्रकार तथा p-प्रकार के इलेक्ट्रॉन और होल आकर्षित होते हैं तथा धारा का चालन होता है।

इस प्रक्रिया को अग्र अभिनति (Forward Biasing) कहते हैं।

उत्क्रम अभिनति (Reverse Bias)

जब बैटरी का ऋणात्मक सिरा p-प्रकार अर्धचालक से तथा धनात्मक सिरा n-प्रकार अर्धचालक से जोड़ा जाता है, तो आवेशित कणों के बीच का अवक्षय क्षेत्र बढ़ जाता है।

इलेक्ट्रॉन तथा होल इस प्रकार व्यवस्थित होते हैं कि धारा का चालन नहीं होता।

इसी समय अवक्षय परत अधिक चौड़ी हो जाती है और इलेक्ट्रॉन इसे पार नहीं कर पाते।

इस प्रक्रिया को उत्क्रम अभिनति (Reverse Biasing) कहते हैं।

13. दिष्टकारी के रूप में संधि डायोड का अनुप्रयोग (Application of Junction Diode as a Rectifier)

दिष्टकारी (Rectifier): वह युक्ति जो AC को DC में परिवर्तित करती है।

दिष्टीकरण (Rectification): AC को DC में परिवर्तित करने की प्रक्रिया को दिष्टीकरण कहते हैं।

दिष्टकारी के प्रकार (Types of Rectifier)

1. अर्ध-तरंग दिष्टकारी (Half-Wave Rectifier)
2. पूर्ण-तरंग दिष्टकारी (Full-Wave Rectifier)

14. अर्ध-तरंग दिष्टकारी (Half-Wave Rectifier)

वह दिष्टकारी जो AC निवेश के केवल आधे भाग को परिवर्तित करता है, अर्ध-तरंग दिष्टकारी कहलाता है।

व्याख्या (Explanation)

पहले अर्धचक्र को धनात्मक मानें। धनात्मक अर्धचक्र में डायोड अग्र अभिनत होकर धारा का चालन करता है तथा दूसरे अर्धचक्र में डायोड उत्क्रम अभिनत हो जाता है और धारा का चालन नहीं करता।

15. पूर्ण-तरंग दिष्टकारी (Full-Wave Rectifier)

वह दिष्टकारी जो संपूर्ण AC निर्गत को परिवर्तित करता है, पूर्ण-तरंग दिष्टकारी कहलाता है।

व्याख्या (Explanation)

इस दिष्टकारी में दो डायोड तथा एक मध्य-निष्कासित ट्रांसफॉर्मर (Centre-Tapped Transformer) का उपयोग किया जाता है।

धनात्मक अर्धचक्र में D1 अग्र अभिनत होकर धनात्मक दिशा में धारा प्रवाहित करता है।

जब निवेश ऋणात्मक होता है, तब D2 अग्र अभिनत होकर उसी दिशा में धारा प्रवाहित करता है।

AC रिपल (AC Ripple) को हटाकर शुद्ध DC वोल्टेज प्राप्त करने के लिए लगाए गए अतिरिक्त परिपथ को फिल्टर (Filter) कहते हैं।

16. विशेष प्रयोजन p-n संधि डायोड (Special Purpose p-n Junction Diode)

जेनर डायोड (Zener Diode)

जेनर डायोड एक अत्यधिक डोपित (Highly Doped) डायोड होता है।

इसका उपयोग उत्क्रम अभिनति (Reverse Bias) की अवस्था में किया जाता है।

इसका उपयोग वोल्टेज नियामक (Voltage Regulator) के रूप में किया जाता है।

अत्यधिक डोपित होने तथा उत्क्रम अभिनति में जुड़े होने के कारण इसकी अवक्षय परत बहुत पतली होती है।

अतः:

E = −dV/dx

का मान अचानक बढ़ जाता है।

उच्च विद्युत क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रॉन खिंचकर प्रवाहित होने लगते हैं। इससे बड़ी धारा उत्पन्न होती है।

प्रतीक एवं ग्राफ (Symbol and Graph)

17. LED के लाभ (Advantages of LED)

1. कम प्रचालन वोल्टेज (Operational Voltage) तथा कम शक्ति की आवश्यकता होती है।
2. यह तेजी से कार्य करता है तथा इसे गर्म होने के लिए समय की आवश्यकता नहीं होती।
3. इसकी आयु लंबी होती है।
4. इसमें तीव्र ऑन-ऑफ स्विचिंग क्षमता होती है।

18. सौर सेल (Solar Cell)

सौर सेल: वह युक्ति जो सौर ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है, सौर सेल कहलाती है।

यह मूलतः एक p-n संधि होती है, जो p-n संधि पर सौर विकिरण पड़ने पर विद्युत वाहक बल (emf) उत्पन्न करती है।

इसमें n-प्रकार अर्धचालक की एक पतली परत होती है, जिस पर p-प्रकार अर्धचालक की मोटी परत चढ़ी होती है।

p-प्रकार अर्धचालक को नीचे एक धातु प्लेट द्वारा सहारा दिया जाता है।

सेल की ऊपरी सतह धात्विक फिंगर (Metallic Finger) से ढकी होती है।

जब सौर प्रकाश p-n संधि पर पड़ता है, तो तीन मूल प्रक्रियाओं के कारण धारा उत्पन्न होती है:

उत्पादन, पृथक्करण तथा संग्रहण (Generation, Separation and Collection)।

सौर सेल के उपयोग (Uses of Solar Cell)

1. उपग्रहों को संचालित करने के लिए विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने में इसका उपयोग किया जाता है।
2. सौर प्रकाश से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने में इसका उपयोग किया जाता है।

19. ट्रांजिस्टर (Transistor)

ट्रांजिस्टर: यह एक इलेक्ट्रॉनिक युक्ति है, जिसे एक विशेष प्रकार के अर्धचालक को अन्य प्रकार के दो अर्धचालकों के बीच रखकर बनाया जाता है।

ट्रांजिस्टर की संरचना में दो संधियाँ होती हैं, इसलिए इसे द्विध्रुवीय संधि ट्रांजिस्टर (Bipolar Junction Transistor – BJT) भी कहते हैं।

चालकता के आधार पर BJT को दो प्रकारों में बाँटा जाता है:

1. n-p-n ट्रांजिस्टर
2. p-n-p ट्रांजिस्टर

20. EBC के बारे में (About EBC)

उत्सर्जक (Emitter)

उत्सर्जक ट्रांजिस्टर का वह भाग है जो आकार में छोटा तथा अत्यधिक डोपित (Heavily Doped) होता है।

छोटे आकार तथा अधिक डोपिंग के कारण यह बड़ी मात्रा में आवेश वाहकों (Charge Carriers) को प्रविष्ट करा सकता है।

आधार (Base)

आधार ट्रांजिस्टर का वह भाग है जो बहुत पतला तथा हल्का डोपित (Lightly Doped) होता है।

संग्राहक (Collector)

संग्राहक ट्रांजिस्टर का वह भाग है जो आकार में बड़ा तथा मध्यम रूप से डोपित (Moderately Doped) होता है।

21. प्रकाश-इलेक्ट्रॉनिक युक्तियाँ (Photoelectronic Devices)

वे युक्तियाँ जो उन पर प्रकाश पड़ने पर कार्य करती हैं, प्रकाश-इलेक्ट्रॉनिक युक्तियाँ कहलाती हैं।