आवेश वाहक

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भौतिकी में, एक आवेश वाहक एक कण या क्सीपार्टिकल होता है जो गति करने के लिए स्वतंत्र होता है, एक विद्युत आवेश को वहन करता है, विशेष रूप से वे कण जो विद्युत चालकों में विद्युत आवेशों को वहन करते हैं।[1] उदाहरण इलेक्ट्रॉन, आयन और इलेक्ट्रॉन छिद्र हैं। इस शब्द का प्रयोग आमतौर पर ठोस अवस्था भौतिकी में किया जाता है।[2] एक संवाहक माध्यम में, एक विद्युत क्षेत्र इन मुक्त कणों पर बल लगा सकता है, जिससे माध्यम के माध्यम से कणों की शुद्ध गति हो सकती है; यह वही है जो एक विद्युत प्रवाह का गठन करता है।[3] मीडिया के संचालन में, कण चार्ज करने के लिए काम करते हैं:

  • कई धातुओं में आवेश वाहक इलेक्ट्रॉन होते हैं। प्रत्येक परमाणु से एक या दो वैलेंस इलेक्ट्रॉन धातु के क्रिस्टल संरचना के भीतर स्वतंत्र रूप से घूमने में सक्षम होते हैं।[4] मुक्त इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड कहा जाता है, और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के बादल को फर्मी गैस कहा जाता है।[5][6]कई धातुओं में इलेक्ट्रॉन और होल बैंड होते हैं। कुछ में, बहुसंख्यक वाहक छिद्र होते हैं।[citation needed]
  • इलेक्ट्रोलाइट्स में, जैसे खारा पानी, आवेश वाहक आयन होते हैं,[6]जो परमाणु या अणु होते हैं जिन्होंने इलेक्ट्रॉन प्राप्त या खो दिए हैं इसलिए वे विद्युत रूप से चार्ज होते हैं। जिन परमाणुओं ने इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त किया है इसलिए वे नकारात्मक रूप से आवेशित हैं, उन्हें ऋणायन कहा जाता है, जिन परमाणुओं ने इलेक्ट्रॉनों को खो दिया है, इसलिए वे सकारात्मक रूप से आवेशित होते हैं, उन्हें धनायन कहा जाता है।[7] विखंडित द्रव के धनायन और ऋणायन भी पिघले हुए आयनिक यौगिकों में आवेश वाहकों के रूप में काम करते हैं (देखें उदाहरण के लिए एक पिघले हुए आयनिक ठोस के इलेक्ट्रोलिसिस के उदाहरण के लिए हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया)। प्रोटॉन कंडक्टर इलेक्ट्रोलाइटिक कंडक्टर होते हैं जो सकारात्मक हाइड्रोजन आयनों को वाहक के रूप में नियोजित करते हैं।[8]
  • एक प्लाज्मा (भौतिकी) में, एक विद्युत आवेशित गैस जो वायु, नियॉन संकेतों और सूर्य और तारों के माध्यम से विद्युत चाप में पाई जाती है, आयनित गैस के इलेक्ट्रॉन और धनायन आवेश वाहक के रूप में कार्य करते हैं।[9]
  • निर्वात में, मुक्त इलेक्ट्रॉन आवेश वाहकों के रूप में कार्य कर सकते हैं। इलेक्ट्रॉनिक घटक में वैक्यूम ट्यूब (जिसे वाल्व भी कहा जाता है) के रूप में जाना जाता है, मोबाइल इलेक्ट्रॉन क्लाउड एक गर्म धातु कैथोड द्वारा उत्पन्न होता है, जिसे थर्मिओनिक उत्सर्जन कहा जाता है।[10] जब एक विद्युत क्षेत्र को बीम में इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने के लिए पर्याप्त रूप से लागू किया जाता है, तो इसे कैथोड रे के रूप में संदर्भित किया जा सकता है, और यह 2000 के दशक तक टीवी और कंप्यूटर मॉनिटर में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले कैथोड रे ट्यूब डिस्प्ले का आधार है।[11]
  • अर्धचालकों में, जो इलेक्ट्रॉनिक घटक जैसे ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री हैं, दो प्रकार के चार्ज वाहक संभव हैं। पी-टाइप सेमीकंडक्टर्स में, क्वासिपार्टिकल जिसे इलेक्ट्रॉन होल के रूप में जाना जाता है, सकारात्मक चार्ज के साथ क्रिस्टल जाली के माध्यम से चलता है, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। छेद, प्रभाव में, वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉन रिक्तियां हैं। सेमीकंडक्टर की वैलेंस-बैंड इलेक्ट्रॉन आबादी और चार्ज वाहक के रूप में माना जाता है क्योंकि वे मोबाइल हैं, परमाणु साइट से परमाणु साइट पर जा रहे हैं। एन-प्रकार के अर्धचालकों में, चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल के माध्यम से चलते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत प्रवाह होता है।

कुछ कंडक्टरों में, जैसे आयनिक समाधान और प्लास्मा, सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज वाहक सह-अस्तित्व में होते हैं, इसलिए इन मामलों में एक विद्युत प्रवाह में दो प्रकार के वाहक होते हैं जो विपरीत दिशाओं में चलते हैं। अन्य कंडक्टरों में, जैसे कि धातु, केवल एक ध्रुवता के आवेश वाहक होते हैं, इसलिए उनमें विद्युत प्रवाह में केवल एक दिशा में चलने वाले आवेश वाहक होते हैं।

अर्धचालकों में

अर्धचालकों में दो मान्यता प्राप्त प्रकार के आवेश वाहक होते हैं। एक इलेक्ट्रॉन है, जो एक नकारात्मक विद्युत आवेश को वहन करता है। इसके अलावा, दूसरे प्रकार के आवेश वाहक के रूप में वैलेंस बैंड इलेक्ट्रॉन आबादी (इलेक्ट्रॉन छेद) में यात्रा रिक्तियों का इलाज करना सुविधाजनक है, जो एक इलेक्ट्रॉन के परिमाण में एक सकारात्मक चार्ज के बराबर होता है।[12]


वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन

Main article: Carrier generation and recombination

जब एक इलेक्ट्रॉन एक छेद से मिलता है, तो वे वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन और ये मुक्त वाहक प्रभावी रूप से गायब हो जाते हैं।[13] जारी ऊर्जा या तो थर्मल हो सकती है, सेमीकंडक्टर को गर्म कर सकती है (थर्मल पुनर्संयोजन, सेमीकंडक्टर्स में अपशिष्ट गर्मी के स्रोतों में से एक), या फोटॉन (ऑप्टिकल पुनर्संयोजन, प्रकाश उत्सर्जक डायोड और लेजर डायोड में उपयोग किया जाता है) के रूप में जारी किया जाता है।[14] पुनर्संयोजन का अर्थ है एक इलेक्ट्रॉन जो वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड तक उत्तेजित हो गया है, वैलेंस बैंड में खाली अवस्था में वापस आ जाता है, जिसे छेद के रूप में जाना जाता है। छिद्र वैलेंस बैंड में निर्मित खाली अवस्थाएँ होती हैं, जब ऊर्जा अंतर को पार करने के लिए कुछ ऊर्जा प्राप्त करने के बाद एक इलेक्ट्रॉन उत्तेजित हो जाता है।

बहुसंख्यक और अल्पसंख्यक वाहक

अधिक प्रचुर मात्रा में आवेश वाहक बहुसंख्यक वाहक कहलाते हैं, जो मुख्य रूप से अर्धचालक के एक टुकड़े में वर्तमान (बिजली) परिवहन के लिए जिम्मेदार होते हैं। n-प्रकार के अर्धचालकों में वे इलेक्ट्रॉन होते हैं, जबकि p-प्रकार के अर्धचालकों में वे छिद्र होते हैं। कम प्रचुर मात्रा में आवेश वाहक अल्पसंख्यक वाहक कहलाते हैं; n-प्रकार के अर्धचालकों में वे छिद्र होते हैं, जबकि p-प्रकार के अर्धचालकों में वे इलेक्ट्रॉन होते हैं।[15] एक आंतरिक अर्धचालक में, जिसमें कोई अशुद्धता नहीं होती है, दोनों प्रकार के वाहकों की सांद्रता आदर्श रूप से बराबर होती है। यदि एक आंतरिक अर्धचालक दाता अशुद्धता के साथ अपमिश्रित (अर्धचालक) होता है तो बहुसंख्यक वाहक इलेक्ट्रॉन होते हैं। यदि अर्धचालक को एक ग्राही अशुद्धि से डोपित किया जाता है तो बहुसंख्यक वाहक छिद्र होते हैं।[16] द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर और सौर कोशिकाओं में अल्पसंख्यक वाहक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।[17] क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी) में उनकी भूमिका थोड़ी अधिक जटिल है: उदाहरण के लिए, एक एमओएसएफईटी में पी-टाइप और एन-टाइप क्षेत्र होते हैं। ट्रांजिस्टर क्रिया में क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर और क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर क्षेत्रों के बहुसंख्यक वाहक शामिल होते हैं, लेकिन ये वाहक विपरीत प्रकार के क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर को पार करते हैं, जहाँ वे अल्पसंख्यक वाहक होते हैं। हालांकि, ट्रैवर्सिंग वाहक स्थानांतरण क्षेत्र में अपने विपरीत प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं (वास्तव में, विपरीत प्रकार के वाहक एक लागू विद्युत क्षेत्र द्वारा हटा दिए जाते हैं जो एक व्युत्क्रम परत (अर्धचालक) बनाता है), इसलिए पारंपरिक रूप से वाहक के लिए स्रोत और नाली पदनाम है अपनाया गया, और FET को बहुसंख्यक वाहक उपकरण कहा जाता है।[18]


मुक्त वाहक एकाग्रता

Main article: Charge carrier density

मुक्त वाहक एकाग्रता एक डोपिंग (सेमीकंडक्टर) में मुक्त वाहक की एकाग्रता है। यह धातु में वाहक एकाग्रता के समान है और धाराओं या बहाव वेगों की गणना के प्रयोजनों के लिए उसी तरह इस्तेमाल किया जा सकता है। मुक्त वाहक इलेक्ट्रॉन (इलेक्ट्रॉन छिद्र) होते हैं जिन्हें डोपिंग द्वारा चालन बैंड (वैलेंस बैंड) में पेश किया जाता है। इसलिए, वे दूसरे बैंड में छिद्रों (इलेक्ट्रॉनों) को पीछे छोड़कर दोहरे वाहक के रूप में कार्य नहीं करेंगे। दूसरे शब्दों में, आवेश वाहक वे कण होते हैं जो गति करने के लिए स्वतंत्र होते हैं, आवेश को वहन करते हैं। डोप्ड अर्धचालकों की मुक्त वाहक सांद्रता एक विशिष्ट तापमान निर्भरता दर्शाती है।[19]


यह भी देखें

  • वाहक जीवनकाल
  • आणविक प्रसार

संदर्भ

  1. ↑ Dharan, Gokul; Stenhouse, Kailyn; Donev, Jason (May 11, 2018). "Energy Education - Charge carrier". Retrieved April 30, 2021.
  2. ↑ "Charge carrier". The Great Soviet Encyclopedia 3rd Edition. (1970-1979).
  3. ↑ Nave, R. "Microscopic View of Electric Current". Retrieved April 30, 2021.
  4. ↑ Nave, R. "Conductors and Insulators". Retrieved April 30, 2021.
  5. ↑ Fitzpatrick, Richard (February 2, 2002). "Conduction electrons in a metal". Retrieved April 30, 2021.
  6. ↑ 6.0 6.1 "Conductors-Insulators-Semiconductors". Retrieved April 30, 2021.
  7. ↑ Steward, Karen (August 15, 2019). "Cation vs Anion: Definition, Chart and the Periodic Table". Retrieved April 30, 2021.
  8. ↑ Ramesh Suvvada (1996). "Lecture 12: Proton Conduction, Stoichiometry". University of Illinois at Urbana–Champaign. Retrieved April 30, 2021.
  9. ↑ Souček, Pavel (October 24, 2011). "Plasma conductivity and diffusion" (PDF). Retrieved April 30, 2021.
  10. ↑ Alba, Michael (January 19, 2018). "Vacuum Tubes: The World Before Transistors". Retrieved April 30, 2020.
  11. ↑ "Cathode Rays | Introduction to Chemistry". Retrieved April 30, 2021.
  12. ↑ Nave, R. "Intrinsic Semiconductors". Retrieved May 1, 2021.
  13. ↑ Van Zeghbroeck, B. (2011). "Carrier recombination and generation". Retrieved May 1, 2021.
  14. ↑ del Alamo, Jesús (February 12, 2007). "Lecture 4 - Carrier generation and recombination" (PDF). MIT Open CourseWare, Massachusetts Institute of Technology. p. 3. Retrieved May 2, 2021.
  15. ↑ "Majority and minority charge carriers". Retrieved May 2, 2021.
  16. ↑ Nave, R. "Doped Semiconductors". Retrieved May 1, 2021.
  17. ↑ Smith, J. S. "Lecture 21: BJTs" (PDF). Retrieved May 2, 2021.
  18. ↑ Tulbure, Dan (February 22, 2007). "Back to the basics of power MOSFETs". EE Times. Retrieved May 2, 2021.
  19. ↑ Van Zeghbroeck, B. (2011). "Carrier densities". Retrieved July 28, 2022.
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