సెమీకండక్టర్ వాహకత

విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నిర్వహించడం లేదా నిర్వహించలేని సామర్థ్యం ఉన్న పదార్థాలు కండక్టర్లు మరియు డైఎలెక్ట్రిక్‌ల యొక్క కఠినమైన విభజనకు మాత్రమే పరిమితం కావు. సిలికాన్, సెలీనియం, జెర్మేనియం వంటి సెమీకండక్టర్లు మరియు ఇతర ఖనిజాలు మరియు మిశ్రమాలు ప్రత్యేక సమూహంగా వేరు చేయడానికి కూడా ఉన్నాయి.

ఈ పదార్ధాలు విద్యుద్వాహకము కంటే మెరుగైన విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని నిర్వహిస్తాయి, కానీ లోహాల కంటే అధ్వాన్నంగా ఉంటాయి మరియు పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రత లేదా ప్రకాశంతో వాటి వాహకత పెరుగుతుంది. సెమీకండక్టర్ల యొక్క ఈ లక్షణం కాంతి మరియు ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్లలో వాటిని వర్తించేలా చేస్తుంది, అయితే వాటి ప్రధాన అప్లికేషన్ ఇప్పటికీ ఎలక్ట్రానిక్స్.

ఉదాహరణకు, మీరు సిలికాన్ క్రిస్టల్ వద్ద చూస్తే, సిలికాన్ 4 వేలెన్సీని కలిగి ఉందని మీరు కనుగొనవచ్చు, అనగా, దాని అణువు యొక్క బయటి షెల్‌లో 4 ఎలక్ట్రాన్లు ఉన్నాయి, అవి క్రిస్టల్‌లోని నాలుగు పొరుగు సిలికాన్ అణువులతో బంధించబడ్డాయి. అటువంటి క్రిస్టల్ వేడి లేదా కాంతి ద్వారా ప్రభావితమైతే, వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు శక్తి పెరుగుదలను పొందుతాయి మరియు వాటి అణువులను విడిచిపెట్టి, ఉచిత ఎలక్ట్రాన్‌లుగా మారుతాయి - సెమీకండక్టర్ యొక్క ఓపెన్ వాల్యూమ్‌లో ఎలక్ట్రాన్ వాయువు కనిపిస్తుంది - లోహాలలో వలె, అనగా, అది పట్టుకునే పరిస్థితి ఏర్పడుతుంది.

కానీ లోహాల మాదిరిగా కాకుండా, సెమీకండక్టర్లు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల వాహకతలో విభిన్నంగా ఉంటాయి. ఇది ఎందుకు జరుగుతోంది మరియు అది ఏమిటి? వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు వాటి సైట్‌లను విడిచిపెట్టినప్పుడు, ప్రతికూల చార్జ్ లేని ప్రాంతాలు-"రంధ్రాలు"- ఆ పూర్వ సైట్‌లలో ఏర్పడతాయి, అవి ఇప్పుడు అదనపు ఛార్జ్‌ను కలిగి ఉంటాయి.

పొరుగున ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ ఫలితంగా ఏర్పడే “రంధ్రం”లోకి సులభంగా దూకుతుంది మరియు ఈ రంధ్రం దానిలోకి దూకిన ఎలక్ట్రాన్‌తో నిండిన వెంటనే, దూకిన ఎలక్ట్రాన్ స్థానంలో మళ్లీ ఒక రంధ్రం ఏర్పడుతుంది.

అంటే, రంధ్రం అనేది సెమీకండక్టర్ యొక్క ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన కదిలే ప్రాంతం అని తేలింది. మరియు సెమీకండక్టర్ EMF మూలంతో సర్క్యూట్‌కు కనెక్ట్ చేయబడినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్లు మూలం యొక్క సానుకూల టెర్మినల్‌కు మరియు రంధ్రాలను ప్రతికూల టెర్మినల్‌కు తరలిస్తాయి. సెమీకండక్టర్ యొక్క అంతర్గత వాహకత ఈ విధంగా జరుగుతుంది.

అనువర్తిత విద్యుత్ క్షేత్రం లేకుండా సెమీకండక్టర్‌లో రంధ్రాలు మరియు ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక అస్తవ్యస్తంగా ఉంటుంది. క్రిస్టల్‌కు బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని వర్తింపజేస్తే, దానిలోని ఎలక్ట్రాన్లు క్షేత్రానికి వ్యతిరేకంగా కదులుతాయి మరియు రంధ్రాలు క్షేత్రం వెంట కదులుతాయి, అనగా సెమీకండక్టర్‌లో అంతర్గత ప్రసరణ దృగ్విషయం సంభవిస్తుంది, ఇది మాత్రమే కాదు. ఎలక్ట్రాన్ల వల్ల, కానీ రంధ్రాల వల్ల కూడా.

సెమీకండక్టర్‌లో, ప్రసరణ ఎల్లప్పుడూ కొన్ని బాహ్య కారకాల ప్రభావంతో మాత్రమే జరుగుతుంది: ఫోటాన్‌లతో వికిరణం కారణంగా, ఉష్ణోగ్రత ప్రభావం నుండి, విద్యుత్ క్షేత్రాలు వర్తించినప్పుడు మొదలైనవి.

సెమీకండక్టర్‌లోని ఫెర్మీ స్థాయి బ్యాండ్ గ్యాప్ మధ్యలో వస్తుంది. ఎలక్ట్రాన్ ఎగువ వాలెన్స్ బ్యాండ్ నుండి దిగువ వాహక బ్యాండ్‌కు మారడానికి బ్యాండ్‌గ్యాప్ డెల్టాకు సమానమైన క్రియాశీలత శక్తి అవసరం (ఫిగర్ చూడండి). మరియు కండక్షన్ బ్యాండ్‌లో ఎలక్ట్రాన్ కనిపించిన వెంటనే, వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లో రంధ్రం సృష్టించబడుతుంది. అందువల్ల, ప్రస్తుత వాహకాల జత ఏర్పడే సమయంలో ఖర్చు చేయబడిన శక్తి సమానంగా విభజించబడింది.

శక్తిలో సగం (బ్యాండ్ వెడల్పులో సగానికి అనుగుణంగా) ఎలక్ట్రాన్ బదిలీకి మరియు సగం రంధ్రం ఏర్పడటానికి ఖర్చు చేయబడుతుంది; ఫలితంగా, మూలం స్ట్రిప్ వెడల్పు మధ్యలో ఉంటుంది. సెమీకండక్టర్‌లోని ఫెర్మీ శక్తి అనేది ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఉత్తేజితమయ్యే శక్తి. బ్యాండ్ గ్యాప్ మధ్యలో సెమీకండక్టర్ కోసం ఫెర్మీ స్థాయి ఉన్న స్థితిని గణిత గణనల ద్వారా నిర్ధారించవచ్చు, కానీ మేము ఇక్కడ గణిత గణనలను వదిలివేస్తాము.

బాహ్య కారకాల ప్రభావంతో, ఉదాహరణకు, ఉష్ణోగ్రత పెరిగినప్పుడు, సెమీకండక్టర్ యొక్క క్రిస్టల్ లాటిస్ యొక్క థర్మల్ వైబ్రేషన్లు కొన్ని వాలెన్స్ బాండ్ల నాశనానికి దారితీస్తాయి, దీని ఫలితంగా కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లు విడిపోయి, ఫ్రీ ఛార్జ్ క్యారియర్లుగా మారతాయి. .

సెమీకండక్టర్లలో, రంధ్రాలు మరియు ఎలక్ట్రాన్ల ఏర్పాటుతో పాటు, పునఃసంయోగ ప్రక్రియ జరుగుతుంది: ఎలక్ట్రాన్లు కండక్షన్ బ్యాండ్ నుండి వాలెన్స్ బ్యాండ్‌లోకి వెళతాయి, వాటి శక్తిని క్రిస్టల్ లాటిస్‌కు అందిస్తాయి మరియు విద్యుదయస్కాంత వికిరణం యొక్క క్వాంటాను విడుదల చేస్తాయి.అందువల్ల, ప్రతి ఉష్ణోగ్రత రంధ్రాలు మరియు ఎలక్ట్రాన్ల సమతౌల్య సాంద్రతకు అనుగుణంగా ఉంటుంది, ఇది క్రింది వ్యక్తీకరణ ప్రకారం ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది:

మాతృ పదార్ధం కంటే ఎక్కువ లేదా తక్కువ వాలెన్సీని కలిగి ఉన్న స్వచ్ఛమైన సెమీకండక్టర్ యొక్క క్రిస్టల్‌లోకి కొద్దిగా భిన్నమైన పదార్ధాన్ని ప్రవేశపెట్టినప్పుడు సెమీకండక్టర్ల యొక్క అశుద్ధ వాహకత కూడా ఉంది.

స్వచ్ఛమైన, చెప్పాలంటే, అదే సిలికాన్, రంధ్రాలు మరియు ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య సమానంగా ఉంటుంది, అనగా, అవి అన్ని సమయాలలో జతగా ఏర్పడతాయి, అప్పుడు సిలికాన్‌కు జోడించబడిన అశుద్ధం విషయంలో, ఉదాహరణకు, ఆర్సెనిక్, కలిగి valence 5, రంధ్రాల సంఖ్య ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, అనగా, పెద్ద సంఖ్యలో ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లతో సెమీకండక్టర్ ఏర్పడుతుంది, ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడుతుంది, ఇది n-రకం (ప్రతికూల) సెమీకండక్టర్. మరియు మీరు సిలికాన్ కంటే తక్కువ 3 వాలెన్సీని కలిగి ఉన్న ఇండియంను మిళితం చేస్తే, అప్పుడు ఎక్కువ రంధ్రాలు ఉంటాయి-అది p-రకం (పాజిటివ్) సెమీకండక్టర్.

ఇప్పుడు, మేము వివిధ వాహకత యొక్క సెమీకండక్టర్లను పరిచయంలోకి తీసుకువస్తే, అప్పుడు పరిచయం పాయింట్ వద్ద మనకు p-n జంక్షన్ వస్తుంది. n-ప్రాంతం నుండి కదులుతున్న ఎలక్ట్రాన్లు మరియు p-ప్రాంతం నుండి కదిలే రంధ్రాలు ఒకదానికొకటి కదలడం ప్రారంభిస్తాయి మరియు సంపర్కానికి వ్యతిరేక వైపులా వ్యతిరేక ఛార్జీలు (pn-జంక్షన్ యొక్క వ్యతిరేక వైపులా) ఉన్న ప్రాంతాలు ఉంటాయి: ఒక సానుకూల n-ప్రాంతంలో ఛార్జ్ మరియు p-ప్రాంతంలో నెగటివ్ ఛార్జ్ పేరుకుపోతుంది. పరివర్తనకు సంబంధించి క్రిస్టల్ యొక్క వివిధ భాగాలు వ్యతిరేక చార్జ్ చేయబడతాయి. ప్రతి ఒక్కరి పనికి ఈ స్థానం చాలా ముఖ్యం. సెమీకండక్టర్ పరికరాలు.

అటువంటి పరికరానికి సరళమైన ఉదాహరణ సెమీకండక్టర్ డయోడ్, ఇక్కడ ఒక pn జంక్షన్ మాత్రమే ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది పనిని సాధించడానికి సరిపోతుంది - కేవలం ఒక దిశలో ప్రస్తుతాన్ని నిర్వహించడానికి.

n-ప్రాంతం నుండి ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ మూలం యొక్క సానుకూల ధ్రువం వైపు కదులుతాయి మరియు p-ప్రాంతం నుండి రంధ్రాలు ప్రతికూల ధ్రువం వైపు కదులుతాయి. జంక్షన్ దగ్గర తగినంత సానుకూల మరియు ప్రతికూల ఛార్జీలు పేరుకుపోతాయి, జంక్షన్ యొక్క ప్రతిఘటన గణనీయంగా తగ్గుతుంది మరియు సర్క్యూట్ ద్వారా కరెంట్ ప్రవహిస్తుంది.

డయోడ్ యొక్క రివర్స్ కనెక్షన్‌లో, కరెంట్ పదివేల రెట్లు తక్కువగా వస్తుంది, ఎందుకంటే ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు జంక్షన్ నుండి వేర్వేరు దిశల్లో విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా ఎగిరిపోతాయి. ఈ సూత్రం పనిచేస్తుంది డయోడ్ రెక్టిఫైయర్.