సెమీకండక్టర్లలో విద్యుత్ ప్రవాహం

కండక్టర్ల మరియు విద్యుద్వాహకముల మధ్య, ప్రతిఘటన పరంగా, ఉన్నాయి సెమీకండక్టర్స్… సిలికాన్, జెర్మేనియం, టెల్లూరియం మొదలైనవి. - ఆవర్తన పట్టికలోని అనేక అంశాలు మరియు వాటి సమ్మేళనాలు సెమీకండక్టర్లకు చెందినవి. అనేక అకర్బన పదార్థాలు సెమీకండక్టర్లు. సిలికాన్ ప్రకృతిలో ఇతరులకన్నా విస్తృతమైనది; భూమి యొక్క క్రస్ట్ దానిలో 30% కలిగి ఉంటుంది.

సెమీకండక్టర్స్ మరియు లోహాల మధ్య ప్రధాన అద్భుతమైన వ్యత్యాసం ప్రతిఘటన యొక్క ప్రతికూల ఉష్ణోగ్రత గుణకంలో ఉంటుంది: సెమీకండక్టర్ యొక్క అధిక ఉష్ణోగ్రత, దాని విద్యుత్ నిరోధకత తక్కువగా ఉంటుంది. లోహాలకు, ఇది వ్యతిరేకం: అధిక ఉష్ణోగ్రత, ఎక్కువ నిరోధకత. ఒక సెమీకండక్టర్ సంపూర్ణ సున్నాకి చల్లబడితే, అది అవుతుంది విద్యుద్వాహకము.

అధిక ఉష్ణోగ్రత - తక్కువ నిరోధకత

ఉష్ణోగ్రతపై సెమీకండక్టర్ వాహకత యొక్క ఈ ఆధారపడటం ఏకాగ్రతను చూపుతుంది ఉచిత టాక్సీ డ్రైవర్లు సెమీకండక్టర్లలో స్థిరంగా ఉండదు మరియు ఉష్ణోగ్రతతో పెరుగుతుంది.సెమీకండక్టర్ ద్వారా విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క మెకానిజం లోహాలలో వలె ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల వాయువు యొక్క నమూనాకు తగ్గించబడదు. ఈ యంత్రాంగాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి, మనం దీనిని జెర్మేనియం క్రిస్టల్‌పై ఉదాహరణగా చూడవచ్చు.

సాధారణ స్థితిలో, జెర్మేనియం పరమాణువులు వాటి బయటి షెల్‌లో నాలుగు వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లను కలిగి ఉంటాయి-నాలుగు ఎలక్ట్రాన్‌లు కేంద్రకానికి వదులుగా కట్టుబడి ఉంటాయి. ఇంకా, జెర్మేనియం క్రిస్టల్ లాటిస్‌లోని ప్రతి అణువు చుట్టూ నాలుగు పొరుగు అణువులు ఉంటాయి. మరియు ఇక్కడ బంధం సమయోజనీయంగా ఉంటుంది, అంటే ఇది వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ల జతల ద్వారా ఏర్పడుతుంది.

ప్రతి వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు ఒకే సమయంలో రెండు అణువులకు చెందినవని మరియు జెర్మేనియం లోపల ఉన్న వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ల బంధాలు దాని అణువులతో లోహాల కంటే బలంగా ఉన్నాయని తేలింది. అందుకే, గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, సెమీకండక్టర్లు లోహాల కంటే అధ్వాన్నమైన మాగ్నిట్యూడ్ యొక్క అనేక ఆర్డర్‌లను నిర్వహిస్తాయి. మరియు సంపూర్ణ సున్నా వద్ద, జెర్మేనియం యొక్క అన్ని వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లు బంధాలలో ఆక్రమించబడతాయి మరియు కరెంట్‌ను అందించడానికి ఉచిత ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉండవు.

ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ, కొన్ని వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్లు సమయోజనీయ బంధాలను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి సరిపోయే శక్తిని పొందుతాయి. ఈ విధంగా ఉచిత ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్లు ఉత్పన్నమవుతాయి. డిస్‌కనెక్ట్ జోన్‌లలో ఒక రకమైన ఖాళీ ఏర్పడుతుంది- ఎలక్ట్రాన్లు లేని రంధ్రాలు.

ఈ రంధ్రం పొరుగు జత నుండి వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ ద్వారా సులభంగా ఆక్రమించబడుతుంది, అప్పుడు రంధ్రం పొరుగు అణువు వద్దకు కదులుతుంది. ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద, క్రిస్టల్‌లో నిర్దిష్ట సంఖ్యలో ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతల అని పిలవబడేవి ఏర్పడతాయి.

అదే సమయంలో, ఎలక్ట్రాన్-హోల్ రీకాంబినేషన్ ప్రక్రియ జరుగుతుంది - ఒక ఉచిత ఎలక్ట్రాన్‌ను కలిసే రంధ్రం జెర్మేనియం క్రిస్టల్‌లోని అణువుల మధ్య సమయోజనీయ బంధాన్ని పునరుద్ధరిస్తుంది. ఎలక్ట్రాన్ మరియు రంధ్రంతో కూడిన ఇటువంటి జతలు సెమీకండక్టర్‌లో ఉష్ణోగ్రత చర్య వల్ల మాత్రమే కాకుండా, సెమీకండక్టర్ ప్రకాశవంతంగా ఉన్నప్పుడు, అంటే దానిపై శక్తి సంఘటన కారణంగా కూడా ఉత్పన్నమవుతాయి. విద్యుదయస్కాంత వికిరణం.

సెమీకండక్టర్‌కు బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం వర్తించకపోతే, ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు అస్తవ్యస్తమైన ఉష్ణ చలనంలో పాల్గొంటాయి. కానీ సెమీకండక్టర్‌ను బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రంలో ఉంచినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఒక క్రమంలో కదలడం ప్రారంభిస్తాయి. అలా పుట్టింది సెమీకండక్టర్ కరెంట్.

ఇందులో ఎలక్ట్రాన్ కరెంట్ మరియు హోల్ కరెంట్ ఉంటాయి. సెమీకండక్టర్‌లో, రంధ్రాల సాంద్రత మరియు ప్రసరణ ఎలక్ట్రాన్లు సమానంగా ఉంటాయి మరియు స్వచ్ఛమైన సెమీకండక్టర్లలో మాత్రమే అలా ఉంటుంది ఎలక్ట్రాన్ హోల్ కండక్షన్ మెకానిజం… ఇది సెమీకండక్టర్ యొక్క అంతర్గత విద్యుత్ వాహకత.

అశుద్ధ ప్రసరణ (ఎలక్ట్రాన్ మరియు రంధ్రం)

సెమీకండక్టర్‌లో మలినాలు ఉంటే, స్వచ్ఛమైన సెమీకండక్టర్‌తో పోలిస్తే దాని విద్యుత్ వాహకత గణనీయంగా మారుతుంది. 0.001 పరమాణు శాతం మొత్తంలో సిలికాన్ క్రిస్టల్‌కు భాస్వరం రూపంలో మలినాన్ని జోడించడం వల్ల వాహకత 100,000 రెట్లు ఎక్కువ పెరుగుతుంది! వాహకతపై మలినాలను అటువంటి ముఖ్యమైన ప్రభావం అర్థం చేసుకోవచ్చు.

అశుద్ధ వాహకత పెరుగుదలకు ప్రధాన షరతు అశుద్ధత యొక్క విలువ మరియు మాతృ మూలకం యొక్క విలువ మధ్య వ్యత్యాసం. అటువంటి అశుద్ధ ప్రసరణ అంటారు అశుద్ధ ప్రసరణ మరియు ఎలక్ట్రాన్ మరియు రంధ్రం కావచ్చు.

జెర్మేనియం స్ఫటికంలో పెంటావాలెంట్ పరమాణువులు, ఆర్సెనిక్ ప్రవేశపెడితే, జెర్మేనియం స్ఫటికం ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతను కలిగి ఉంటుంది, అయితే జెర్మేనియం యొక్క పరమాణువుల విలువ నాలుగు. పెంటావాలెంట్ ఆర్సెనిక్ పరమాణువు జెర్మేనియం క్రిస్టల్ లాటిస్ స్థానంలో ఉన్నప్పుడు, ఆర్సెనిక్ అణువు యొక్క నాలుగు బయటి ఎలక్ట్రాన్లు నాలుగు పొరుగు జెర్మేనియం అణువులతో సమయోజనీయ బంధాలలో పాల్గొంటాయి. ఆర్సెనిక్ అణువు యొక్క ఐదవ ఎలక్ట్రాన్ స్వేచ్ఛగా మారుతుంది, అది సులభంగా దాని అణువును వదిలివేస్తుంది.

మరియు ఎలక్ట్రాన్ వదిలిపెట్టిన అణువు సెమీకండక్టర్ యొక్క క్రిస్టల్ లాటిస్ స్థానంలో సానుకూల అయాన్‌గా మారుతుంది. ప్రధాన పరమాణువుల వాలెన్స్ కంటే అశుద్ధత యొక్క విలువ ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు ఇది దాత అశుద్ధం అని పిలవబడుతుంది. అనేక ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లు ఇక్కడ కనిపిస్తాయి, అందుకే, ఒక మలినాన్ని ప్రవేశపెట్టడంతో, సెమీకండక్టర్ యొక్క విద్యుత్ నిరోధకత వేల మరియు మిలియన్ల సార్లు పడిపోతుంది. పెద్ద మొత్తంలో అదనపు మలినాలతో కూడిన సెమీకండక్టర్ వాహకతలో లోహాలను చేరుకుంటుంది.

ఆర్సెనిక్-డోప్డ్ జెర్మేనియం క్రిస్టల్‌లోని అంతర్గత వాహకతకు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు కారణమైనప్పటికీ, ఆర్సెనిక్ అణువులను విడిచిపెట్టిన ఎలక్ట్రాన్లు ప్రధాన ఉచిత ఛార్జ్ క్యారియర్లు. అటువంటి పరిస్థితిలో, ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల ఏకాగ్రత రంధ్రాల సాంద్రతను మించిపోయింది మరియు ఈ రకమైన వాహకతను సెమీకండక్టర్ యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ వాహకత అని పిలుస్తారు మరియు సెమీకండక్టర్‌ను n-రకం సెమీకండక్టర్ అంటారు.

జెర్మేనియం క్రిస్టల్‌కు పెంటావాలెంట్ ఆర్సెనిక్‌కు బదులుగా ట్రివాలెంట్ ఇండియం కలిపితే, అది కేవలం మూడు జెర్మేనియం పరమాణువులతో సమయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది. నాల్గవ జెర్మేనియం పరమాణువు ఇండియమ్ పరమాణువుతో బంధం లేకుండా ఉంటుంది. కానీ పొరుగున ఉన్న జెర్మేనియం అణువుల ద్వారా సమయోజనీయ ఎలక్ట్రాన్‌ను సంగ్రహించవచ్చు.ఇండియం అప్పుడు ప్రతికూల అయాన్ అవుతుంది మరియు పొరుగున ఉన్న జెర్మేనియం అణువు సమయోజనీయ బంధం ఉన్న ఖాళీని ఆక్రమిస్తుంది.

అటువంటి అశుద్ధత, ఒక అశుద్ధ పరమాణువు ఎలక్ట్రాన్‌లను సంగ్రహించినప్పుడు, దానిని అంగీకరించే అశుద్ధత అంటారు. ఒక అంగీకార మలినాన్ని ప్రవేశపెట్టినప్పుడు, క్రిస్టల్‌లో అనేక సమయోజనీయ బంధాలు విరిగిపోతాయి మరియు సమయోజనీయ బంధాల నుండి ఎలక్ట్రాన్లు దూకగల అనేక రంధ్రాలు ఏర్పడతాయి. విద్యుత్ ప్రవాహం లేనప్పుడు, రంధ్రాలు క్రిస్టల్‌పై యాదృచ్ఛికంగా కదులుతాయి.

ఒక అంగీకారకం రంధ్రాల సమృద్ధి కారణంగా సెమీకండక్టర్ యొక్క వాహకతలో పదునైన పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది మరియు ఈ రంధ్రాల ఏకాగ్రత సెమీకండక్టర్ యొక్క అంతర్గత విద్యుత్ వాహకత యొక్క ఎలక్ట్రాన్ల సాంద్రతను గణనీయంగా మించిపోయింది. ఇది హోల్ కండక్షన్ మరియు సెమీకండక్టర్‌ను p-టైప్ సెమీకండక్టర్ అంటారు. దానిలో ప్రధాన ఛార్జ్ క్యారియర్లు రంధ్రాలు.