सेमीकंडक्टर्स ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी विद्युत चालकता अच्छे कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच होती है। बिना किसी अशुद्धता के अर्धचालक, आंतरिक अर्धचालक कहलाते हैं। जर्मेनियम और सिलिकॉन सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले आंतरिक अर्धचालक हैं। जीई (परमाणु संख्या 32) और सिलिकॉन (परमाणु संख्या 14) दोनों आवर्त सारणी के चौथे समूह से संबंधित हैं, और वे टेट्रावैलेंट हैं।
अर्धचालक के लक्षण क्या हैं?
परम शून्य के निकट तापमान पर, शुद्ध Ge और Si उत्तम इन्सुलेटर की तरह व्यवहार करते हैं। लेकिन तापमान में वृद्धि के साथ उनकी चालकता बढ़ जाती है। Ge के लिए, सहसंयोजक बंध में एक इलेक्ट्रॉन की बंधन ऊर्जा 0.7 eV है। यदि यह ऊर्जा ऊष्मा के रूप में आपूर्ति की जाती है, तो कुछ बंधन टूट जाते हैं, और इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाते हैं।
सामान्य तापमान पर, कुछ इलेक्ट्रॉन जीई या सी क्रिस्टल के परमाणुओं से मुक्त हो जाते हैं, और वे क्रिस्टल में घूमते हैं। पहले से व्याप्त स्थान पर इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति का तात्पर्य उस स्थान पर धनात्मक आवेश से है। कहा जाता है कि एक "छेद" उस स्थान पर बनाया जाता है जहाँ इलेक्ट्रॉन मुक्त होता है। A (रिक्त) छिद्र धनावेश के तुल्य होता है और इसमें इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने की प्रवृत्ति होती है।
जब एक इलेक्ट्रॉन एक छेद में कूदता है, तो उस स्थान पर एक नया छेद उत्पन्न होता है जहां इलेक्ट्रॉन पहले था। एक दिशा में इलेक्ट्रॉनों की गति विपरीत दिशा में छिद्रों की गति के बराबर होती है। इस प्रकार, आंतरिक अर्धचालकों में, छेद और इलेक्ट्रॉन एक साथ उत्पन्न होते हैं, और ये दोनों चार्ज वाहक के रूप में कार्य करते हैं।
अर्धचालकों के प्रकार और उनके उपयोग
बाह्य अर्धचालक दो प्रकार के होते हैं: n-प्रकार और p-प्रकार।
एन-प्रकार अर्धचालक: आर्सेनिक (As), सुरमा (Sb) और फास्फोरस (P) जैसे तत्व पेंटावैलेंट हैं, जबकि Ge और Si टेट्रावैलेंट हैं। यदि जीई या सी क्रिस्टल में अशुद्धता के रूप में थोड़ी मात्रा में सुरमा मिलाया जाता है, तो इसके पांच वैलेन्ट इलेक्ट्रॉनों में से चार पड़ोसी जीई परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बनाएंगे। लेकिन सुरमा का पांचवां इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल में गति करने के लिए लगभग स्वतंत्र हो जाता है।
यदि डोप किए गए Ge-क्रिस्टल पर एक संभावित वोल्टेज लागू किया जाता है, तो डोप किए गए Ge में मुक्त इलेक्ट्रॉन सकारात्मक टर्मिनल की ओर बढ़ेंगे, और चालकता बढ़ जाती है। चूँकि ऋणावेशित मुक्त इलेक्ट्रॉन डोपेड Ge क्रिस्टल की चालकता बढ़ाते हैं, इसलिए इसे n-प्रकार का अर्धचालक कहा जाता है।
पी-टाइप सेमीकंडक्टर: यदि एक त्रिसंयोजक अशुद्धता जैसे इंडियम, एल्युमिनियम या बोरॉन (तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन वाले) को एक में जोड़ा जाता है टेट्रावैलेंट जीई या सी के अनुपात में बहुत कम, तो तीन जीई परमाणुओं के साथ तीन सहसंयोजक बंधन बनते हैं। लेकिन Ge का चौथा संयोजकता इलेक्ट्रॉन इंडियम के साथ सहसंयोजक बंधन नहीं बना सकता क्योंकि युग्मन के लिए कोई इलेक्ट्रॉन नहीं बचा है।
इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति या कमी को होल कहते हैं। प्रत्येक छिद्र को उस बिंदु पर धनात्मक आवेश का क्षेत्र माना जाता है। चूंकि जीई डोप्ड की इंडियम के साथ चालकता छिद्रों के कारण होती है, इसे पी-टाइप सेमीकंडक्टर कहा जाता है।
इस प्रकार, एन-टाइप और पी-टाइप दो प्रकार के अर्धचालक हैं, और उनके उपयोगों को इस प्रकार समझाया गया है: एक पी-टाइप सेमीकंडक्टर और एक एन-टाइप सेमीकंडक्टर एक साथ जुड़ जाते हैं, और आम इंटरफेस को पी-एन जंक्शन कहा जाता है डायोड।
पी-एन जंक्शन डायोड का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में रेक्टिफायर के रूप में किया जाता है। एक ट्रांजिस्टर एक तीन-टर्मिनल अर्धचालक उपकरण है, जो n-प्रकार की सामग्री के एक पतले टुकड़े को बीच में सैंडविच करके बनाया जाता है पी-टाइप सामग्री के दो बड़े टुकड़े, या एन-टाइप के दो बड़े टुकड़ों के बीच पी-टाइप सेमीकंडक्टर का एक पतला टुकड़ा अर्धचालक। इस प्रकार, ट्रांजिस्टर दो प्रकार के होते हैं: p-n-p और n-p-n। इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में एक ट्रांजिस्टर का उपयोग एम्पलीफायर के रूप में किया जाता है।
अर्धचालक के क्या लाभ हैं?
सेमीकंडक्टर डायोड और वैक्यूम के बीच तुलना से सेमीकंडक्टर्स के फायदों के बारे में अधिक स्पष्ट झलक मिलती है।
- वैक्यूम डायोड के विपरीत, अर्धचालक उपकरणों में कोई फिलामेंट नहीं होता है। इसलिए, अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने के लिए किसी तापन की आवश्यकता नहीं होती है।
- सर्किट डिवाइस पर स्विच करने के तुरंत बाद सेमीकंडक्टर उपकरणों को संचालित किया जा सकता है।
- वैक्यूम डायोड के विपरीत, संचालन के समय अर्धचालकों द्वारा कोई गुनगुनाहट नहीं उत्पन्न होती है।
- वैक्यूम ट्यूब की तुलना में, सेमीकंडक्टर उपकरणों को हमेशा कम ऑपरेटिंग वोल्टेज की आवश्यकता होती है।
- चूंकि अर्धचालक आकार में छोटे होते हैं, इसलिए उनमें शामिल सर्किट भी बहुत कॉम्पैक्ट होते हैं।
- वैक्यूम ट्यूबों के विपरीत, अर्धचालक शॉक-प्रूफ होते हैं। इसके अलावा, वे आकार में छोटे होते हैं और कम जगह घेरते हैं और कम बिजली की खपत करते हैं।
- वैक्यूम ट्यूब की तुलना में, अर्धचालक तापमान और विकिरण के प्रति बेहद संवेदनशील होते हैं।
- सेमीकंडक्टर्स वैक्यूम डायोड की तुलना में सस्ते होते हैं और इनकी शेल्फ लाइफ असीमित होती है।
- सेमीकंडक्टर उपकरणों को ऑपरेशन के लिए वैक्यूम की आवश्यकता नहीं होती है।
संक्षेप में, अर्धचालक उपकरणों के फायदे वैक्यूम ट्यूबों की तुलना में कहीं अधिक हैं। अर्धचालक सामग्री के आगमन के साथ, छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को विकसित करना संभव हो गया जो अधिक परिष्कृत, टिकाऊ और संगत थे।
सेमीकंडक्टर उपकरणों के अनुप्रयोग क्या हैं?
सबसे आम अर्धचालक उपकरण ट्रांजिस्टर है, जिसका उपयोग लॉजिक गेट और डिजिटल सर्किट के निर्माण के लिए किया जाता है। अर्धचालक उपकरणों के अनुप्रयोग एनालॉग सर्किट तक भी विस्तारित होते हैं, जिनका उपयोग ऑसिलेटर्स और एम्पलीफायरों में किया जाता है।
सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग एकीकृत परिपथों में भी किया जाता है, जो बहुत अधिक वोल्टेज और करंट पर काम करते हैं। अर्धचालक उपकरणों के अनुप्रयोग दैनिक जीवन में भी देखे जाते हैं। उदाहरण के लिए, हाई-स्पीड कंप्यूटर चिप्स सेमीकंडक्टर्स से बनाए जाते हैं। टेलीफोन, चिकित्सा उपकरण और रोबोटिक्स भी सेमीकंडक्टर सामग्री का उपयोग करते हैं।