अर्धचालक (सेमीकंडक्टर): Difference between revisions
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[[File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|upright=0.8|[[ मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन ]] का एक [[ बाउल (क्रिस्टल) ]]]] | [[File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|thumb|upright=0.8|[[ मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन ]] का एक [[ बाउल (क्रिस्टल) ]]]] | ||
{{Semiconductor manufacturing processes}} | {{Semiconductor manufacturing processes}} | ||
'''अर्धचालक''' | '''अर्धचालक''' पदार्थों का विद्युत चालकता मान एक चालक के बीच होता है, जैसे धातु तांबा, और [[ इन्सुलेटर (बिजली) ]], जैसे कांच के बीच [[ विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता ]] मूल्य होता है। जब तापमान बढ़ने पर इसकी विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता कम हो जाती है, धातुएं विपरीत तरीके से व्यवहार करती हैं। क्रिस्टल संरचना में अशुद्धियों ([[ डोपिंग (अर्धचालक) | "डोपिंग" (अर्धचालक)]] ) को सम्मिलित करके इसके '''संचालन''' गुणों को उपयोगी तरीकों से बदला जा सकता है। जब एक ही क्रिस्टल में दो अलग-अलग डोप किए गए क्षेत्र मौजूद होते हैं, तो [[ अर्धचालक जंक्शन ]] बनाया जाता है। इन जंक्शनों पर आवेश वाहकों का व्यवहार, जिसमें [[ इलेक्ट्रॉन ]], [[ आयन |आयन]] और [[ इलेक्ट्रॉन छेद | इलेक्ट्रॉन छिद्र]] सम्मिलित हैं, [[ डायोड ]], [[ ट्रांजिस्टर ]] और अधिकांश आधुनिक [[ इलेक्ट्रानिक्स ]] का आधार है। अर्धचालक के कुछ उदाहरण हैं [[ सिलिकॉन ]], [[ जर्मेनियम ]], [[ गैलियम आर्सेनाइड ]], और [[ आवर्त सारणी ]] पर इस नाम के "मेटालॉइ श्रेणी" के पास का तत्व हैं। सिलिकॉन के बाद, गैलियम आर्सेनाइड, दूसरा सबसे सामान्य अर्धचालक है और इसका उपयोग लेजर डायोड, सौर कोशिकाओं, माइक्रोवेव-आवृत्ति एकीकृत सर्किट और अन्य में किया जाता है। अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने के लिए सिलिकॉन महत्वपूर्ण तत्व है। | ||
[[ सेमीकंडक्टर डिवाइस ]] उपयोगी गुणों की श्रृंखला प्रदर्शित कर सकते हैं, जैसे कि दूसरी दिशा की तुलना में एक दिशा में अधिक आसानी से प्रवाह करना, परिवर्तनीय प्रतिरोध दिखाना, और प्रकाश या | [[ सेमीकंडक्टर डिवाइस | अर्धचालक यंत्र]] उपयोगी गुणों की श्रृंखला प्रदर्शित कर सकते हैं, जैसे कि दूसरी दिशा की तुलना में एक दिशा में अधिक आसानी से प्रवाह करना, परिवर्तनीय प्रतिरोध दिखाना, और प्रकाश या ऊष्मा के प्रति संवेदनशीलता होना। चूंकि अर्धचालक सामग्री के विद्युत गुणों को डोपिंग द्वारा और विद्युत क्षेत्रों या प्रकाश के अनुप्रयोग द्वारा संशोधित किया जा सकता है, अर्धचालक से बने उपकरणों का उपयोग प्रवर्धन, स्विचिंग और [[ ऊर्जा रूपांतरण ]] के लिए किया जा सकता है। | ||
पेंटावैलेंट ( [[Index.php?title=एंटीमनी|एंटीमनी]] , [[ फास्फोरस | फास्फोरस]] , या [[ हरताल | आर्सेनिक]] ) या ट्रिवेलेंट (बोरॉन, [[ गैलियम | गैलियम]] , [[ ईण्डीयुम | इंडियम]] ) परमाणुओं की थोड़ी मात्रा (108 में 1 के क्रम के) को जोड़कर सिलिकॉन की चालकता को बढ़ाई जाती है। इस प्रक्रिया को डोपिंग के रूप में जाना जाता है, और परिणामी अर्धचालकों को डोप या बाह्य अर्धचालक के रूप में जाना जाता है। डोपिंग के अलावा, अर्धचालक का तापमान बढ़ाकर उसकी चालकता में सुधार किया जा सकता है। यह धातु के व्यवहार के विपरीत है, जिसमें तापमान में वृद्धि के साथ चालकता कम हो जाती है। | |||
अर्धचालक के गुणों की आधुनिक समझ क्रिस्टल संरचना में आवेश वाहकों की गति की व्याख्या करने के लिए [[ क्वांटम भौतिकी ]] पर निर्भर करती है।<ref name=Feynman>{{cite book |last1=Feynman |first1=Richard |title=Feynman Lectures on Physics |url=https://feynmanlectures.caltech.edu}}</ref> डोपिंग [[ क्रिस्टल ]] के भीतर आवेश वाहकों की संख्या को बहुत बढ़ा देता है। जब डोप्ड अर्धचालक में मुक्त छिद्र होते हैं, तो इसे " | अर्धचालक के गुणों की आधुनिक समझ क्रिस्टल संरचना में आवेश वाहकों की गति की व्याख्या करने के लिए [[ क्वांटम भौतिकी ]] पर निर्भर करती है।<ref name=Feynman>{{cite book |last1=Feynman |first1=Richard |title=Feynman Lectures on Physics |url=https://feynmanlectures.caltech.edu}}</ref> डोपिंग [[ क्रिस्टल ]] के भीतर आवेश वाहकों की संख्या को बहुत बढ़ा देता है। जब डोप्ड अर्धचालक में मुक्त छिद्र होते हैं, तो इसे "p-टाइप" कहा जाता है, और जब इसमें मुक्त इलेक्ट्रान होते हैं, तो इसे एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर n-टाइप अर्धचालक "n-टाइप" के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की जाने वाली अर्धचालक सामग्री को '''p'''- और '''n'''-टाइप डोपेंट की एकाग्रता और क्षेत्रों को नियंत्रित करने के लिए सटीक परिस्थितियों में डोप किया जाता है। सिंगल सेमीकंडक्टर डिवाइस क्रिस्टल में कई p-टाइप और n-टाइप क्षेत्र हो सकते हैं, इन क्षेत्रों के बीच p-n जंक्शन उपयोगी इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार के लिए जिम्मेदार हैं। हॉट-पॉइंट जांच का उपयोग करके, कोई भी जल्दी से यह निर्धारित कर सकता है कि अर्धचालक नमूना p- या n-प्रकार है या नहीं।<ref>{{cite web |title=2.4.7.9 The "hot-probe" experiment |url=https://ecee.colorado.edu/~bart/book/hotprobe.htm |website=ecee.colorado.edu |access-date=27 November 2020 |archive-date=6 March 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210306224540/https://ecee.colorado.edu/~bart/book/hotprobe.htm |url-status=dead }}</ref> | ||
अर्धचालक पदार्थों के कुछ गुण 19वीं सदी के मध्य और 20वीं सदी के पहले दशकों में देखे गए। इलेक्ट्रॉनिक्स में अर्धचालकों का पहला व्यावहारिक अनुप्रयोग 1904 में कैट्स-व्हिस्कर डिटेक्टर का विकास था, जो प्रारंभिक [[ वायरलेस टेलीग्राफी | वायरलेस टेलीग्राफी]] रिसीवर में उपयोग किया जाने वाला आदिम अर्धचालक डायोड था। क्वांटम भौतिकी में विकास के कारण 1947 में ट्रांजिस्टर का आविष्कार हुआ और 1958 में एकीकृत सर्किट का नेतृत्व किया।<ref>{{cite book |last1=Shockley |first1=William |title=Electrons and holes in semiconductors: with applications to transistor electronics |date=1950 |publisher=R. E. Krieger Pub. Co |isbn=978-0-88275-382-9}}</ref> | |||
== गुण == | == गुण == | ||
=== परिवर्तनीय विद्युत चालकता === | === परिवर्तनीय विद्युत चालकता === | ||
अर्धचालक अपनी प्राकृतिक अवस्था में कुचालक होते हैं क्योंकि [[ विद्युत प्रवाह ]] के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की आवश्यकता होती है, और अर्धचालकों में उनके [[ संयोजी बंध ]] भरे होते हैं, जो नए इलेक्ट्रॉनों के पूरे प्रवाह को रोकते हैं। कई विकसित तकनीकें अर्धचालक पदार्थों को डोपिंग (अर्धचालक) या [[ क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक) ]] जैसी | अर्धचालक अपनी प्राकृतिक अवस्था में कुचालक होते हैं क्योंकि [[ विद्युत प्रवाह ]] के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की आवश्यकता होती है, और अर्धचालकों में उनके [[ संयोजी बंध ]]भरे होते हैं, जो नए इलेक्ट्रॉनों के पूरे प्रवाह को रोकते हैं। कई विकसित तकनीकें अर्धचालक पदार्थों को डोपिंग (अर्धचालक) या [[ क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक) ]] जैसी पदार्थों का संचालन करने की अनुमति देती हैं। इन संशोधनों के दो परिणाम हैं '''n-टाइप''' और '''p-टाइप'''। ये क्रमशः इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या कमी को संदर्भित करते हैं। इलेक्ट्रॉनों की संतुलित संख्या पूरे पदार्थ में धारा प्रवाहित करेगी।<ref name="Neamen">{{cite web |last1=Neamen |first1=Donald |title=Semiconductor Physics and Devices |url=http://www.fulviofrisone.com/attachments/article/403/Semiconductor%20Physics%20And%20Devices%20-%20Donald%20Neamen.pdf |publisher=Elizabeth A. Jones}}</ref> | ||
=== विषम संधि === | === विषम संधि === | ||
[[विषम संधि| | [[विषम संधि|हेटेरोजंक्शन]](विषम संधि) तब होते हैं जब दो अलग-अलग डोप किए गए अर्धचालक पदार्थ जुड़ जाते हैं। उदाहरण के लिए, विन्यास में p-डॉप्ड और n-डॉप्ड जर्मेनियम सम्मिलित हो सकते हैं। इसके परिणामस्वरूप अलग-अलग डोप किए गए अर्धचालक पदार्थों के बीच इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का आदान-प्रदान होता है। n-डॉप्ड जर्मेनियम में इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होगी, और p-डॉप्ड जर्मेनियम में छिद्रों की अधिकता होगी। स्थानांतरण तब तक होता है जब तक कि [[ पुनर्संयोजन (भौतिकी) ]] नामक प्रक्रिया द्वारा संतुलन तक नहीं पहुंच जाता है, जिसके कारण n-प्रकार से माइग्रेटिंग इलेक्ट्रॉनों को p-टाइप से माइग्रेटिंग छिद्रों के संपर्क में आने का कारण बनता है। इस प्रक्रिया का परिणाम स्थिर आयनों की एक संकीर्ण पट्टी है, जो जंक्शन के आर-पार [[ विद्युत क्षेत्र ]] का कारण बनती है।<ref name="Feynman" /><ref name="Neamen" /> | ||
=== '''उत्तेजित इलेक्ट्रॉन''' === | === '''उत्तेजित इलेक्ट्रॉन''' === | ||
अर्धचालक | अर्धचालक पदार्थों पर विद्युत क्षमता में अंतर के कारण यह तापीय संतुलन को छोड़ देगा और गैर-संतुलन स्थिति पैदा करेगा। यह प्रणाली में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का परिचय देता है, जो एक प्रक्रिया के माध्यम से बातचीत करते हैं जिसे [[ द्विध्रुवीय प्रसार | द्विध्रुवीय प्रसार]] कहा जाता है। जब भी किसी अर्धचालक पदार्थ में तापीय साम्य भंग होता है, तो छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या में परिवर्तन होता है। इस तरह के व्यवधान तापमान अंतर या फोटॉन के परिणामस्वरूप हो सकते हैं, जो प्रणाली में प्रवेश कर सकते हैं और इलेक्ट्रॉनों छिद्र बना सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को बनाने और नष्ट करने वाली प्रक्रिया को क्रमशः [[ वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन | वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन]] कहा जाता है।<ref name="Neamen" /> | ||
=== प्रकाश उत्सर्जन === | === प्रकाश उत्सर्जन === | ||
कुछ अर्धचालकों में, उत्तेजित इलेक्ट्रॉन | कुछ अर्धचालकों में, उत्तेजित इलेक्ट्रॉन ऊष्मा पैदा करने के बजाय प्रकाश उत्सर्जित करके आराम कर सकते हैं।<ref>By Abdul Al-Azzawi. "[https://books.google.com/books?id=Iw7NBQAAQBAJ&pg=PA54&lpg=PA54&dq=In+certain+semiconductors,+excited+electrons+can+relax+by+emitting+light+instead+of+producing+heat.%5C&source=bl&ots=W0PTjQvQ2L&sig=ukjN-RIXvTMjjbhYd9QRxK14sd4&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwjMncyJmqjLAhVBxWMKHWuiBy0Q6AEIIjAB#v=onepage&q&f=false Light and Optics: Principles and Practices]." 2007. March 4, 2016.</ref> इन अर्धचालकों का उपयोग [[ प्रकाश उत्सर्जक डायोड ]]और फ्लोरोसेंट [[ क्वांटम डॉट ]] के निर्माण में किया जाता है। | ||
=== उच्च तापीय चालकता === | === उच्च तापीय चालकता === | ||
उच्च तापीय चालकता वाले अर्धचालकों का उपयोग | उच्च तापीय चालकता वाले अर्धचालकों का उपयोग ऊष्मा अपव्यय और इलेक्ट्रॉनिक्स के थर्मल प्रबंधन में सुधार के लिए किया जा सकता है। | ||
=== थर्मल ऊर्जा रूपांतरण === | === थर्मल ऊर्जा रूपांतरण === | ||
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== सामग्री == | == सामग्री == | ||
{{Main article| | {{Main article|अर्धचालक सामग्री की सूची | ||
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[[File:Silicon.jpg|thumb|सिलिकॉन क्रिस्टल [[ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स ]] और [[ फोटोवोल्टिक ]] में उपयोग की जाने वाली सबसे आम अर्धचालक सामग्री हैं।]] | [[File:Silicon.jpg|thumb|सिलिकॉन क्रिस्टल [[ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स ]] और [[ फोटोवोल्टिक ]] में उपयोग की जाने वाली सबसे आम अर्धचालक सामग्री हैं।]] | ||
बड़ी संख्या में तत्वों और यौगिकों में अर्धचालक गुण होते हैं, जिनमें | बड़ी संख्या में तत्वों और यौगिकों में अर्धचालक गुण होते हैं, जिनमें सम्मिलित हैं<ref name=Yacobi03>B. G. Yacobi, ''Semiconductor Materials: An Introduction to Basic Principles'', Springer 2003 {{ISBN|0-306-47361-5}}, pp. 1–3.</ref> | ||
* आवर्त सारणी के समूह 14 तत्वों में कुछ शुद्ध तत्व पाए जाते हैं, इन तत्वों में सबसे अधिक व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं। यहां सिलिकॉन और जर्मेनियम का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है क्योंकि उनके सबसे बाहरी शेल में 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उन्हें एक ही समय में समान रूप से इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने या खोने की क्षमता देता है। | * आवर्त सारणी के समूह 14 तत्वों में कुछ शुद्ध तत्व पाए जाते हैं, इन तत्वों में सबसे अधिक व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं। यहां सिलिकॉन और जर्मेनियम का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है क्योंकि उनके सबसे बाहरी शेल में 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उन्हें एक ही समय में समान रूप से इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने या खोने की क्षमता देता है। | ||
* बाइनरी यौगिक, विशेष रूप से समूह 13 और 15 में तत्वों के बीच, जैसे गैलियम आर्सेनाइड, समूह 12 और 16, समूह 14 और 16, और विभिन्न समूह -14 तत्वों के बीच, उदा. [[ सिलिकन कार्बाइड ]]। | * बाइनरी यौगिक, विशेष रूप से समूह 13 और 15 में तत्वों के बीच, जैसे गैलियम आर्सेनाइड, समूह 12 और 16, समूह 14 और 16, और विभिन्न समूह -14 तत्वों के बीच, उदा. [[ सिलिकन कार्बाइड ]]। | ||
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* [[ कार्बनिक अर्धचालक ]], कार्बनिक यौगिकों से बने होते हैं। | * [[ कार्बनिक अर्धचालक ]], कार्बनिक यौगिकों से बने होते हैं। | ||
* जैविक-धातु का अर्धचालक ढांचे।<ref>{{cite journal |last1=Dong |first1=Renhao |last2=Han |first2=Peng |last3=Arora |first3=Himani |last4=Ballabio |first4=Marco |last5=Karakus |first5=Melike |last6=Zhang |first6=Zhe |last7=Shekhar |first7=Chandra |last8=Adler |first8=Peter |last9=Petkov |first9=Petko St. |last10=Erbe |first10=Artur |last11=Mannsfeld |first11=Stefan C. B. |date=2018 |title=High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework |url=https://www.nature.com/articles/s41563-018-0189-z |journal=Nature Materials |language=en |volume=17 |issue=11 |pages=1027–1032 |doi=10.1038/s41563-018-0189-z |pmid=30323335 |bibcode=2018NatMa..17.1027D |s2cid=53027396 |issn=1476-4660}}</ref><ref>{{cite book |last=Arora |first=Himani |url=https://himani-arora-ha.github.io/pdf/Dissertation.pdf |title=Charge transport in two-dimensional materials and their electronic applications |publisher=Qucosa |year=2020 |location=Dresden}}</ref> | * जैविक-धातु का अर्धचालक ढांचे।<ref>{{cite journal |last1=Dong |first1=Renhao |last2=Han |first2=Peng |last3=Arora |first3=Himani |last4=Ballabio |first4=Marco |last5=Karakus |first5=Melike |last6=Zhang |first6=Zhe |last7=Shekhar |first7=Chandra |last8=Adler |first8=Peter |last9=Petkov |first9=Petko St. |last10=Erbe |first10=Artur |last11=Mannsfeld |first11=Stefan C. B. |date=2018 |title=High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework |url=https://www.nature.com/articles/s41563-018-0189-z |journal=Nature Materials |language=en |volume=17 |issue=11 |pages=1027–1032 |doi=10.1038/s41563-018-0189-z |pmid=30323335 |bibcode=2018NatMa..17.1027D |s2cid=53027396 |issn=1476-4660}}</ref><ref>{{cite book |last=Arora |first=Himani |url=https://himani-arora-ha.github.io/pdf/Dissertation.pdf |title=Charge transport in two-dimensional materials and their electronic applications |publisher=Qucosa |year=2020 |location=Dresden}}</ref> | ||
सबसे सामान्य: अर्धचालक पदार्थ क्रिस्टलीय ठोस हैं, लेकिन [[ अनाकार सिलिकॉन ]] और तरल अर्धचालक भी ज्ञात हैं। इनमें [[ हाइड्रोजनीकृत अनाकार सिलिकॉन ]] और विभिन्न अनुपातों में आर्सेनिक, [[ सेलेनियम ]] और [[ टेल्यूरियम ]] के मिश्रण | सबसे सामान्य: अर्धचालक पदार्थ क्रिस्टलीय ठोस हैं, लेकिन [[ अनाकार सिलिकॉन ]] और तरल अर्धचालक भी ज्ञात हैं। इनमें [[ हाइड्रोजनीकृत अनाकार सिलिकॉन ]] और विभिन्न अनुपातों में आर्सेनिक, [[ सेलेनियम ]] और [[ टेल्यूरियम ]] के मिश्रण सम्मिलित हैं। ये यौगिक बेहतर ज्ञात अर्धचालकों के साथ मध्यवर्ती चालकता के गुणों और तापमान के साथ चालकता की तीव्र भिन्नता के साथ-साथ सामयिक [[ नकारात्मक प्रतिरोध | ऋणात्मक प्रतिरोध]] साझा करते हैं। इस तरह की अव्यवस्थित पदार्थ में सिलिकॉन जैसे पारंपरिक अर्धचालकों की कठोर क्रिस्टलीय संरचना का अभाव होता है। वे सामान्य [[ पतली फिल्म ]] संरचनाओं में उपयोग किए जाते हैं, जिन्हें उच्च इलेक्ट्रॉनिक गुणवत्ता की पदार्थ की आवश्यकता नहीं होती है, जो अशुद्धियों और विकिरण क्षति के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील होते हैं। | ||
=== अर्धचालक सामग्री की तैयारी === | === अर्धचालक सामग्री की तैयारी === | ||
आज की लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक तकनीक में अर्धचालकों का उपयोग | आज की लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक तकनीक में अर्धचालकों का उपयोग सम्मिलित है, जिसमें सबसे महत्वपूर्ण पहलू इंटीग्रेटेड सर्किट (IC) है, जो [[ डेस्कटॉप कंप्यूटर ]], [[ लैपटॉप कंप्यूटर ]], स्कैनर, [[ सेलफोन ]] और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पाए जाते हैं। इंटीग्रेटेड सर्किट (IC) के लिए अर्धचालक बड़े पैमाने पर उत्पादित होते हैं। आदर्श अर्धचालक पदार्थ बनाने के लिए रासायनिक शुद्धता सर्वोपरि है। किसी भी छोटी अपूर्णता का इस बात पर भारी प्रभाव पड़ सकता है कि जिस पैमाने पर पदार्थ का उपयोग किया जाता है, उसके कारण अर्धचालक पदार्थ कैसे व्यवहार करती है।<ref name=Neamen /> | ||
क्रिस्टलीय पूर्णता की उच्च डिग्री की भी आवश्यकता होती है, क्योंकि क्रिस्टल संरचना में दोष (जैसे [[ अव्यवस्था |अव्यवस्था]] , [[ क्रिस्टल ट्विनिंग ]], और स्टैकिंग दोष) पदार्थ के अर्धचालक गुणों में हस्तक्षेप करते हैं। क्रिस्टलीय दोषपूर्ण अर्धचालक उपकरणों का एक प्रमुख कारण है। क्रिस्टल जितना बड़ा होगा, आवश्यक पूर्णता प्राप्त करना उतना ही कठिन होगा। वर्तमान बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रक्रियाओं 100 और 300 मिमी (3.9 और 11.8 इंच) व्यास के बीच क्रिस्टल सिल्लियों का उपयोग होता है, जिन्हें सिलेंडर के रूप में उगाया जाता है और [[ वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) ]] में कटा हुआ होता है। | क्रिस्टलीय पूर्णता की उच्च डिग्री की भी आवश्यकता होती है, क्योंकि क्रिस्टल संरचना में दोष (जैसे [[ अव्यवस्था |अव्यवस्था]] , [[ क्रिस्टल ट्विनिंग ]], और स्टैकिंग दोष) पदार्थ के अर्धचालक गुणों में हस्तक्षेप करते हैं। क्रिस्टलीय दोषपूर्ण अर्धचालक उपकरणों का एक प्रमुख कारण है। क्रिस्टल जितना बड़ा होगा, आवश्यक पूर्णता प्राप्त करना उतना ही कठिन होगा। वर्तमान बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रक्रियाओं 100 और 300 मिमी (3.9 और 11.8 इंच) व्यास के बीच क्रिस्टल सिल्लियों का उपयोग होता है, जिन्हें सिलेंडर के रूप में उगाया जाता है और [[ वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) ]] में कटा हुआ होता है। | ||
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===ऊर्जा बैंड और विद्युत चालन === | ===ऊर्जा बैंड और विद्युत चालन === | ||
{{Main article| | {{Main article|इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना | ||
|विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता | |||
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{{Band structure filling diagram}} | {{Band structure filling diagram}} | ||
अर्धचालकों को उनके अद्वितीय विद्युत प्रवाहकीय व्यवहार द्वारा परिभाषित किया जाता | अर्धचालकों को कहीं न कहीं कंडक्टर और इन्सुलेटर के बीच उनके अद्वितीय विद्युत प्रवाहकीय व्यवहार द्वारा परिभाषित किया जाता है।<ref>{{cite book |title=Fundamentals of Semiconductors |last=Yu |first=Peter |publisher=Springer-Verlag |year=2010 |isbn=978-3-642-00709-5 |location=Berlin}}</ref> इन पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों के बीच अंतर को क्वांटम अवस्था के संदर्भ में समझा जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक में शून्य या एक इलेक्ट्रॉन हो सकता है (पॉली अपवर्जन सिद्धांत द्वारा)। ये अवस्था पदार्थों के [[ इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना ]] से जुड़े हैं। विद्युत चालकता इलेक्ट्रॉनों की उन अवस्थाओं में उपस्थिति के कारण उत्पन्न होती है जो कि स्थानीयकृत हैं (सामग्री के माध्यम से विस्तार), हालांकि इलेक्ट्रॉनों के परिवहन के लिए अवस्था को आंशिक रूप से भरा जाना चाहिए, जिसमें केवल समय का एक इलेक्ट्रॉन होता है।<ref>As in the Mott formula for conductivity, see {{cite journal |last1=Cutler |first1=M. |last2=Mott |first2=N. |doi=10.1103/PhysRev.181.1336 |title=Observation of Anderson Localization in an Electron Gas |journal=Physical Review |volume=181 |issue=3 |pages=1336 |year=1969 |bibcode=1969PhRv..181.1336C}}</ref> यदि इलेक्ट्रॉन की स्तिथि हमेशा व्यस्त में रहता है, तो यह निष्क्रिय है, उस अवस्था के माध्यम से अन्य इलेक्ट्रॉनों के मार्ग को अवरुद्ध करता है। इन क्वांटम अवस्थाओं की ऊर्जाएँ महत्वपूर्ण हैं क्योंकि अवस्था आंशिक रूप से तभी भरा होता है जब उसकी ऊर्जा फ़र्मी स्तर के पास हो (देखें फ़र्मी-डिराक आँकड़े)। | ||
सामग्री में उच्च चालकता इसके कई आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों और बहुत अधिक राज्य निरूपण से आती है। धातुएँ विद्युत की अच्छी सुचालक होती हैं और इनमें कई आंशिक रूप से भरे हुए | सामग्री में उच्च चालकता इसके कई आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों और बहुत अधिक राज्य निरूपण से आती है। धातुएँ विद्युत की अच्छी सुचालक होती हैं और इनमें कई आंशिक रूप से भरे हुए अवस्था होते हैं जिनकी ऊर्जा उनके [[ फर्मी स्तर ]] के पास होती है। इसके विपरीत, इन्सुलेटर (बिजली) में कुछ आंशिक रूप से भरे हुए राज्य होते हैं, उनके फर्मी स्तर कुछ ऊर्जा राज्यों के साथ बैंड अंतराल के भीतर बैठते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इसके तापमान को बढ़ाकर इंसुलेटर का संचालन किया जा सकता है, हीटिंग बैंडगैप में कुछ इलेक्ट्रॉनों को बढ़ावा देने के लिए ऊर्जा प्रदान करता है, [[ ऊर्जा अंतराल ]] (वैलेंस बैंड) और ऊपर के राज्यों के बैंड दोनों राज्यों के बैंड में आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों को प्रेरित करता है। बैंडगैप ([[ चालन बैंड ]])।(आंतरिक) अर्धचालक में बैंडगैप होता है जो इन्सुलेटर से छोटा होता है और कमरे के तापमान पर, बैंड गैप को पार करने के लिए महत्वपूर्ण संख्या में इलेक्ट्रॉनों को उत्साहित किया जा सकता है।<ref name="Kittel">[[Charles Kittel]] (1995) ''[[Introduction to Solid State Physics]]'', 7th ed. Wiley, {{ISBN|0-471-11181-3}}.</ref> शुद्ध अर्धचालक, हालांकि, बहुत उपयोगी नहीं है, क्योंकि यह न तो बहुत अच्छा इन्सुलेटर है और न ही बहुत अच्छा कंडक्टर है। हालांकि, अर्धचालकों (और कुछ इंसुलेटर, जिन्हें सेमी-इंसुलेटर के रूप में जाना जाता है) की एक महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि उनकी चालकता को अशुद्धियों के साथ डोपिंग (अर्धचालक) और विद्युत क्षेत्रों के साथ क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक) द्वारा बढ़ाया और नियंत्रित किया जा सकता है। डोपिंग और गेटिंग या तो कंडक्शन या वैलेंस बैंड को फर्मी स्तर के बहुत करीब ले जाते हैं और आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों की संख्या में काफी वृद्धि करते हैं। | ||
कुछ [[ वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर | वाइड-बैंडगैप | कुछ [[ वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर | वाइड-बैंडगैप अर्धचालक]] पदार्थों को कभी-कभी ''''अर्ध-इंसुलेटर'''<nowiki/>' कहा जाता है। जब बंद किया जाता है, तो इनमें विद्युत चालकता विद्युत इन्सुलेटर के करीब होती है, हालांकि उन्हें डोप किया जा सकता है (उन्हें अर्धचालक के रूप में उपयोगी बनाते हुए)। अर्ध-इन्सुलेटर माइक्रो-इलेक्ट्रॉनिक्स में विशिष्ट अनुप्रयोग ढूंढते हैं, जैसे- HEMT के लिए सबस्ट्रेट्स। सामान्य अर्ध-इन्सुलेटर का एक उदाहरण गैलियम आर्सेनाइड है।<ref>{{cite journal |author=J. W. Allen |title=Gallium Arsenide as a semi-insulator |journal=Nature |volume=187 |pages=403–05 |year=1960 |doi=10.1038/187403b0 |bibcode=1960Natur.187..403A |issue=4735 |s2cid=4183332}}</ref> कुछ सामग्री, जैसे [[ रंजातु डाइऑक्साइड ]], को कुछ अनुप्रयोगों के लिए इन्सुलेट सामग्री के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जबकि अन्य अनुप्रयोगों के लिए व्यापक अंतराल अर्धचालक के रूप में माना जाता है। | ||
=== चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और | === चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और छिद्र) === | ||
{{Main article| | {{Main article|इलेक्ट्रॉन छिद्र}} | ||
संयोजकता बैंड के शीर्ष पर आंशिक भरने के लिए, इलेक्ट्रॉन छिद्र की अवधारणा को प्रस्तुत करना सहायक होता है। यद्यपि संयोजकता बैंड में इलेक्ट्रॉन हमेशा घूमते रहते हैं, पूरी तरह से पूर्ण वैलेंस बैंड निष्क्रिय होता है, किसी भी प्रवाह का संचालन नहीं करता है। यदि एक इलेक्ट्रॉन को संयोजकता बैंड से बाहर निकाल दिया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन सामान्य रूप से जो प्रक्षेपवक्र लेता है, वह अब अपना आवेश खो रहा है। विद्युत प्रवाह के प्रयोजनों के लिए, पूर्ण वैलेंस बैंड, माइनस द इलेक्ट्रान के इस संयोजन को पूरी तरह से खाली बैंड की तस्वीर में परिवर्तित किया जा सकता है जिसमें | चालन बैंड के निचले अवस्था में आंशिक भरने को उस बैंड में इलेक्ट्रॉनों को जोड़ने के रूप में समझा जा सकता है। इलेक्ट्रॉन अनिश्चित काल तक नहीं रहते (प्राकृतिक तापीय पुनर्संयोजन (भौतिकी) के कारण) लेकिन वे कुछ समय के लिए घूम सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों की वास्तविक एकाग्रता सामान्य: बहुत पतली होती है, और इसलिए (धातुओं के विपरीत) अर्धचालक के चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों को एक प्रकार की शास्त्रीय [[ आदर्श गैस ]] के रूप में सोचना संभव है, जहां इलेक्ट्रॉन बिना किसी विषय के स्वतंत्र रूप से उड़ते हैं पाउली के अपवर्जन सिद्धांत। अधिकांश अर्धचालकों में, चालन बैंड में परवलयिक [[ फैलाव संबंध ]] होता है, और इसलिए ये इलेक्ट्रॉन बलों (विद्युत क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र, आदि) पर उतनी ही प्रतिक्रिया करते हैं, जितना कि वे निर्वात में होते हैं, हालांकि अलग प्रभावी द्रव्यमान (ठोस-राज्य भौतिकी) के साथ।<ref name="Kittel"/> चूंकि इलेक्ट्रॉन आदर्श गैस की तरह व्यवहार करते हैं, इसलिए कोई भी [[ ड्रूड मॉडल ]] जैसे बहुत ही सरल शब्दों में चालन के बारे में सोच सकता है, और [[ इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ]] जैसी अवधारणाओं को पेश कर सकता है। | ||
संयोजकता बैंड के शीर्ष पर आंशिक भरने के लिए, इलेक्ट्रॉन छिद्र की अवधारणा को प्रस्तुत करना सहायक होता है। यद्यपि संयोजकता बैंड में इलेक्ट्रॉन हमेशा घूमते रहते हैं, पूरी तरह से पूर्ण वैलेंस बैंड निष्क्रिय होता है, किसी भी प्रवाह का संचालन नहीं करता है। यदि एक इलेक्ट्रॉन को संयोजकता बैंड से बाहर निकाल दिया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन सामान्य रूप से जो प्रक्षेपवक्र लेता है, वह अब अपना आवेश खो रहा है। विद्युत प्रवाह के प्रयोजनों के लिए, पूर्ण वैलेंस बैंड, माइनस द इलेक्ट्रान के इस संयोजन को पूरी तरह से खाली बैंड की तस्वीर में परिवर्तित किया जा सकता है जिसमें घनात्मक चार्ज कण होता है जो इलेक्ट्रॉन के समान ही चलता है। वैलेंस बैंड के शीर्ष पर इलेक्ट्रॉनों के ऋणात्मक प्रभावी द्रव्यमान के साथ, हम घनात्मक चार्ज कण की तस्वीर पर पहुंचते हैं जो विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करता है जैसे कि सामान्य घनात्मक चार्ज कण वैक्यूम में करता है, फिर से कुछ के साथ घनात्मक प्रभावी द्रव्यमान।<ref name=" Kittel"/> इस कण को एक छिद्र कहा जाता है, और वैलेंस बैंड में छिद्रों के संग्रह को फिर से सरल शास्त्रीय शब्दों में समझा जा सकता है (जैसे चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के साथ)। | |||
==== वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन ==== | ==== वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन ==== | ||
{{Main article| | {{Main article|वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन | ||
जब आयनकारी विकिरण एक अर्धचालक से टकराता है, तो यह अपने [[ ऊर्जा ]] स्तर से एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकता है और परिणामस्वरूप एक | }} | ||
जब आयनकारी विकिरण एक अर्धचालक से टकराता है, तो यह अपने [[ ऊर्जा ]] स्तर से एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकता है और परिणामस्वरूप एक छिद्र छोड़ सकता है। इस प्रक्रिया को इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी पीढ़ी के रूप में जाना जाता है। किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत की अनुपस्थिति में, [[ तापीय ऊर्जा ]] से भी इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ लगातार उत्पन्न होते हैं। | |||
इलेक्ट्रॉन- | इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ भी पुनर्संयोजन के लिए उपयुक्त हैं। ऊर्जा के संरक्षण की मांग है कि ये पुनर्संयोजन घटनाएं, जिसमें इलेक्ट्रॉन बैंड गैप से बड़ी मात्रा में ऊर्जा खो देता है, थर्मल ऊर्जा (फोनन के रूप में) या विकिरण (फोटॉन के रूप में) के उत्सर्जन के साथ हो। | ||
कुछ | कुछ अवस्था में, इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों का निर्माण और पुनर्संयोजन समरूप अवस्था में होता है। किसी दिए गए तापमान पर [[ स्थिर अवस्था ]] में इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ की संख्या [[ क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी ]] द्वारा निर्धारित की जाती है। उत्पादन और पुनर्संयोजन के सटीक [[ क्वांटम यांत्रिकी ]] तंत्र ऊर्जा के संरक्षण और गति के संरक्षण द्वारा नियंत्रित होते हैं। | ||
चूंकि इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के एक साथ मिलने की संभावना उनकी संख्याओं के गुणनफल के समानुपाती होती है, उत्पाद निश्चित तापमान पर लगभग स्थिर अवस्था में होता है, | चूंकि इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के एक साथ मिलने की संभावना उनकी संख्याओं के गुणनफल के समानुपाती होती है, उत्पाद निश्चित तापमान पर लगभग स्थिर अवस्था में होता है, परंतु कि कोई महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र न हो (जो [[ फोनोन ]] प्रकार के वाहकों को "फ्लश" कर सकता है, या उन्हें एक साथ मिलने के लिए पड़ोसी क्षेत्रों से स्थानांतरित करें) या बाहरी रूप से संचालित जोड़ी पीढ़ी। उत्पाद तापमान का कार्य है, क्योंकि तापमान के साथ एक जोड़ी के उत्पादन के लिए पर्याप्त तापीय ऊर्जा प्राप्त करने की संभावना लगभग क्स्प (−''E''<sub>G</sub>/''kT''), है, जहां k बोल्ट्जमैन का स्थिरांक है, T परम तापमान है और E<sub>G</sub> बैंडगैप है। | ||
कैरियर ट्रैप द्वारा मिलने की संभावना बढ़ जाती है - अशुद्धियाँ या अव्यवस्थाएं जो इलेक्ट्रॉन या | कैरियर ट्रैप द्वारा मिलने की संभावना बढ़ जाती है - अशुद्धियाँ या अव्यवस्थाएं जो इलेक्ट्रॉन या छिद्र को फंसा सकती हैं और एक जोड़ी के पूरा होने तक इसे पकड़ सकती हैं। इस तरह के वाहक जाल कभी-कभी जानबूझकर स्थिर अवस्था तक पहुंचने के लिए आवश्यक समय को कम करने के लिए जोड़े जाते हैं।<ref>{{cite book |last1=Louis Nashelsky |first1=Robert L.Boylestad |title=Electronic Devices and Circuit Theory |year=2006 |publisher=Prentice-Hall of India Private Limited |location=India |isbn=978-81-203-2967-6 |pages=7–10 |edition=9th}}</ref> | ||
=== डोपिंग === | === डोपिंग === | ||
{{Main article| | {{Main article|डोपिंग (अर्धचालक)}} | ||
अर्धचालकों की चालकता को उनके [[ क्रिस्टल लैटिस ]] में अशुद्धियों को | अर्धचालकों की चालकता को उनके [[ क्रिस्टल लैटिस | क्रिस्टल जाली]] में अशुद्धियों को सम्मिलित करके आसानी से संशोधित किया जा सकता है। अर्धचालक में नियंत्रित अशुद्धियों को जोड़ने की प्रक्रिया को '''डोपिंग''' के रूप में जाना जाता है। अशुद्धता, या डोपेंट की मात्रा, एक ''[[ आंतरिक अर्धचालक ]]'' (शुद्ध) अर्धचालक में जोड़ी जाती है, इसकी चालकता का स्तर भिन्न होता है।<ref>{{cite web |url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/dope.html |title=Doped Semiconductors |access-date=May 3, 2021 |first=R. |last=Nave}}</ref> डोप्ड अर्धचालक को बाह्य अर्धचालक कहा जाता है।<ref>{{cite web |url=https://electronicsdesk.com/difference-between-intrinsic-and-extrinsic-semiconductor.html |title=Difference Between Intrinsic and Extrinsic Semiconductors |first=Roshni |last=Y. |date=5 February 2019 |access-date=May 3, 2021}}</ref> शुद्ध अर्धचालकों में अशुद्धता जोड़कर, विद्युत चालकता हजारों या लाखों के कारकों से भिन्न हो सकती है।<ref>{{cite web |url=https://nptel.ac.in/content/storage2/courses/113106065/Week%203/Lesson6.pdf |title=Lesson 6: Extrinsic semiconductors |access-date=May 3, 2021}}</ref> | ||
=== | A 1 सेमी<sup>3</sup> धातु या अर्धचालक के नमूने में 10<sup>22</sup> परमाणुओं का क्रम है।<ref>{{cite web |url=https://www.chemteam.info/Liquids&Solids/WS-unit-cell-AP.html |title=General unit cell problems |access-date=May 3, 2021}}</ref> धातु में, प्रत्येक परमाणु चालन के लिए कम से कम एक मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है, इस प्रकार 1 सेमी<sup>3</sup> धातु में 10<sup>22</sup> मुक्त इलेक्ट्रॉन के क्रम में होता है,<ref>{{cite web |url=http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/electric/ohmmic.html |title=Ohm's Law, Microscopic View |access-date=May 3, 2021 |first=R. |last=Nave |archive-date=May 3, 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210503095813/http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/electric/ohmmic.html |url-status=dead }}</ref> जबकि 1 सेमी<sup>3</sup> शुद्ध जर्मेनियम का नमूना 20°C पर में लगभग होता है {{val|4.2|e=22}} परमाणु, लेकिन केवल {{val|2.5|e=13}} मुक्त इलेक्ट्रॉन और {{val|2.5|e=13}} छिद्र होते हैं। 0.001% आर्सेनिक (अशुद्धता) के अतिरिक्त ''10<sup>17</sup>'' मुक्त इलेक्ट्रॉनों का दान करता है समान आयतन में मुक्त इलेक्ट्रॉन और विद्युत चालकता 10,000 के कारक से बढ़ जाती है।<ref>{{cite web |url=https://ecee.colorado.edu/~bart/ecen3320/newbook/chapter2/ch2_6.htm |title=Carrier densities |date=2000 |access-date=May 3, 2021 |first=Bart |last=Van Zeghbroeck |archive-date=May 3, 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210503141622/https://ecee.colorado.edu/~bart/ecen3320/newbook/chapter2/ch2_6.htm |url-status=dead }}</ref><ref>{{cite web |url=http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/Ge/bandstr.html |title=Band strcutre and carrier concentration (Ge) |access-date=May 3, 2021}}</ref> उपयुक्त डोपेंट के रूप में चुनी गई सामग्री डोपेंट और डोप की जाने वाली पदार्थ दोनों के परमाणु गुणों पर निर्भर करती है। सामान्य तौर पर, वांछित नियंत्रित परिवर्तन उत्पन्न करने वाले डोपेंट को इलेक्ट्रॉन [[ स्वीकर्ता (अर्धचालक) | स्वीकर्ता (अर्धचालक)]] या [[ दाता (अर्धचालक) | दाता (अर्धचालक)]] के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। दाता अशुद्धियों के साथ डोप किए गए अर्धचालकों को n-प्रकार कहा जाता है, जबकि स्वीकर्ता अशुद्धियों के साथ डोप किए गए अर्धचालकों को p-प्रकार के रूप में जाना जाता है। n और p प्रकार के पदनाम इंगित करते हैं कि कौन सा चार्ज वाहक सामग्री के बहुमत वाहक के रूप में कार्य करता है। विपरीत वाहक को [[ अल्पसंख्यक वाहक | अल्पसंख्यक वाहक]] कहा जाता है, जो [[ बहुसंख्यक वाहक | बहुसंख्यक वाहक]] की तुलना में बहुत कम सांद्रता पर तापीय उत्तेजना के कारण मौजूद होता है।<ref>{{cite web |url=https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/doping/ |title=Doping: n- and p-semiconductors |access-date=May 3, 2021}}</ref> उदाहरण के लिए, शुद्ध अर्धचालक सिलिकॉन में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं जो प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु को अपने पड़ोसियों से बांधते हैं।<ref>{{cite web |url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/sili.html |title=Silicon and Germanium |access-date=May 3, 2021 |first=R. |last=Nave}}</ref> सिलिकॉन में, सबसे सामान्य डोपेंट समूह III और समूह V तत्व हैं। समूह III के सभी तत्वों में तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे वे सिलिकॉन को डोप करने के लिए स्वीकर्ता के रूप में कार्य करते हैं। जब स्वीकर्ता परमाणु क्रिस्टल में सिलिकॉन परमाणु की जगह लेता है, तो खाली अवस्था (इलेक्ट्रॉन छिद्र) बनाई जाती है, जो जाली के चारों ओर घूम सकती है और चार्ज वाहक के रूप में कार्य कर सकती है। समूह V के तत्वों में पाँच संयोजकता इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उन्हें दाता के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है, सिलिकॉन के लिए इन परमाणुओं का प्रतिस्थापन अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाता है। इसलिए, बोरॉन के साथ डोप किया गया सिलिकॉन क्रिस्टल p-टाइप अर्धचालक बनाता है जबकि फॉस्फोरस के साथ डोप किए गए n-टाइप सामग्री में परिणाम होता है।<ref>{{cite web |url=https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/semiconductor-materials |title=Semiconductor Materials |first1=Christiana |last1=Honsberg |first2=Stuart |last2=Bowden |access-date=May 3, 2021}}</ref> अर्धचालक डिवाइस निर्माण के दौरान, डोपेंट को वांछित तत्व के गैसीय यौगिकों के संपर्क में अर्धचालक निकाय में फैलाया जा सकता है, या [[ आयन आरोपण | आयन आरोपण]] का उपयोग डोप किए गए क्षेत्रों को सटीक रूप से करने के लिए किया जा सकता है। | ||
कुछ सामग्री, जब तेजी से | |||
=== आकारहीन अर्धचालक === | |||
कुछ सामग्री, जब तेजी से कांच की आकारहीन अवस्था में ठंडा हो जाती है, तो अर्धचालक गुण होते हैं। इनमें B, Si, Ge, Se, और Te अनाकार सिलिकॉन सम्मिलित हैं, और उन्हें समझाने के लिए कई सिद्धांत हैं।<ref>{{cite web| url = https://www.jhuapl.edu/Content/techdigest/pdf/APL-V07-N03/APL-07-03-Feldman.pdf| title = ''Amorphous semiconductors'' 1968}}</ref><ref>{{cite journal |title=Amorphous semiconductors: a review of current theories |first1=K. |last1=Hulls |first2=P. W. |last2=McMillan |date=May 22, 1972 |journal=Journal of Physics D: Applied Physics |volume=5 |issue=5 |pages=865–82 |doi=10.1088/0022-3727/5/5/205}}</ref> | |||
== अर्धचालकों का प्रारंभिक इतिहास == | == अर्धचालकों का प्रारंभिक इतिहास == | ||
{{See also| | {{See also|अर्धचालक उपकरण#अर्धचालक उपकरण विकास का इतिहास|इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरिंग की समयरेखा | ||
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अर्धचालकों की समझ का इतिहास सामग्री के विद्युत गुणों पर प्रयोगों से शुरू होता है। प्रतिरोध, सुधार और प्रकाश-संवेदनशीलता के समय-तापमान गुणांक के गुण 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में देखे गए थे। | अर्धचालकों की समझ का इतिहास सामग्री के विद्युत गुणों पर प्रयोगों से शुरू होता है। प्रतिरोध, सुधार और प्रकाश-संवेदनशीलता के समय-तापमान गुणांक के गुण 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में देखे गए थे। | ||
[[File:Ferdinand Braun.jpg|thumb|218x218px ने 1874 में [[ क्रिस्टल डिटेक्टर ]], पहला सेमीकंडक्टर डिवाइस विकसित किया।]] | [[File:Ferdinand Braun.jpg|thumb|218x218px ने 1874 में [[ क्रिस्टल डिटेक्टर ]], पहला सेमीकंडक्टर डिवाइस विकसित किया।]] | ||
[[ थॉमस जोहान सीबेक ]] ने पहली बार 1821 में | [[ थॉमस जोहान सीबेक ]] ने पहली बार 1821 में सीबेक ने अर्धचालकों के प्रभाव को नोटिस किया था।<ref>{{cite web |url=https://www.kirj.ee/public/Engineering/2007/issue_4/eng-2007-4-2.pdf |title=Kirj.ee}}</ref> 1833 में, [[ माइकल फैराडे ]] ने बताया कि सिल्वर [[ सल्फाइड ]]के नमूनों को गर्म करने पर उनका प्रतिरोध कम हो जाता है। यह तांबे जैसे धात्विक पदार्थों के व्यवहार के विपरीत है। 1839 में, [[ अलेक्जेंड्रे एडमंड बेकरेल ]] ने ठोस और तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच वोल्टेज के अवलोकन की सूचना दी, जब प्रकाश से मारा गया, [[ फोटोवोल्टिक प्रभाव ]]। 1873 में, [[ विलोबी स्मिथ ]] ने देखा कि जब प्रकाश उन पर पड़ता है तो सेलेनियम प्रतिरोधक घटते प्रतिरोध का प्रदर्शन करते हैं। 1874 में, कार्ल फर्डिनेंड ब्रौन ने धातु सल्फाइड में चालन और सुधारक का अवलोकन किया, हालांकि इस प्रभाव की खोज बहुत पहले पीटर रोसेनशोल्ड के मुनक (एसवी) ने 1835 में एनालेन डेर फिजिक एंड केमी के लिए लिखी थी।<ref name=":0">{{cite book |url=https://books.google.com/books?id=rslXJmYPjGIC&q=Semiconductor+Rectifier+Rosenschold&pg=PA24 |title=A History of the World Semiconductor Industry |first=Peter Robin |last=Morris |date=July 22, 1990 |publisher=IET |via=Google Books |isbn=9780863412271}}</ref> और [[ आर्थर शूस्टर ]] ने पाया कि तारों पर कॉपर ऑक्साइड की परत में सुधार गुण होते हैं जो तारों को साफ करने पर बंद हो जाते हैं। [[ विलियम ग्रिल्स एडम्स ]] और रिचर्ड इवांस डे ने 1876 में सेलेनियम में फोटोवोल्टिक प्रभाव देखा। | ||
इन घटनाओं की | इन घटनाओं की एकीकृत व्याख्या के लिए ठोस-राज्य भौतिकी के सिद्धांत की आवश्यकता थी, जो 20 वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध में बहुत विकसित हुआ। 1878 में [[ एडविन हर्बर्ट हॉल ]] ने अनुप्रयुक्त चुंबकीय क्षेत्र, [[ हॉल प्रभाव ]] द्वारा प्रवाहित आवेश वाहकों के विक्षेपण का प्रदर्शन किया। इलेक्ट्रॉन की खोज 1897 में जे.जे.थॉमसन ने ठोस पदार्थों में इलेक्ट्रॉन-आधारित चालन के सिद्धांतों को प्रेरित किया। [[ कार्ल बेडेकर (वैज्ञानिक) ]] ने धातुओं में उल्टे चिन्ह के साथ हॉल प्रभाव का अवलोकन करके यह सिद्ध किया कि कॉपर आयोडाइड में धनात्मक आवेश वाहक होते हैं। जोहान कोएनिग्सबर्गर ने 1914 में ठोस पदार्थों जैसे धातु, इंसुलेटर, और "परिवर्ती कंडक्टरों" को वर्गीकृत किया, हालांकि उनके छात्र जोसेफ वीस ने पहले ही अपने पीएच.डी. 1910 में थीसिस।<ref>{{cite web |url=https://books.google.com/books?id=oVBNQwAACAAJ |title=Experimentelle Beiträge Zur Elektronentheorie Aus dem Gebiet der Thermoelektrizität, Inaugural-Dissertation ... von J. Weiss, ... |first=Josef Weiss (de |last=Überlingen.) |date=July 22, 1910 |publisher=Druck- und Verlags-Gesellschaft |via=Google Books}}</ref> [[ फेलिक्स बलोच ]] ने 1928 में परमाणु जाली के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गति का सिद्धांत प्रकाशित किया। 1930 में, बी. गुडन ने कहा कि अर्धचालकों में चालकता अशुद्धियों की मामूली सांद्रता के कारण थी। 1931 तक, चालन का बैंड सिद्धांत [[ एलन हेरीज़ विल्सन ]] द्वारा स्थापित किया गया था और बैंड अंतराल की अवधारणा विकसित की गई थी। वाल्टर एच. शोट्की और [[ नेविल फ्रांसिस मोटो ]] ने संभावित अवरोध और धातु-अर्धचालक जंक्शन की विशेषताओं के मॉडल विकसित किए। 1938 तक, बोरिस डेविडोव ने पी-एन जंक्शन के प्रभाव और अल्पसंख्यक वाहक और सतह राज्यों के महत्व की पहचान करते हुए, कॉपर-ऑक्साइड रेक्टिफायर का सिद्धांत विकसित किया था।<ref name=":0" /> | ||
सैद्धांतिक भविष्यवाणियों (क्वांटम यांत्रिकी के विकास पर आधारित) और प्रयोगात्मक परिणामों के बीच समझौता कभी-कभी खराब था। यह बाद में [[ जॉन बार्डीन ]] द्वारा अर्धचालकों के अत्यधिक संरचना संवेदनशील व्यवहार के कारण समझाया गया था, जिनके गुण छोटी मात्रा में अशुद्धियों के आधार पर नाटकीय रूप से बदलते हैं।<ref name=":0" />1920 के दशक की व्यावसायिक रूप से शुद्ध सामग्री जिसमें ट्रेस संदूषकों के अलग-अलग अनुपात होते हैं, अलग-अलग प्रयोगात्मक परिणाम उत्पन्न करते हैं। इसने बेहतर | सैद्धांतिक भविष्यवाणियों (क्वांटम यांत्रिकी के विकास पर आधारित) और प्रयोगात्मक परिणामों के बीच समझौता कभी-कभी खराब था। यह बाद में [[ जॉन बार्डीन ]] द्वारा अर्धचालकों के अत्यधिक संरचना संवेदनशील व्यवहार के कारण समझाया गया था, जिनके गुण छोटी मात्रा में अशुद्धियों के आधार पर नाटकीय रूप से बदलते हैं।<ref name=":0" />1920 के दशक की व्यावसायिक रूप से शुद्ध सामग्री जिसमें ट्रेस संदूषकों के अलग-अलग अनुपात होते हैं, अलग-अलग प्रयोगात्मक परिणाम उत्पन्न करते हैं। इसने बेहतर पदार्थ शोधन तकनीकों के विकास को गति दी, आधुनिक अर्धचालक रिफाइनरियों में प्रति-ट्रिलियन शुद्धता के साथ सामग्री का उत्पादन करने में परिणत हुई। | ||
अर्धचालकों का उपयोग करने वाले उपकरणों का निर्माण पहले अनुभवजन्य ज्ञान के आधार पर किया गया था, इससे पहले कि अर्धचालक सिद्धांत अधिक सक्षम और विश्वसनीय उपकरणों के निर्माण के लिए | अर्धचालकों का उपयोग करने वाले उपकरणों का निर्माण पहले अनुभवजन्य ज्ञान के आधार पर किया गया था, इससे पहले कि अर्धचालक सिद्धांत अधिक सक्षम और विश्वसनीय उपकरणों के निर्माण के लिए गाइड प्रदान करता था। | ||
[[ एलेक्ज़ेंडर ग्राहम बेल ]] ने 1880 में प्रकाश की किरण के ऊपर [[ फ़ोटोफ़ोन ]] के लिए सेलेनियम की प्रकाश-संवेदनशील संपत्ति का उपयोग किया। [[ चार्ल्स फ्रिट्स ]] द्वारा 1883 में कम दक्षता वाले कार्यशील सौर सेल का निर्माण किया गया था, जिसमें सेलेनियम के साथ लेपित धातु की प्लेट और एक पतली परत का उपयोग किया गया था। 1930 के दशक में यह उपकरण फोटोग्राफिक लाइट मीटर में व्यावसायिक रूप से उपयोगी हो गया।<ref name=":0" />1904 में [[ जगदीश चंद्र बोस ]] द्वारा लेड सल्फाइड से बने पॉइंट-कॉन्टैक्ट माइक्रोवेव डिटेक्टर रेक्टिफायर का इस्तेमाल किया गया था प्राकृतिक गैलेना या अन्य सामग्रियों का उपयोग करते हुए कैट्स-व्हिस्कर डिटेक्टर रेडियो के इतिहास में सामान्य उपकरण बन गया। हालांकि, यह संचालन में कुछ अप्रत्याशित और सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन के लिए मैन्युअल समायोजन की आवश्यकता थी। 1906 में, एच. जे राउंड ने प्रकाश उत्सर्जन देखा जब विद्युत प्रवाह सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल से होकर गुजरा, जो प्रकाश उत्सर्जक डायोड के पीछे का सिद्धांत था। [[ ओलेग लोसेव ]] ने 1922 में इसी तरह के प्रकाश उत्सर्जन को देखा, लेकिन उस समय प्रभाव का कोई व्यावहारिक उपयोग नहीं था। कॉपर ऑक्साइड और सेलेनियम का उपयोग करते हुए पावर रेक्टिफायर 1920 के दशक में विकसित किए गए थे और [[ वेक्यूम - ट्यूब ]] रेक्टिफायर के विकल्प के रूप में व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण हो गए थे।<ref name=JTIT10/><ref name=":0" /> | |||
1874 में जर्मन [[ भौतिक विज्ञानी ]] फर्डिनेंड ब्रौन के क्रिस्टल डिटेक्टर और 1901 में बंगाली भौतिक विज्ञानी जगदीश चंद्र बोस के [[ रेडियो ]] क्रिस्टल डिटेक्टर सहित पहले अर्धचालक उपकरणों में [[ सीसे का कच्ची धात ]] का उपयोग किया गया था।<ref name="computerhistory-timeline">{{cite web |title=Timeline |url=https://www.computerhistory.org/siliconengine/timeline/ |website=The Silicon Engine |publisher=[[Computer History Museum]] |access-date=22 August 2019}}</ref><ref name="computerhistory-1901">{{cite web |title=1901: Semiconductor Rectifiers Patented as "Cat's Whisker" Detectors |url=https://www.computerhistory.org/siliconengine/semiconductor-rectifiers-patented-as-cats-whisker-detectors/ |website=The Silicon Engine |publisher=[[Computer History Museum]] |access-date=23 August 2019}}</ref> द्वितीय विश्व युद्ध से पहले के वर्षों में, अवरक्त पहचान और संचार उपकरणों ने सीसा-सल्फाइड और सीसा-सेलेनाइड सामग्री में अनुसंधान को प्रेरित किया। इन उपकरणों का उपयोग जहाजों और विमानों का पता लगाने के लिए, इन्फ्रारेड रेंजफाइंडर के लिए और आवाज संचार प्रणालियों के लिए किया गया था। माइक्रोवेव रेडियो प्रणाली के लिए पॉइंट-कॉन्टैक्ट क्रिस्टल डिटेक्टर महत्वपूर्ण हो गया क्योंकि उपलब्ध वैक्यूम ट्यूब डिवाइस लगभग 4000 मेगाहर्ट्ज से ऊपर डिटेक्टर के रूप में काम नहीं कर सकते थे उन्नत रडार सिस्टम क्रिस्टल डिटेक्टरों की तीव्र प्रतिक्रिया पर निर्भर करते हैं। लगातार गुणवत्ता के डिटेक्टरों को विकसित करने के लिए युद्ध के दौरान सिलिकॉन सामग्री का काफी अनुसंधान और विकास हुआ।<ref name=":0" /> | |||
=== प्रारंभिक ट्रांजिस्टर === | === प्रारंभिक ट्रांजिस्टर === | ||
{{Main article| | {{Main article|ट्रांजिस्टर का इतिहास | ||
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[[File:Bardeen Shockley Brattain 1948.JPG|thumb|1947 में जॉन बार्डीन, [[ विलियम शॉक्ले ]] और [[ वाल्टर ब्रेटन ]] ने द्विध्रुवी [[ बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर ]] विकसित किया।]] | [[File:Bardeen Shockley Brattain 1948.JPG|thumb|1947 में जॉन बार्डीन, [[ विलियम शॉक्ले ]] और [[ वाल्टर ब्रेटन ]] ने द्विध्रुवी [[ बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर ]] विकसित किया।]] | ||
डिटेक्टर और पावर रेक्टिफायर सिग्नल को नहीं बढ़ा सके। सॉलिड-स्टेट | डिटेक्टर और पावर रेक्टिफायर सिग्नल को नहीं बढ़ा सके। सॉलिड-स्टेट प्रवर्धक विकसित करने के लिए कई प्रयास किए गए और [[ बिंदु संपर्क ट्रांजिस्टर ]] नामक उपकरण विकसित करने में सफल रहे जो 20dB या अधिक बढ़ा सकता है।<ref name="Morris90">Peter Robin Morris (1990) ''A History of the World Semiconductor Industry'', IET, {{ISBN|0-86341-227-0}}, pp. 11–25</ref> 1922 में, ओलेग लोसेव ने रेडियो के लिए दो-टर्मिनल, ऋणात्मक प्रतिरोध प्रवर्धको का विकास किया, लेकिन सफल समापन के बाद [[ लेनिनग्राद की घेराबंदी ]] में उनकी मृत्यु हो गई। 1926 में, [[ जूलियस एडगर लिलिएनफेल्ड ]] ने एक [[ फील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर ]] के सदृश उपकरण का पेटेंट कराया, लेकिन यह व्यावहारिक नहीं था। 1938 में आर. हिल्श और आर. डब्ल्यू. पोहले ने वैक्यूम ट्यूब के नियंत्रण ग्रिड जैसी संरचना का उपयोग करते हुए ठोस-राज्य प्रवर्धक का प्रदर्शन किया, हालांकि डिवाइस ने पावर गेन प्रदर्शित किया, इसमें प्रति सेकंड चक्र की कट-ऑफ आवृत्ति थी, जो किसी भी व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत कम थी, लेकिन उपलब्ध सिद्धांत का प्रभावी अनुप्रयोग था।<ref name=":0" /> [[ बेल लैब्स ]] में, विलियम शॉक्ले और ए. होल्डन ने 1938 में ठोस अवस्था प्रवर्धको की जांच शुरू की। सिलिकॉन में पहला पी-एन जंक्शन 1941 के आसपास [[ रसेल ओहली ]] द्वारा देखा गया था, जब एक नमूना प्रकाश-संवेदनशील पाया गया था, जिसके बीच तेज सीमा थी। एक सिरे पर p-प्रकार की अशुद्धता और दूसरे सिरे पर n-प्रकार की अशुद्धता। p-n सीमा पर नमूने से काटे गए स्लाइस ने प्रकाश के संपर्क में आने पर वोल्टेज विकसित किया। | ||
पहला काम करने वाला ट्रांजिस्टर 1947 में बेल लैब्स में जॉन बार्डीन, [[ वाल्टर हाउसर ब्रेटन ]] और विलियम शॉक्ले द्वारा आविष्कार किया गया एक बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर था। शॉक्ले ने पहले जर्मेनियम और सिलिकॉन से बने | पहला काम करने वाला ट्रांजिस्टर 1947 में बेल लैब्स में जॉन बार्डीन, [[ वाल्टर हाउसर ब्रेटन ]] और विलियम शॉक्ले द्वारा आविष्कार किया गया एक बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर था। शॉक्ले ने पहले जर्मेनियम और सिलिकॉन से बने फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर प्रवर्धक का सिद्धांत दिया था, लेकिन वह बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर का आविष्कार करने के लिए अंततः जर्मेनियम का उपयोग करने से पहले, इस तरह के कार्यशील उपकरण का निर्माण करने में विफल रहा।<ref>{{cite web |title=1947: Invention of the Point-Contact Transistor |url=https://www.computerhistory.org/siliconengine/invention-of-the-point-contact-transistor/ |website=The Silicon Engine |publisher=Computer History Museum |access-date=23 August 2019}}</ref> फ्रांस में, युद्ध के दौरान, हर्बर्ट मातरे ने जर्मेनियम बेस पर आसन्न बिंदु संपर्कों के बीच प्रवर्धन देखा था। युद्ध के बाद, बेल लैब्स ने [[ एक ट्रांजिस्टर | ट्रांजिस्टर]] की घोषणा के तुरंत बाद ही मातरे के समूह ने अपने "ट्रांजिस्टर" प्रवर्धक की घोषणा की। | ||
1954 में, [[ भौतिक रसायनज्ञ ]] [[ मॉरिस तनेनबाम ]] ने बेल लैब्स में पहला सिलिकॉन [[ जंक्शन ट्रांजिस्टर ]] बनाया।<ref>{{cite web |title=1954: Morris Tanenbaum fabricates the first silicon transistor at Bell Labs |url=https://www.computerhistory.org/siliconengine/silicon-transistors-offer-superior-operating-characteristics/ |website=The Silicon Engine |publisher=Computer History Museum |access-date=23 August 2019}}</ref> हालांकि, प्रारंभिक जंक्शन ट्रांजिस्टर अपेक्षाकृत भारी उपकरण थे जिन्हें [[ बड़े पैमाने पर उत्पादन ]] के आधार पर निर्माण करना मुश्किल था, जो उन्हें कई विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित कर देता था।<ref name="Moskowitz">{{cite book |last1=Moskowitz |first1=Sanford L. |title=Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century |date=2016 |publisher=[[John Wiley & Sons]] |isbn=9780470508923 |page=168 |url=https://books.google.com/books?id=2STRDAAAQBAJ&pg=PA168}}</ref> | 1954 में, [[ भौतिक रसायनज्ञ ]] [[ मॉरिस तनेनबाम ]] ने बेल लैब्स में पहला सिलिकॉन [[ जंक्शन ट्रांजिस्टर ]] बनाया।<ref>{{cite web |title=1954: Morris Tanenbaum fabricates the first silicon transistor at Bell Labs |url=https://www.computerhistory.org/siliconengine/silicon-transistors-offer-superior-operating-characteristics/ |website=The Silicon Engine |publisher=Computer History Museum |access-date=23 August 2019}}</ref> हालांकि, प्रारंभिक जंक्शन ट्रांजिस्टर अपेक्षाकृत भारी उपकरण थे जिन्हें [[ बड़े पैमाने पर उत्पादन ]] के आधार पर निर्माण करना मुश्किल था, जो उन्हें कई विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित कर देता था।<ref name="Moskowitz">{{cite book |last1=Moskowitz |first1=Sanford L. |title=Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century |date=2016 |publisher=[[John Wiley & Sons]] |isbn=9780470508923 |page=168 |url=https://books.google.com/books?id=2STRDAAAQBAJ&pg=PA168}}</ref> | ||
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Latest revision as of 12:57, 19 October 2023
| Semiconductor device fabrication |
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 |
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MOSFET scaling (process nodes) |
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Future
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अर्धचालक पदार्थों का विद्युत चालकता मान एक चालक के बीच होता है, जैसे धातु तांबा, और इन्सुलेटर (बिजली) , जैसे कांच के बीच विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता मूल्य होता है। जब तापमान बढ़ने पर इसकी विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता कम हो जाती है, धातुएं विपरीत तरीके से व्यवहार करती हैं। क्रिस्टल संरचना में अशुद्धियों ( "डोपिंग" (अर्धचालक) ) को सम्मिलित करके इसके संचालन गुणों को उपयोगी तरीकों से बदला जा सकता है। जब एक ही क्रिस्टल में दो अलग-अलग डोप किए गए क्षेत्र मौजूद होते हैं, तो अर्धचालक जंक्शन बनाया जाता है। इन जंक्शनों पर आवेश वाहकों का व्यवहार, जिसमें इलेक्ट्रॉन , आयन और इलेक्ट्रॉन छिद्र सम्मिलित हैं, डायोड , ट्रांजिस्टर और अधिकांश आधुनिक इलेक्ट्रानिक्स का आधार है। अर्धचालक के कुछ उदाहरण हैं सिलिकॉन , जर्मेनियम , गैलियम आर्सेनाइड , और आवर्त सारणी पर इस नाम के "मेटालॉइ श्रेणी" के पास का तत्व हैं। सिलिकॉन के बाद, गैलियम आर्सेनाइड, दूसरा सबसे सामान्य अर्धचालक है और इसका उपयोग लेजर डायोड, सौर कोशिकाओं, माइक्रोवेव-आवृत्ति एकीकृत सर्किट और अन्य में किया जाता है। अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने के लिए सिलिकॉन महत्वपूर्ण तत्व है।
अर्धचालक यंत्र उपयोगी गुणों की श्रृंखला प्रदर्शित कर सकते हैं, जैसे कि दूसरी दिशा की तुलना में एक दिशा में अधिक आसानी से प्रवाह करना, परिवर्तनीय प्रतिरोध दिखाना, और प्रकाश या ऊष्मा के प्रति संवेदनशीलता होना। चूंकि अर्धचालक सामग्री के विद्युत गुणों को डोपिंग द्वारा और विद्युत क्षेत्रों या प्रकाश के अनुप्रयोग द्वारा संशोधित किया जा सकता है, अर्धचालक से बने उपकरणों का उपयोग प्रवर्धन, स्विचिंग और ऊर्जा रूपांतरण के लिए किया जा सकता है।
पेंटावैलेंट ( एंटीमनी , फास्फोरस , या आर्सेनिक ) या ट्रिवेलेंट (बोरॉन, गैलियम , इंडियम ) परमाणुओं की थोड़ी मात्रा (108 में 1 के क्रम के) को जोड़कर सिलिकॉन की चालकता को बढ़ाई जाती है। इस प्रक्रिया को डोपिंग के रूप में जाना जाता है, और परिणामी अर्धचालकों को डोप या बाह्य अर्धचालक के रूप में जाना जाता है। डोपिंग के अलावा, अर्धचालक का तापमान बढ़ाकर उसकी चालकता में सुधार किया जा सकता है। यह धातु के व्यवहार के विपरीत है, जिसमें तापमान में वृद्धि के साथ चालकता कम हो जाती है।
अर्धचालक के गुणों की आधुनिक समझ क्रिस्टल संरचना में आवेश वाहकों की गति की व्याख्या करने के लिए क्वांटम भौतिकी पर निर्भर करती है।[1] डोपिंग क्रिस्टल के भीतर आवेश वाहकों की संख्या को बहुत बढ़ा देता है। जब डोप्ड अर्धचालक में मुक्त छिद्र होते हैं, तो इसे "p-टाइप" कहा जाता है, और जब इसमें मुक्त इलेक्ट्रान होते हैं, तो इसे एक्सट्रिंसिक सेमीकंडक्टर n-टाइप अर्धचालक "n-टाइप" के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की जाने वाली अर्धचालक सामग्री को p- और n-टाइप डोपेंट की एकाग्रता और क्षेत्रों को नियंत्रित करने के लिए सटीक परिस्थितियों में डोप किया जाता है। सिंगल सेमीकंडक्टर डिवाइस क्रिस्टल में कई p-टाइप और n-टाइप क्षेत्र हो सकते हैं, इन क्षेत्रों के बीच p-n जंक्शन उपयोगी इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार के लिए जिम्मेदार हैं। हॉट-पॉइंट जांच का उपयोग करके, कोई भी जल्दी से यह निर्धारित कर सकता है कि अर्धचालक नमूना p- या n-प्रकार है या नहीं।[2]
अर्धचालक पदार्थों के कुछ गुण 19वीं सदी के मध्य और 20वीं सदी के पहले दशकों में देखे गए। इलेक्ट्रॉनिक्स में अर्धचालकों का पहला व्यावहारिक अनुप्रयोग 1904 में कैट्स-व्हिस्कर डिटेक्टर का विकास था, जो प्रारंभिक वायरलेस टेलीग्राफी रिसीवर में उपयोग किया जाने वाला आदिम अर्धचालक डायोड था। क्वांटम भौतिकी में विकास के कारण 1947 में ट्रांजिस्टर का आविष्कार हुआ और 1958 में एकीकृत सर्किट का नेतृत्व किया।[3]
गुण
परिवर्तनीय विद्युत चालकता
अर्धचालक अपनी प्राकृतिक अवस्था में कुचालक होते हैं क्योंकि विद्युत प्रवाह के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की आवश्यकता होती है, और अर्धचालकों में उनके संयोजी बंध भरे होते हैं, जो नए इलेक्ट्रॉनों के पूरे प्रवाह को रोकते हैं। कई विकसित तकनीकें अर्धचालक पदार्थों को डोपिंग (अर्धचालक) या क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक) जैसी पदार्थों का संचालन करने की अनुमति देती हैं। इन संशोधनों के दो परिणाम हैं n-टाइप और p-टाइप। ये क्रमशः इलेक्ट्रॉनों की अधिकता या कमी को संदर्भित करते हैं। इलेक्ट्रॉनों की संतुलित संख्या पूरे पदार्थ में धारा प्रवाहित करेगी।[4]
विषम संधि
हेटेरोजंक्शन(विषम संधि) तब होते हैं जब दो अलग-अलग डोप किए गए अर्धचालक पदार्थ जुड़ जाते हैं। उदाहरण के लिए, विन्यास में p-डॉप्ड और n-डॉप्ड जर्मेनियम सम्मिलित हो सकते हैं। इसके परिणामस्वरूप अलग-अलग डोप किए गए अर्धचालक पदार्थों के बीच इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का आदान-प्रदान होता है। n-डॉप्ड जर्मेनियम में इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होगी, और p-डॉप्ड जर्मेनियम में छिद्रों की अधिकता होगी। स्थानांतरण तब तक होता है जब तक कि पुनर्संयोजन (भौतिकी) नामक प्रक्रिया द्वारा संतुलन तक नहीं पहुंच जाता है, जिसके कारण n-प्रकार से माइग्रेटिंग इलेक्ट्रॉनों को p-टाइप से माइग्रेटिंग छिद्रों के संपर्क में आने का कारण बनता है। इस प्रक्रिया का परिणाम स्थिर आयनों की एक संकीर्ण पट्टी है, जो जंक्शन के आर-पार विद्युत क्षेत्र का कारण बनती है।[1][4]
उत्तेजित इलेक्ट्रॉन
अर्धचालक पदार्थों पर विद्युत क्षमता में अंतर के कारण यह तापीय संतुलन को छोड़ देगा और गैर-संतुलन स्थिति पैदा करेगा। यह प्रणाली में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का परिचय देता है, जो एक प्रक्रिया के माध्यम से बातचीत करते हैं जिसे द्विध्रुवीय प्रसार कहा जाता है। जब भी किसी अर्धचालक पदार्थ में तापीय साम्य भंग होता है, तो छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या में परिवर्तन होता है। इस तरह के व्यवधान तापमान अंतर या फोटॉन के परिणामस्वरूप हो सकते हैं, जो प्रणाली में प्रवेश कर सकते हैं और इलेक्ट्रॉनों छिद्र बना सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को बनाने और नष्ट करने वाली प्रक्रिया को क्रमशः वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन कहा जाता है।[4]
प्रकाश उत्सर्जन
कुछ अर्धचालकों में, उत्तेजित इलेक्ट्रॉन ऊष्मा पैदा करने के बजाय प्रकाश उत्सर्जित करके आराम कर सकते हैं।[5] इन अर्धचालकों का उपयोग प्रकाश उत्सर्जक डायोड और फ्लोरोसेंट क्वांटम डॉट के निर्माण में किया जाता है।
उच्च तापीय चालकता
उच्च तापीय चालकता वाले अर्धचालकों का उपयोग ऊष्मा अपव्यय और इलेक्ट्रॉनिक्स के थर्मल प्रबंधन में सुधार के लिए किया जा सकता है।
थर्मल ऊर्जा रूपांतरण
अर्धचालक में बड़े थर्मोइलेक्ट्रिक पावर फैक्टर होते हैं जो उन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में उपयोगी बनाते हैं, साथ ही उच्च थर्मोइलेक्ट्रिक फिगर ऑफ मेरिट उन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर में उपयोगी बनाते हैं।[6]
सामग्री
बड़ी संख्या में तत्वों और यौगिकों में अर्धचालक गुण होते हैं, जिनमें सम्मिलित हैं[7]
- आवर्त सारणी के समूह 14 तत्वों में कुछ शुद्ध तत्व पाए जाते हैं, इन तत्वों में सबसे अधिक व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं। यहां सिलिकॉन और जर्मेनियम का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है क्योंकि उनके सबसे बाहरी शेल में 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उन्हें एक ही समय में समान रूप से इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने या खोने की क्षमता देता है।
- बाइनरी यौगिक, विशेष रूप से समूह 13 और 15 में तत्वों के बीच, जैसे गैलियम आर्सेनाइड, समूह 12 और 16, समूह 14 और 16, और विभिन्न समूह -14 तत्वों के बीच, उदा. सिलिकन कार्बाइड ।
- कुछ टर्नरी यौगिक, ऑक्साइड और मिश्र धातु।
- कार्बनिक अर्धचालक , कार्बनिक यौगिकों से बने होते हैं।
- जैविक-धातु का अर्धचालक ढांचे।[8][9]
सबसे सामान्य: अर्धचालक पदार्थ क्रिस्टलीय ठोस हैं, लेकिन अनाकार सिलिकॉन और तरल अर्धचालक भी ज्ञात हैं। इनमें हाइड्रोजनीकृत अनाकार सिलिकॉन और विभिन्न अनुपातों में आर्सेनिक, सेलेनियम और टेल्यूरियम के मिश्रण सम्मिलित हैं। ये यौगिक बेहतर ज्ञात अर्धचालकों के साथ मध्यवर्ती चालकता के गुणों और तापमान के साथ चालकता की तीव्र भिन्नता के साथ-साथ सामयिक ऋणात्मक प्रतिरोध साझा करते हैं। इस तरह की अव्यवस्थित पदार्थ में सिलिकॉन जैसे पारंपरिक अर्धचालकों की कठोर क्रिस्टलीय संरचना का अभाव होता है। वे सामान्य पतली फिल्म संरचनाओं में उपयोग किए जाते हैं, जिन्हें उच्च इलेक्ट्रॉनिक गुणवत्ता की पदार्थ की आवश्यकता नहीं होती है, जो अशुद्धियों और विकिरण क्षति के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील होते हैं।
अर्धचालक सामग्री की तैयारी
आज की लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक तकनीक में अर्धचालकों का उपयोग सम्मिलित है, जिसमें सबसे महत्वपूर्ण पहलू इंटीग्रेटेड सर्किट (IC) है, जो डेस्कटॉप कंप्यूटर , लैपटॉप कंप्यूटर , स्कैनर, सेलफोन और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पाए जाते हैं। इंटीग्रेटेड सर्किट (IC) के लिए अर्धचालक बड़े पैमाने पर उत्पादित होते हैं। आदर्श अर्धचालक पदार्थ बनाने के लिए रासायनिक शुद्धता सर्वोपरि है। किसी भी छोटी अपूर्णता का इस बात पर भारी प्रभाव पड़ सकता है कि जिस पैमाने पर पदार्थ का उपयोग किया जाता है, उसके कारण अर्धचालक पदार्थ कैसे व्यवहार करती है।[4]
क्रिस्टलीय पूर्णता की उच्च डिग्री की भी आवश्यकता होती है, क्योंकि क्रिस्टल संरचना में दोष (जैसे अव्यवस्था , क्रिस्टल ट्विनिंग , और स्टैकिंग दोष) पदार्थ के अर्धचालक गुणों में हस्तक्षेप करते हैं। क्रिस्टलीय दोषपूर्ण अर्धचालक उपकरणों का एक प्रमुख कारण है। क्रिस्टल जितना बड़ा होगा, आवश्यक पूर्णता प्राप्त करना उतना ही कठिन होगा। वर्तमान बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रक्रियाओं 100 और 300 मिमी (3.9 और 11.8 इंच) व्यास के बीच क्रिस्टल सिल्लियों का उपयोग होता है, जिन्हें सिलेंडर के रूप में उगाया जाता है और वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) में कटा हुआ होता है।
प्रक्रियाओं का संयोजन है जो इंटीग्रेटेड सर्किट(IC) के लिए अर्धचालक सामग्री तैयार करने के लिए उपयोग किया जाता है। प्रक्रिया को थर्मल ऑक्सीकरण कहा जाता है, जो सिलिकॉन की सतह पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड बनाता है। इसका उपयोग गेट डाइलेक्ट्रिक और लोको के रूप में किया जाता है। अन्य प्रक्रियाओं को फोटोमास्क और फोटोलिथोग्राफी कहा जाता है। यह प्रक्रिया वह है जो एकीकृत सर्किट में सर्किट पर पैटर्न बनाती है। रासायनिक परिवर्तन बनाने के लिए photoresist परत के साथ पराबैंगनी प्रकाश का उपयोग किया जाता है जो सर्किट के लिए पैटर्न उत्पन्न करता है।[4]
नक़्क़ाशी अगली प्रक्रिया है जिसकी आवश्यकता है। सिलिकॉन का वह हिस्सा जो पिछले चरण से फोटोरेसिस्ट परत द्वारा कवर नहीं किया गया था, अब खोदी जा सकती है। सामान्यत: आज इस्तेमाल की जाने वाली मुख्य प्रक्रिया को प्लाज्मा नक़्क़ाशी कहा जाता है। प्लाज्मा नक़्क़ाशी में सामान्यत: प्लाज्मा (भौतिकी) बनाने के लिए कम दबाव वाले कक्ष में पंप किया गया सामान्य ईच गैस क्लोरोफ्लोरोकार्बन , या अधिक सामान्यतः ज्ञात फ़्रीऑन है। कैथोड और एनोड के बीच उच्च रेडियो-आवृत्ति वोल्टेज वह है जो कक्ष में प्लाज्मा बनाता है। सिलिकॉन वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) कैथोड पर स्थित होता है, जिसके कारण यह प्लाज्मा से निकलने वाले धनात्मक आवेशित आयनों से प्रभावित होता है। परिणाम सिलिकॉन है जो असमदिग्वर्ती होने की दशा नक़्क़ाशीदार है।[1][4]
अंतिम प्रक्रिया को प्रसार (अर्धचालक) कहा जाता है। यह वह प्रक्रिया है जो अर्धचालक पदार्थ को उसके वांछित अर्धचालक गुण प्रदान करती है। इसे डोपिंग (अर्धचालक) के रूप में भी जाना जाता है। प्रक्रिया प्रणाली में अशुद्ध परमाणु का परिचय देती है, जो p-n जंक्शन बनाता है। सिलिकॉन वेफर में अशुद्ध परमाणुओं को एम्बेड करने के लिए, वेफर को पहले 1,100 डिग्री सेल्सियस कक्ष में रखा जाता है। परमाणुओं को अंतःक्षिप्त किया जाता है और अंततः सिलिकॉन के साथ फैल जाता है। प्रक्रिया पूरी होने के बाद और सिलिकॉन कमरे के तापमान पर पहुंच गया है, प्रसार प्रक्रिया की जाती है और अर्धचालक सामग्री एकीकृत सर्किट में उपयोग करने के लिए तैयार है।[1][4]
अर्धचालकों का भौतिकी
ऊर्जा बैंड और विद्युत चालन
अर्धचालकों को कहीं न कहीं कंडक्टर और इन्सुलेटर के बीच उनके अद्वितीय विद्युत प्रवाहकीय व्यवहार द्वारा परिभाषित किया जाता है।[10] इन पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों के बीच अंतर को क्वांटम अवस्था के संदर्भ में समझा जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक में शून्य या एक इलेक्ट्रॉन हो सकता है (पॉली अपवर्जन सिद्धांत द्वारा)। ये अवस्था पदार्थों के इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना से जुड़े हैं। विद्युत चालकता इलेक्ट्रॉनों की उन अवस्थाओं में उपस्थिति के कारण उत्पन्न होती है जो कि स्थानीयकृत हैं (सामग्री के माध्यम से विस्तार), हालांकि इलेक्ट्रॉनों के परिवहन के लिए अवस्था को आंशिक रूप से भरा जाना चाहिए, जिसमें केवल समय का एक इलेक्ट्रॉन होता है।[11] यदि इलेक्ट्रॉन की स्तिथि हमेशा व्यस्त में रहता है, तो यह निष्क्रिय है, उस अवस्था के माध्यम से अन्य इलेक्ट्रॉनों के मार्ग को अवरुद्ध करता है। इन क्वांटम अवस्थाओं की ऊर्जाएँ महत्वपूर्ण हैं क्योंकि अवस्था आंशिक रूप से तभी भरा होता है जब उसकी ऊर्जा फ़र्मी स्तर के पास हो (देखें फ़र्मी-डिराक आँकड़े)।
सामग्री में उच्च चालकता इसके कई आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों और बहुत अधिक राज्य निरूपण से आती है। धातुएँ विद्युत की अच्छी सुचालक होती हैं और इनमें कई आंशिक रूप से भरे हुए अवस्था होते हैं जिनकी ऊर्जा उनके फर्मी स्तर के पास होती है। इसके विपरीत, इन्सुलेटर (बिजली) में कुछ आंशिक रूप से भरे हुए राज्य होते हैं, उनके फर्मी स्तर कुछ ऊर्जा राज्यों के साथ बैंड अंतराल के भीतर बैठते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इसके तापमान को बढ़ाकर इंसुलेटर का संचालन किया जा सकता है, हीटिंग बैंडगैप में कुछ इलेक्ट्रॉनों को बढ़ावा देने के लिए ऊर्जा प्रदान करता है, ऊर्जा अंतराल (वैलेंस बैंड) और ऊपर के राज्यों के बैंड दोनों राज्यों के बैंड में आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों को प्रेरित करता है। बैंडगैप (चालन बैंड )।(आंतरिक) अर्धचालक में बैंडगैप होता है जो इन्सुलेटर से छोटा होता है और कमरे के तापमान पर, बैंड गैप को पार करने के लिए महत्वपूर्ण संख्या में इलेक्ट्रॉनों को उत्साहित किया जा सकता है।[12] शुद्ध अर्धचालक, हालांकि, बहुत उपयोगी नहीं है, क्योंकि यह न तो बहुत अच्छा इन्सुलेटर है और न ही बहुत अच्छा कंडक्टर है। हालांकि, अर्धचालकों (और कुछ इंसुलेटर, जिन्हें सेमी-इंसुलेटर के रूप में जाना जाता है) की एक महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि उनकी चालकता को अशुद्धियों के साथ डोपिंग (अर्धचालक) और विद्युत क्षेत्रों के साथ क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक) द्वारा बढ़ाया और नियंत्रित किया जा सकता है। डोपिंग और गेटिंग या तो कंडक्शन या वैलेंस बैंड को फर्मी स्तर के बहुत करीब ले जाते हैं और आंशिक रूप से भरे हुए राज्यों की संख्या में काफी वृद्धि करते हैं।
कुछ वाइड-बैंडगैप अर्धचालक पदार्थों को कभी-कभी 'अर्ध-इंसुलेटर' कहा जाता है। जब बंद किया जाता है, तो इनमें विद्युत चालकता विद्युत इन्सुलेटर के करीब होती है, हालांकि उन्हें डोप किया जा सकता है (उन्हें अर्धचालक के रूप में उपयोगी बनाते हुए)। अर्ध-इन्सुलेटर माइक्रो-इलेक्ट्रॉनिक्स में विशिष्ट अनुप्रयोग ढूंढते हैं, जैसे- HEMT के लिए सबस्ट्रेट्स। सामान्य अर्ध-इन्सुलेटर का एक उदाहरण गैलियम आर्सेनाइड है।[13] कुछ सामग्री, जैसे रंजातु डाइऑक्साइड , को कुछ अनुप्रयोगों के लिए इन्सुलेट सामग्री के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जबकि अन्य अनुप्रयोगों के लिए व्यापक अंतराल अर्धचालक के रूप में माना जाता है।
चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और छिद्र)
चालन बैंड के निचले अवस्था में आंशिक भरने को उस बैंड में इलेक्ट्रॉनों को जोड़ने के रूप में समझा जा सकता है। इलेक्ट्रॉन अनिश्चित काल तक नहीं रहते (प्राकृतिक तापीय पुनर्संयोजन (भौतिकी) के कारण) लेकिन वे कुछ समय के लिए घूम सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों की वास्तविक एकाग्रता सामान्य: बहुत पतली होती है, और इसलिए (धातुओं के विपरीत) अर्धचालक के चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों को एक प्रकार की शास्त्रीय आदर्श गैस के रूप में सोचना संभव है, जहां इलेक्ट्रॉन बिना किसी विषय के स्वतंत्र रूप से उड़ते हैं पाउली के अपवर्जन सिद्धांत। अधिकांश अर्धचालकों में, चालन बैंड में परवलयिक फैलाव संबंध होता है, और इसलिए ये इलेक्ट्रॉन बलों (विद्युत क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र, आदि) पर उतनी ही प्रतिक्रिया करते हैं, जितना कि वे निर्वात में होते हैं, हालांकि अलग प्रभावी द्रव्यमान (ठोस-राज्य भौतिकी) के साथ।[12] चूंकि इलेक्ट्रॉन आदर्श गैस की तरह व्यवहार करते हैं, इसलिए कोई भी ड्रूड मॉडल जैसे बहुत ही सरल शब्दों में चालन के बारे में सोच सकता है, और इलेक्ट्रॉन गतिशीलता जैसी अवधारणाओं को पेश कर सकता है।
संयोजकता बैंड के शीर्ष पर आंशिक भरने के लिए, इलेक्ट्रॉन छिद्र की अवधारणा को प्रस्तुत करना सहायक होता है। यद्यपि संयोजकता बैंड में इलेक्ट्रॉन हमेशा घूमते रहते हैं, पूरी तरह से पूर्ण वैलेंस बैंड निष्क्रिय होता है, किसी भी प्रवाह का संचालन नहीं करता है। यदि एक इलेक्ट्रॉन को संयोजकता बैंड से बाहर निकाल दिया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन सामान्य रूप से जो प्रक्षेपवक्र लेता है, वह अब अपना आवेश खो रहा है। विद्युत प्रवाह के प्रयोजनों के लिए, पूर्ण वैलेंस बैंड, माइनस द इलेक्ट्रान के इस संयोजन को पूरी तरह से खाली बैंड की तस्वीर में परिवर्तित किया जा सकता है जिसमें घनात्मक चार्ज कण होता है जो इलेक्ट्रॉन के समान ही चलता है। वैलेंस बैंड के शीर्ष पर इलेक्ट्रॉनों के ऋणात्मक प्रभावी द्रव्यमान के साथ, हम घनात्मक चार्ज कण की तस्वीर पर पहुंचते हैं जो विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करता है जैसे कि सामान्य घनात्मक चार्ज कण वैक्यूम में करता है, फिर से कुछ के साथ घनात्मक प्रभावी द्रव्यमान।[12] इस कण को एक छिद्र कहा जाता है, और वैलेंस बैंड में छिद्रों के संग्रह को फिर से सरल शास्त्रीय शब्दों में समझा जा सकता है (जैसे चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के साथ)।
वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन
जब आयनकारी विकिरण एक अर्धचालक से टकराता है, तो यह अपने ऊर्जा स्तर से एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकता है और परिणामस्वरूप एक छिद्र छोड़ सकता है। इस प्रक्रिया को इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी पीढ़ी के रूप में जाना जाता है। किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत की अनुपस्थिति में, तापीय ऊर्जा से भी इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ लगातार उत्पन्न होते हैं।
इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ भी पुनर्संयोजन के लिए उपयुक्त हैं। ऊर्जा के संरक्षण की मांग है कि ये पुनर्संयोजन घटनाएं, जिसमें इलेक्ट्रॉन बैंड गैप से बड़ी मात्रा में ऊर्जा खो देता है, थर्मल ऊर्जा (फोनन के रूप में) या विकिरण (फोटॉन के रूप में) के उत्सर्जन के साथ हो।
कुछ अवस्था में, इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों का निर्माण और पुनर्संयोजन समरूप अवस्था में होता है। किसी दिए गए तापमान पर स्थिर अवस्था में इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ की संख्या क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी द्वारा निर्धारित की जाती है। उत्पादन और पुनर्संयोजन के सटीक क्वांटम यांत्रिकी तंत्र ऊर्जा के संरक्षण और गति के संरक्षण द्वारा नियंत्रित होते हैं।
चूंकि इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के एक साथ मिलने की संभावना उनकी संख्याओं के गुणनफल के समानुपाती होती है, उत्पाद निश्चित तापमान पर लगभग स्थिर अवस्था में होता है, परंतु कि कोई महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र न हो (जो फोनोन प्रकार के वाहकों को "फ्लश" कर सकता है, या उन्हें एक साथ मिलने के लिए पड़ोसी क्षेत्रों से स्थानांतरित करें) या बाहरी रूप से संचालित जोड़ी पीढ़ी। उत्पाद तापमान का कार्य है, क्योंकि तापमान के साथ एक जोड़ी के उत्पादन के लिए पर्याप्त तापीय ऊर्जा प्राप्त करने की संभावना लगभग क्स्प (−EG/kT), है, जहां k बोल्ट्जमैन का स्थिरांक है, T परम तापमान है और EG बैंडगैप है।
कैरियर ट्रैप द्वारा मिलने की संभावना बढ़ जाती है - अशुद्धियाँ या अव्यवस्थाएं जो इलेक्ट्रॉन या छिद्र को फंसा सकती हैं और एक जोड़ी के पूरा होने तक इसे पकड़ सकती हैं। इस तरह के वाहक जाल कभी-कभी जानबूझकर स्थिर अवस्था तक पहुंचने के लिए आवश्यक समय को कम करने के लिए जोड़े जाते हैं।[14]
डोपिंग
अर्धचालकों की चालकता को उनके क्रिस्टल जाली में अशुद्धियों को सम्मिलित करके आसानी से संशोधित किया जा सकता है। अर्धचालक में नियंत्रित अशुद्धियों को जोड़ने की प्रक्रिया को डोपिंग के रूप में जाना जाता है। अशुद्धता, या डोपेंट की मात्रा, एक आंतरिक अर्धचालक (शुद्ध) अर्धचालक में जोड़ी जाती है, इसकी चालकता का स्तर भिन्न होता है।[15] डोप्ड अर्धचालक को बाह्य अर्धचालक कहा जाता है।[16] शुद्ध अर्धचालकों में अशुद्धता जोड़कर, विद्युत चालकता हजारों या लाखों के कारकों से भिन्न हो सकती है।[17]
A 1 सेमी3 धातु या अर्धचालक के नमूने में 1022 परमाणुओं का क्रम है।[18] धातु में, प्रत्येक परमाणु चालन के लिए कम से कम एक मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है, इस प्रकार 1 सेमी3 धातु में 1022 मुक्त इलेक्ट्रॉन के क्रम में होता है,[19] जबकि 1 सेमी3 शुद्ध जर्मेनियम का नमूना 20°C पर में लगभग होता है 4.2×1022 परमाणु, लेकिन केवल 2.5×1013 मुक्त इलेक्ट्रॉन और 2.5×1013 छिद्र होते हैं। 0.001% आर्सेनिक (अशुद्धता) के अतिरिक्त 1017 मुक्त इलेक्ट्रॉनों का दान करता है समान आयतन में मुक्त इलेक्ट्रॉन और विद्युत चालकता 10,000 के कारक से बढ़ जाती है।[20][21] उपयुक्त डोपेंट के रूप में चुनी गई सामग्री डोपेंट और डोप की जाने वाली पदार्थ दोनों के परमाणु गुणों पर निर्भर करती है। सामान्य तौर पर, वांछित नियंत्रित परिवर्तन उत्पन्न करने वाले डोपेंट को इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (अर्धचालक) या दाता (अर्धचालक) के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। दाता अशुद्धियों के साथ डोप किए गए अर्धचालकों को n-प्रकार कहा जाता है, जबकि स्वीकर्ता अशुद्धियों के साथ डोप किए गए अर्धचालकों को p-प्रकार के रूप में जाना जाता है। n और p प्रकार के पदनाम इंगित करते हैं कि कौन सा चार्ज वाहक सामग्री के बहुमत वाहक के रूप में कार्य करता है। विपरीत वाहक को अल्पसंख्यक वाहक कहा जाता है, जो बहुसंख्यक वाहक की तुलना में बहुत कम सांद्रता पर तापीय उत्तेजना के कारण मौजूद होता है।[22] उदाहरण के लिए, शुद्ध अर्धचालक सिलिकॉन में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं जो प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु को अपने पड़ोसियों से बांधते हैं।[23] सिलिकॉन में, सबसे सामान्य डोपेंट समूह III और समूह V तत्व हैं। समूह III के सभी तत्वों में तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे वे सिलिकॉन को डोप करने के लिए स्वीकर्ता के रूप में कार्य करते हैं। जब स्वीकर्ता परमाणु क्रिस्टल में सिलिकॉन परमाणु की जगह लेता है, तो खाली अवस्था (इलेक्ट्रॉन छिद्र) बनाई जाती है, जो जाली के चारों ओर घूम सकती है और चार्ज वाहक के रूप में कार्य कर सकती है। समूह V के तत्वों में पाँच संयोजकता इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उन्हें दाता के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है, सिलिकॉन के लिए इन परमाणुओं का प्रतिस्थापन अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाता है। इसलिए, बोरॉन के साथ डोप किया गया सिलिकॉन क्रिस्टल p-टाइप अर्धचालक बनाता है जबकि फॉस्फोरस के साथ डोप किए गए n-टाइप सामग्री में परिणाम होता है।[24] अर्धचालक डिवाइस निर्माण के दौरान, डोपेंट को वांछित तत्व के गैसीय यौगिकों के संपर्क में अर्धचालक निकाय में फैलाया जा सकता है, या आयन आरोपण का उपयोग डोप किए गए क्षेत्रों को सटीक रूप से करने के लिए किया जा सकता है।
आकारहीन अर्धचालक
कुछ सामग्री, जब तेजी से कांच की आकारहीन अवस्था में ठंडा हो जाती है, तो अर्धचालक गुण होते हैं। इनमें B, Si, Ge, Se, और Te अनाकार सिलिकॉन सम्मिलित हैं, और उन्हें समझाने के लिए कई सिद्धांत हैं।[25][26]
अर्धचालकों का प्रारंभिक इतिहास
अर्धचालकों की समझ का इतिहास सामग्री के विद्युत गुणों पर प्रयोगों से शुरू होता है। प्रतिरोध, सुधार और प्रकाश-संवेदनशीलता के समय-तापमान गुणांक के गुण 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में देखे गए थे।
थॉमस जोहान सीबेक ने पहली बार 1821 में सीबेक ने अर्धचालकों के प्रभाव को नोटिस किया था।[27] 1833 में, माइकल फैराडे ने बताया कि सिल्वर सल्फाइड के नमूनों को गर्म करने पर उनका प्रतिरोध कम हो जाता है। यह तांबे जैसे धात्विक पदार्थों के व्यवहार के विपरीत है। 1839 में, अलेक्जेंड्रे एडमंड बेकरेल ने ठोस और तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच वोल्टेज के अवलोकन की सूचना दी, जब प्रकाश से मारा गया, फोटोवोल्टिक प्रभाव । 1873 में, विलोबी स्मिथ ने देखा कि जब प्रकाश उन पर पड़ता है तो सेलेनियम प्रतिरोधक घटते प्रतिरोध का प्रदर्शन करते हैं। 1874 में, कार्ल फर्डिनेंड ब्रौन ने धातु सल्फाइड में चालन और सुधारक का अवलोकन किया, हालांकि इस प्रभाव की खोज बहुत पहले पीटर रोसेनशोल्ड के मुनक (एसवी) ने 1835 में एनालेन डेर फिजिक एंड केमी के लिए लिखी थी।[28] और आर्थर शूस्टर ने पाया कि तारों पर कॉपर ऑक्साइड की परत में सुधार गुण होते हैं जो तारों को साफ करने पर बंद हो जाते हैं। विलियम ग्रिल्स एडम्स और रिचर्ड इवांस डे ने 1876 में सेलेनियम में फोटोवोल्टिक प्रभाव देखा।
इन घटनाओं की एकीकृत व्याख्या के लिए ठोस-राज्य भौतिकी के सिद्धांत की आवश्यकता थी, जो 20 वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध में बहुत विकसित हुआ। 1878 में एडविन हर्बर्ट हॉल ने अनुप्रयुक्त चुंबकीय क्षेत्र, हॉल प्रभाव द्वारा प्रवाहित आवेश वाहकों के विक्षेपण का प्रदर्शन किया। इलेक्ट्रॉन की खोज 1897 में जे.जे.थॉमसन ने ठोस पदार्थों में इलेक्ट्रॉन-आधारित चालन के सिद्धांतों को प्रेरित किया। कार्ल बेडेकर (वैज्ञानिक) ने धातुओं में उल्टे चिन्ह के साथ हॉल प्रभाव का अवलोकन करके यह सिद्ध किया कि कॉपर आयोडाइड में धनात्मक आवेश वाहक होते हैं। जोहान कोएनिग्सबर्गर ने 1914 में ठोस पदार्थों जैसे धातु, इंसुलेटर, और "परिवर्ती कंडक्टरों" को वर्गीकृत किया, हालांकि उनके छात्र जोसेफ वीस ने पहले ही अपने पीएच.डी. 1910 में थीसिस।[29] फेलिक्स बलोच ने 1928 में परमाणु जाली के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गति का सिद्धांत प्रकाशित किया। 1930 में, बी. गुडन ने कहा कि अर्धचालकों में चालकता अशुद्धियों की मामूली सांद्रता के कारण थी। 1931 तक, चालन का बैंड सिद्धांत एलन हेरीज़ विल्सन द्वारा स्थापित किया गया था और बैंड अंतराल की अवधारणा विकसित की गई थी। वाल्टर एच. शोट्की और नेविल फ्रांसिस मोटो ने संभावित अवरोध और धातु-अर्धचालक जंक्शन की विशेषताओं के मॉडल विकसित किए। 1938 तक, बोरिस डेविडोव ने पी-एन जंक्शन के प्रभाव और अल्पसंख्यक वाहक और सतह राज्यों के महत्व की पहचान करते हुए, कॉपर-ऑक्साइड रेक्टिफायर का सिद्धांत विकसित किया था।[28]
सैद्धांतिक भविष्यवाणियों (क्वांटम यांत्रिकी के विकास पर आधारित) और प्रयोगात्मक परिणामों के बीच समझौता कभी-कभी खराब था। यह बाद में जॉन बार्डीन द्वारा अर्धचालकों के अत्यधिक संरचना संवेदनशील व्यवहार के कारण समझाया गया था, जिनके गुण छोटी मात्रा में अशुद्धियों के आधार पर नाटकीय रूप से बदलते हैं।[28]1920 के दशक की व्यावसायिक रूप से शुद्ध सामग्री जिसमें ट्रेस संदूषकों के अलग-अलग अनुपात होते हैं, अलग-अलग प्रयोगात्मक परिणाम उत्पन्न करते हैं। इसने बेहतर पदार्थ शोधन तकनीकों के विकास को गति दी, आधुनिक अर्धचालक रिफाइनरियों में प्रति-ट्रिलियन शुद्धता के साथ सामग्री का उत्पादन करने में परिणत हुई।
अर्धचालकों का उपयोग करने वाले उपकरणों का निर्माण पहले अनुभवजन्य ज्ञान के आधार पर किया गया था, इससे पहले कि अर्धचालक सिद्धांत अधिक सक्षम और विश्वसनीय उपकरणों के निर्माण के लिए गाइड प्रदान करता था।
एलेक्ज़ेंडर ग्राहम बेल ने 1880 में प्रकाश की किरण के ऊपर फ़ोटोफ़ोन के लिए सेलेनियम की प्रकाश-संवेदनशील संपत्ति का उपयोग किया। चार्ल्स फ्रिट्स द्वारा 1883 में कम दक्षता वाले कार्यशील सौर सेल का निर्माण किया गया था, जिसमें सेलेनियम के साथ लेपित धातु की प्लेट और एक पतली परत का उपयोग किया गया था। 1930 के दशक में यह उपकरण फोटोग्राफिक लाइट मीटर में व्यावसायिक रूप से उपयोगी हो गया।[28]1904 में जगदीश चंद्र बोस द्वारा लेड सल्फाइड से बने पॉइंट-कॉन्टैक्ट माइक्रोवेव डिटेक्टर रेक्टिफायर का इस्तेमाल किया गया था प्राकृतिक गैलेना या अन्य सामग्रियों का उपयोग करते हुए कैट्स-व्हिस्कर डिटेक्टर रेडियो के इतिहास में सामान्य उपकरण बन गया। हालांकि, यह संचालन में कुछ अप्रत्याशित और सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन के लिए मैन्युअल समायोजन की आवश्यकता थी। 1906 में, एच. जे राउंड ने प्रकाश उत्सर्जन देखा जब विद्युत प्रवाह सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल से होकर गुजरा, जो प्रकाश उत्सर्जक डायोड के पीछे का सिद्धांत था। ओलेग लोसेव ने 1922 में इसी तरह के प्रकाश उत्सर्जन को देखा, लेकिन उस समय प्रभाव का कोई व्यावहारिक उपयोग नहीं था। कॉपर ऑक्साइड और सेलेनियम का उपयोग करते हुए पावर रेक्टिफायर 1920 के दशक में विकसित किए गए थे और वेक्यूम - ट्यूब रेक्टिफायर के विकल्प के रूप में व्यावसायिक रूप से महत्वपूर्ण हो गए थे।[30][28]
1874 में जर्मन भौतिक विज्ञानी फर्डिनेंड ब्रौन के क्रिस्टल डिटेक्टर और 1901 में बंगाली भौतिक विज्ञानी जगदीश चंद्र बोस के रेडियो क्रिस्टल डिटेक्टर सहित पहले अर्धचालक उपकरणों में सीसे का कच्ची धात का उपयोग किया गया था।[31][32] द्वितीय विश्व युद्ध से पहले के वर्षों में, अवरक्त पहचान और संचार उपकरणों ने सीसा-सल्फाइड और सीसा-सेलेनाइड सामग्री में अनुसंधान को प्रेरित किया। इन उपकरणों का उपयोग जहाजों और विमानों का पता लगाने के लिए, इन्फ्रारेड रेंजफाइंडर के लिए और आवाज संचार प्रणालियों के लिए किया गया था। माइक्रोवेव रेडियो प्रणाली के लिए पॉइंट-कॉन्टैक्ट क्रिस्टल डिटेक्टर महत्वपूर्ण हो गया क्योंकि उपलब्ध वैक्यूम ट्यूब डिवाइस लगभग 4000 मेगाहर्ट्ज से ऊपर डिटेक्टर के रूप में काम नहीं कर सकते थे उन्नत रडार सिस्टम क्रिस्टल डिटेक्टरों की तीव्र प्रतिक्रिया पर निर्भर करते हैं। लगातार गुणवत्ता के डिटेक्टरों को विकसित करने के लिए युद्ध के दौरान सिलिकॉन सामग्री का काफी अनुसंधान और विकास हुआ।[28]
प्रारंभिक ट्रांजिस्टर
डिटेक्टर और पावर रेक्टिफायर सिग्नल को नहीं बढ़ा सके। सॉलिड-स्टेट प्रवर्धक विकसित करने के लिए कई प्रयास किए गए और बिंदु संपर्क ट्रांजिस्टर नामक उपकरण विकसित करने में सफल रहे जो 20dB या अधिक बढ़ा सकता है।[33] 1922 में, ओलेग लोसेव ने रेडियो के लिए दो-टर्मिनल, ऋणात्मक प्रतिरोध प्रवर्धको का विकास किया, लेकिन सफल समापन के बाद लेनिनग्राद की घेराबंदी में उनकी मृत्यु हो गई। 1926 में, जूलियस एडगर लिलिएनफेल्ड ने एक फील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर के सदृश उपकरण का पेटेंट कराया, लेकिन यह व्यावहारिक नहीं था। 1938 में आर. हिल्श और आर. डब्ल्यू. पोहले ने वैक्यूम ट्यूब के नियंत्रण ग्रिड जैसी संरचना का उपयोग करते हुए ठोस-राज्य प्रवर्धक का प्रदर्शन किया, हालांकि डिवाइस ने पावर गेन प्रदर्शित किया, इसमें प्रति सेकंड चक्र की कट-ऑफ आवृत्ति थी, जो किसी भी व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत कम थी, लेकिन उपलब्ध सिद्धांत का प्रभावी अनुप्रयोग था।[28] बेल लैब्स में, विलियम शॉक्ले और ए. होल्डन ने 1938 में ठोस अवस्था प्रवर्धको की जांच शुरू की। सिलिकॉन में पहला पी-एन जंक्शन 1941 के आसपास रसेल ओहली द्वारा देखा गया था, जब एक नमूना प्रकाश-संवेदनशील पाया गया था, जिसके बीच तेज सीमा थी। एक सिरे पर p-प्रकार की अशुद्धता और दूसरे सिरे पर n-प्रकार की अशुद्धता। p-n सीमा पर नमूने से काटे गए स्लाइस ने प्रकाश के संपर्क में आने पर वोल्टेज विकसित किया।
पहला काम करने वाला ट्रांजिस्टर 1947 में बेल लैब्स में जॉन बार्डीन, वाल्टर हाउसर ब्रेटन और विलियम शॉक्ले द्वारा आविष्कार किया गया एक बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर था। शॉक्ले ने पहले जर्मेनियम और सिलिकॉन से बने फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर प्रवर्धक का सिद्धांत दिया था, लेकिन वह बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर का आविष्कार करने के लिए अंततः जर्मेनियम का उपयोग करने से पहले, इस तरह के कार्यशील उपकरण का निर्माण करने में विफल रहा।[34] फ्रांस में, युद्ध के दौरान, हर्बर्ट मातरे ने जर्मेनियम बेस पर आसन्न बिंदु संपर्कों के बीच प्रवर्धन देखा था। युद्ध के बाद, बेल लैब्स ने ट्रांजिस्टर की घोषणा के तुरंत बाद ही मातरे के समूह ने अपने "ट्रांजिस्टर" प्रवर्धक की घोषणा की।
1954 में, भौतिक रसायनज्ञ मॉरिस तनेनबाम ने बेल लैब्स में पहला सिलिकॉन जंक्शन ट्रांजिस्टर बनाया।[35] हालांकि, प्रारंभिक जंक्शन ट्रांजिस्टर अपेक्षाकृत भारी उपकरण थे जिन्हें बड़े पैमाने पर उत्पादन के आधार पर निर्माण करना मुश्किल था, जो उन्हें कई विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित कर देता था।[36]
यह भी देखें
- डेथनियम
- अर्धचालक डिवाइस निर्माण
- अर्धचालक उद्योग
- अर्धचालक लक्षण वर्णन तकनीक
- ट्रांजिस्टर गिनती
संदर्भ
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