14.1 परिचय

ऐसे उपकरणों में जहाँ इलेक्ट्रॉनों का एक नियंत्रित प्रवाह प्राप्त किया जा सकता है, वे सभी इलेक्ट्रॉनिक्स परिपथों के मूलभूत निर्माण खंड हैं। 1948 में ट्रांजिस्टर की खोज से पहले, ऐसे उपकरणों के अधिकांश कोशिकाओं (जिन्हें भी वैल्व्स कहते हैं) जैसे वेक्यूम डायोड जिसमें दो इलेक्ट्रोड्स, अर्थात् एनोड (अक्सर प्लेट कहा जाता है) और कैथोड होते हैं; ट्रायोड जिसमें तीन इलेक्ट्रोड्स - कैथोड, प्लेट और ग्रिड होते हैं; टेट्रोड और पेन्टोड (अर्थात् 4 और 5 इलेक्ट्रोड्स वाले) थे। वेक्यूम ट्यूब में, इलेक्ट्रॉन्स एक गर्म कैथोड से आते हैं और इन इलेक्ट्रॉनों के वेक्यूम में नियंत्रित प्रवाह को इसके विभिन्न इलेक्ट्रोड्स के बीच वोल्टेज में बदलाव के द्वारा प्राप्त किया जाता था। इंटर-इलेक्ट्रोड स्थान में वेक्यूम की आवश्यकता थी; अन्यथा चलते इलेक्ट्रॉन्स अपने पथ में हवा के अवयवों से टकराकर अपनी ऊर्जा खो देंगे। इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉन्स कैथोड से एनोड तक (अर्थात् केवल एक दिशा में) ही प्रवाहित हो सकते थे। इसलिए ऐसे उपकरणों को आमतौर पर वैल्व्स कहा जाता था। इन वेक्यूम ट्यूब उपकरणों के आकार बड़ा था, उच्च ऊर्जा पर खर्च करते थे, आमतौर पर उच्च वोल्टेज ($100 \mathrm{~V}$) पर काम करते थे और सीमित जीवन और कम गुणवत्ता वाली विश्वसनीयता रखते थे। आधुनिक ठोस-अवस्था अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास की बीजरूप से 1930 के दशक में शुरुआत हुई जब यह समझा गया कि कुछ ठोस-अवस्था अर्धचालकों और उनके संयोजन उनके पार आवेश प्रवाह की संख्या और दिशा को नियंत्रित करने की संभावना प्रदान करते हैं। एक सरल उत्तेजना जैसे प्रकाश, ऊष्मा या छोटा सा लागू वोल्टेज अर्धचालक में चलते आवेशों की संख्या में परिवर्तन कर सकता है। ध्यान रखें कि अर्धचालक उपकरणों में आवेश प्रवाह का आविष्कार और प्रवाह ठोस खण्ड के भीतर होता है, जबकि पहले के वेक्यूम ट्यूब/वैल्व्स में, चलते इलेक्ट्रॉन्स एक गर्म कैथोड से प्राप्त किए जाते थे और वे एक खाली जगह या वेक्यूम में प्रवाहित किए जाते थे। अर्धचालक उपकरणों के लिए कोई बाहरी गर्मी या बड़ी खाली जगह की आवश्यकता नहीं होती। ये छोटे आकार के, कम ऊर्जा पर खर्च करते हैं, कम वोल्टेज पर काम करते हैं और लंबे जीवन और उच्च गुणवत्ता वाली विश्वसनीयता रखते हैं। यही नहीं, टेलीविजन और कंप्यूटर मॉनिटर्स में उपयोग किए जाने वाले कैथोड रे ट्यूब (CRT) जो वेक्यूम ट्यूब के सिद्धांत पर काम करते हैं, भी ठोस-अवस्था इलेक्ट्रॉनिक्स के समर्थन के साथ लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (LCD) मॉनिटर्स से बदल दिए जा रहे हैं। अर्धचालक उपकरणों के पूर्ण प्रभाव को आगे समझने से बहुत पहले, एक प्राकृतिक रूप से उत्पन्न गैलीना (लेड सल्फाइड, PbS) क्रिस्टल के साथ एक धातु बिंदु संपर्क जो उसमें जोड़ा गया था, रेडियो लहरों का पता लगाने का उपयोग किया गया था।

निम्नलिखित खंडों में, हम अर्धचालक भौतिकी के मूलभूत अवधारणाओं का परिचय देंगे और कुछ अर्धचालक उपकरणों जैसे संयोजन डायोड (एक 2-इलेक्ट्रोड उपकरण) और बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर (एक 3-इलेक्ट्रोड उपकरण) पर चर्चा करेंगे। उनके उपयोग के कुछ परिपथों का भी वर्णन किया जाएगा।

14.2 धातुओं, प्रवाहिता और अर्धचालकों का वर्गीकरण

प्रवाहिता के आधार पर

इलेक्ट्रिकल प्रवाहिता $(\sigma)$ या प्रतिरोध $(\rho=1 / \sigma)$ के निरपेक्ष मानों के आधार पर, ठोसों को ब्रदर रूप से इस प्रकार वर्गीकृत किया जाता है:

(ए) धातुओं: उनमें बहुत कम प्रतिरोध (या उच्च प्रवाहिता) होता है।

$ \rho \sim 10^{-2}-10^{-8} \Omega \mathrm{m} $

$\sigma \sim 10^{2}-10^{8} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1}$

(बी) अर्धचालक: उनकी प्रतिरोध या प्रवाहिता धातुओं और इन्सुलेटर्स के बीच मान होती है।

$$ \begin{aligned} & \rho \sim 10^{-5}-10^{6} \Omega \mathrm{m} \\ & \sigma \sim 10^{5}-10^{-6} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1} \end{aligned} $$

(सी) इन्सुलेटर्स: उनकी प्रतिरोध बहुत अधिक (या कम प्रवाहिता) होती है।

$$ \begin{aligned} & \rho \sim 10^{11}-10^{19} \Omega \mathrm{m} \\ & \sigma \sim 10^{-11}-10^{-19} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1} \end{aligned} $$

ऊपर दिए गए $\rho$ और $\sigma$ के मान प्राकृतिक प्रमाण के लिए हैं और इनके बाहर भी जाने सकते हैं। प्रतिरोध के निरपेक्ष मानों को धातुओं, इन्सुलेटर्स और अर्धचालकों को एक-दूसरे से अलग करने का केवल एक मानदंड नहीं है। इनके बीच कुछ अन्य अंतर हैं, जो हमारे इस अध्याय में आगे बढ़ते हुए स्पष्ट होंगे।

इस अध्याय में हमारी रुचि अर्धचालकों का अध्ययन है जो इस प्रकार हो सकते हैं:

(ए) तत्वात्मक अर्धचालक: $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$

(बी) यौगिक अर्धचालक: उदाहरण हैं:

• अँगारों से संबंधित: CdS, GaAs, CdSe, InP, आदि।

• जैविक: एंथ्रेन, डोपेड फ़ाथालोसायनिन्स, आदि।

• जैविक बहुरासायनिक: पॉलीपाय्रोल, पॉलीएनिलाइन, पॉलीथियोफेन, आदि।

वर्तमान में उपलब्ध अधिकांश अर्धचालक उपकरण तत्वात्मक अर्धचालकों $\mathrm{Si}$ या $\mathrm{Ge}$ या यौगिक अँगारों से संबंधित अर्धचालकों पर आधारित हैं। हालाँकि, 1990 के बाद, जैविक अर्धचालकों और अर्धचालक बहुरासायनिकों का उपयोग करने वाले कुछ अर्धचालक उपकरण विकसित किए गए हैं जिससे बहुरासायनिक-इलेक्ट्रॉनिक्स और आणविक-इलेक्ट्रॉनिक्स की भविष्यवाणी की प्रवृत्ति हुई है। इस अध्याय में, हम अँगारों से संबंधित अर्धचालकों का अध्ययन करने में सीमित रहेंगे, विशेष रूप से तत्वात्मक अर्धचालक Si और Ge। यहाँ दिए गए तत्वात्मक अर्धचालकों पर चर्चा करने के लिए सामान्य अवधारणाएँ, बिगड़ते हुए अधिकांश यौगिक अर्धचालकों पर भी लागू होंगे।

ऊर्जा पश्चिमों के आधार पर

बोहर परमाणु मॉडल के अनुसार, एक अलग परमाणु में इसके किसी भी इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा उसके चक्र में जो वह घूरता है, तय की जाती है। लेकिन जब परमाणु एक ठोस बनाने के लिए एक-दूसरे के साथ आते हैं तो वे एक-दूसरे के पास जाते हैं। इसलिए आसपास के परमाणुओं के बाहरी चक्र के इलेक्ट्रॉन्स बहुत पास आ जाएंगे या फिर अभी ओवरलैप हो सकता है। इससे ठोस में इलेक्ट्रॉन की गति की प्रकृति अलग हो जाएगी जिस प्रकार अलग परमाणु में होती है।

क्रिस्टल के अंदर प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के पास एक अद्वितीय स्थान होता है और कोई भी दोनों इलेक्ट्रॉन्स एकदम समान आस्थित आवेश के पैटर्न को नहीं देखते। इसलिए, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के पास एक अलग ऊर्जा स्तर होगा। इन अलग-अलग ऊर्जा स्तरों के साथ निरंतर ऊर्जा परिवर्तन उन ऊर्जा पश्चिमों को बनाते हैं जिन्हें ऊर्जा पश्चिमों कहते हैं। उस ऊर्जा पश्चिम जिसमें परिसंचरण इलेक्ट्रॉन्स के ऊर्जा स्तर शामिल हैं, वह परिसंचरण पश्चिम कहलाता है। परिसंचरण पश्चिम के ऊपर का ऊर्जा पश्चिम परिसंचरण पश्चिम कहलाता है। किसी बाहरी ऊर्जा के बिना, सभी परिसंचरण इलेक्ट्रॉन्स परिसंचरण पश्चिम में रहेंगे। अगर परिसंचरण पश्चिम का निम्नतम स्तर परिसंचरण पश्चिम के उच्चतम स्तर से नीचे हो, तो परिसंचरण पश्चिम के इलेक्ट्रॉन्स परिसंचरण पश्चिम में आसानी से जाने की संभावना होती है। आमतौर पर परिसंचरण पश्चिम खाली होता है। लेकिन जब इस परिसंचरण पश्चिम और परिसंचरण पश्चिम के बीच ओवरलैप होता है, तो इलेक्ट्रॉन्स इसमें स्वतंत्र रूप से जा सकते हैं। यह मेटलिक प्रवाहिता की स्थिति है।

अगर परिसंचरण पश्चिम और परिसंचरण पश्चिम के बीच कुछ अंतर हो, तो परिसंचरण पश्चिम के इलेक्ट्रॉन्स सभी बाँधे रहेंगे और परिसंचरण पश्चिम में कोई आधी इलेक्ट्रॉन्स उपलब्ध नहीं होंगे। इससे दूरी एक दूरी बन जाती है। लेकिन परिसंचरण पश्चिम के कुछ इलेक्ट्रॉन्स परिसंचरण पश्चिम और परिसंचरण पश्चिम के बीच के अंतर को पार करने के लिए बाहरी ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। फिर ये इलेक्ट्रॉन्स परिसंचरण पश्चिम में गति करेंगे। एक ही समय में वे परिसंचरण पश्चिम में रिक्त ऊर्जा स्तर बनाएंगे जहाँ अन्य परिसंचरण इलेक्ट्रॉन्स गति कर सकें। इस प्रक्रिया में परिसंचरण पश्चिम में इलेक्ट्रॉन्स के कारण और परिसंचरण पश्चिम में रिक्तियों के कारण प्रवाह की संभावना उत्पन्न होती है।

$\mathrm{Si}$ या Ge क्रिस्टल में $N$ परमाणुओं की स्थिति पर विचार करें। $\mathrm{Si}$ के लिए, बाहरी चक्र तीसरा चक्र $(n=3)$ है, जबकि $\mathrm{Ge}$ के लिए यह चौथा चक्र $(n=4)$ है। बाहरी चक्र में इलेक्ट्रॉन्स की संख्या 4 ($2 s$ और $2 p$ इलेक्ट्रॉन्स) है। इसलिए, क्रिस्टल में कुल बाहरी इलेक्ट्रॉन्स की संख्या $4 N$ है। बाहरी चक्र में अधिकतम संभव इलेक्ट्रॉन्स की संख्या 8 ($2 s+6 p$ इलेक्ट्रॉन्स) है। इसलिए, $4 N$ परिसंचरण इलेक्ट्रॉन्स के लिए $8 N$ उपलब्ध ऊर्जा स्थितियाँ हैं। इन $8 N$ निश्चित ऊर्जा स्तरों या तो एक निरंतर पश्चिम बना सकते हैं या क्रिस्टल में परमाणुओं के बीच दूरी के आधार पर विभिन्न पश्चिमों में समूहित हो सकते हैं (ठोसों की पश्चिम स