सेमीकंडक्टर

एक अर्धचालक पदार्थ में एक विद्युत चालक मूल्य होता है जो एक कंडक्टर के बीच गिरता है, जैसे तांबा, सोना, आदि और ग्लास जैसे एक इन्सुलेटर। उनका प्रतिरोध घटता है क्योंकि उनका तापमान बढ़ता है, जो धातु के विपरीत व्यवहार होता है। उनके संचालन गुणों को क्रिस्टल संरचना में जानबूझकर, अशुद्धता (“डोपिंग”) के नियंत्रित परिचय द्वारा उपयोगी तरीकों से बदला जा सकता है। जहां दो अलग-अलग क्षेत्रों में एक ही क्रिस्टल में मौजूद होता है, एक अर्धचालक जंक्शन बनाया जाता है। इन जंक्शनों में इलेक्ट्रॉनों, आयनों और इलेक्ट्रॉन छेद शामिल चार्ज वाहक का व्यवहार डायोड, ट्रांजिस्टर और सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार है।

सेमीकंडक्टर डिवाइस उपयोगी गुणों की एक श्रृंखला प्रदर्शित कर सकते हैं जैसे कि एक दिशा में वर्तमान में अधिक आसानी से गुजरना, परिवर्तनीय प्रतिरोध दिखा रहा है, और प्रकाश या गर्मी की संवेदनशीलता दिखाना। चूंकि अर्धचालक पदार्थ के विद्युत गुणों को डोपिंग द्वारा संशोधित किया जा सकता है, या विद्युत क्षेत्रों या प्रकाश के उपयोग से, सेमीकंडक्टर्स से बने उपकरणों को प्रवर्धन, स्विचिंग और ऊर्जा रूपांतरण के लिए उपयोग किया जा सकता है।

सिलिकॉन की चालकता को थोड़ी मात्रा में पेंटवालेन्ट (एंटीमोनी, फॉस्फोरस, या आर्सेनिक) या त्रिकोणीय (बोरॉन, गैलियम, इंडियम) परमाणुओं (108 में भाग) जोड़कर बढ़ाया जाता है। इस प्रक्रिया को डोपिंग के रूप में जाना जाता है और जिसके परिणामस्वरूप अर्धचालक को डॉप या बाह्य अर्धचालक के रूप में जाना जाता है।

एक अर्धचालक के गुणों की आधुनिक समझ एक क्रिस्टल जाली में चार्ज वाहक के आंदोलन की व्याख्या करने के लिए क्वांटम भौतिकी पर निर्भर करती है। डोपिंग क्रिस्टल के भीतर चार्ज वाहक की संख्या में काफी वृद्धि करता है। जब एक डॉपड अर्धचालक में अधिकतर मुक्त छेद होते हैं तो इसे “पी-प्रकार” कहा जाता है, और जब इसमें अधिकतर मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं तो इसे “एन-टाइप” के नाम से जाना जाता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की जाने वाली अर्धचालक सामग्री पी-और एन-प्रकार डोपेंट की एकाग्रता और क्षेत्रों को नियंत्रित करने के लिए सटीक स्थितियों के तहत डॉप की जाती है। एक अर्धचालक क्रिस्टल में कई पी- और एन-प्रकार के क्षेत्र हो सकते हैं; इन क्षेत्रों के बीच पी-एन जंक्शन उपयोगी इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार के लिए ज़िम्मेदार हैं।

यद्यपि कुछ शुद्ध तत्व और कई यौगिक अर्धचालक गुण, सिलिकॉन, [बेहतर स्रोत की आवश्यकता] जर्मेनियम प्रदर्शित करते हैं, और गैलियम के यौगिकों का व्यापक रूप से इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किया जाता है। तथाकथित “मेटालोइड सीढ़ियों” के पास तत्व, जहां मेटलॉइड आवर्त सारणी पर स्थित होते हैं, आमतौर पर अर्धचालक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

अर्धचालक पदार्थों के कुछ गुण 1 9वीं सदी के मध्य और 20 वीं शताब्दी के पहले दशकों में मनाए गए थे। इलेक्ट्रॉनिक्स में सेमीकंडक्टर्स का पहला व्यावहारिक अनुप्रयोग 1 9 04 में बिल्ली के व्हिस्कर डिटेक्टर का विकास था, जो प्रारंभिक रेडियो रिसीवर में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एक प्राचीन अर्धचालक डायोड था। क्वांटम भौतिकी के विकास ने बदले में 1 9 47 में ट्रांजिस्टर के विकास और 1 9 58 में एकीकृत सर्किट की अनुमति दी।

गुण

परिवर्तनीय चालकता
अपने प्राकृतिक राज्य में अर्धचालक गरीब कंडक्टर हैं क्योंकि वर्तमान में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की आवश्यकता होती है, और सेमीकंडक्टर्स के पास उनके इलेक्ट्रॉन बैंड के प्रवेश प्रवाह को रोकने, उनके वैलेंस बैंड भर जाते हैं। ऐसी कई विकसित तकनीकें हैं जो अर्धचालक पदार्थों को डॉपिंग या गेटिंग जैसे सामग्रियों की तरह व्यवहार करने की अनुमति देती हैं। इन संशोधनों में दो परिणाम हैं: एन-प्रकार और पी-प्रकार। ये क्रमशः इलेक्ट्रॉनों की अतिरिक्त या कमी का संदर्भ लेते हैं। इलेक्ट्रॉनों की असंतुलित संख्या सामग्री के माध्यम से बहने का कारण बनती है।

heterojunctions
Heterojunctions तब होता है जब दो अलग-अलग doped अर्धचालक सामग्री एक साथ शामिल हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, एक कॉन्फ़िगरेशन में पी-डॉपड और एन-डॉपड जर्मेनियम हो सकता है। इसके परिणामस्वरूप अलग-अलग डोप्ड अर्धचालक पदार्थों के बीच इलेक्ट्रॉनों और छेद के आदान-प्रदान में परिणाम होता है। एन-डोपेड जर्मेनियम में इलेक्ट्रॉनों की अधिक मात्रा होगी, और पी-डॉपड जर्मेनियम में छेद अधिक होगा। हस्तांतरण तब तक होता है जब तक संतुलन को पुनर्मूल्यांकन नामक प्रक्रिया द्वारा पहुंचाया जाता है, जिससे पी-प्रकार से माइग्रेटिंग छेद के संपर्क में आने के लिए माइग्रेटिंग इलेक्ट्रॉन एन-प्रकार से माइग्रेटिंग इलेक्ट्रॉन होते हैं। इस प्रक्रिया के एक उत्पाद को आयनों पर लगाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप विद्युत क्षेत्र होता है।

उत्साहित इलेक्ट्रॉन
एक अर्धचालक सामग्री पर विद्युत क्षमता में एक अंतर यह थर्मल संतुलन छोड़ने और एक गैर संतुलन की स्थिति पैदा करने का कारण बन जाएगा। यह प्रणाली के लिए इलेक्ट्रॉनों और छेद पेश करता है, जो एंबिपोलर प्रसार नामक प्रक्रिया के माध्यम से बातचीत करते हैं। जब भी अर्धचालक सामग्री में थर्मल संतुलन परेशान होता है, छेद और इलेक्ट्रॉनों की संख्या में परिवर्तन होता है। इस तरह के व्यवधान तापमान अंतर या फोटॉन के परिणामस्वरूप हो सकते हैं, जो सिस्टम में प्रवेश कर सकते हैं और इलेक्ट्रॉनों और छेद बना सकते हैं। प्रक्रिया जो इलेक्ट्रॉनों और छेदों को बनाता है और नष्ट करती है उन्हें पीढ़ी और पुनर्मूल्यांकन कहा जाता है।

प्रकाश उत्सर्जन
कुछ अर्धचालकों में, उत्साहित इलेक्ट्रॉन गर्मी के उत्पादन के बजाय प्रकाश उत्सर्जित करके आराम कर सकते हैं। इन अर्धचालकों का उपयोग प्रकाश उत्सर्जक डायोड और फ्लोरोसेंट क्वांटम बिंदुओं के निर्माण में किया जाता है।

थर्मल ऊर्जा रूपांतरण
अर्धचालकों में बड़े थर्मोइलेक्ट्रिक पावर कारक होते हैं जो उन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर में उपयोगी बनाते हैं, साथ ही मेरिट के उच्च थर्मोइलेक्ट्रिक आंकड़े उन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर में उपयोगी बनाते हैं।

सामग्री
बड़ी संख्या में तत्वों और यौगिकों में अर्धचालक गुण होते हैं, जिनमें निम्न शामिल हैं:

आवधिक सारणी के समूह 14 में कुछ शुद्ध तत्व पाए जाते हैं; इन तत्वों का सबसे वाणिज्यिक रूप से महत्वपूर्ण सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं। सिलिकॉन और जर्मेनियम का प्रभावी ढंग से यहां उपयोग किया जाता है क्योंकि उनके पास अपने बाहरीतम खोल में 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं जो उन्हें एक ही समय में समान रूप से इलेक्ट्रॉनों को हासिल करने या खोने की क्षमता प्रदान करते हैं।
विशेष रूप से समूह 13 और 15 के तत्वों के बीच बाइनरी यौगिकों, जैसे गैलियम आर्सेनाइड, समूह 12 और 16, समूह 14 और 16, और विभिन्न समूह 14 तत्वों, जैसे सिलिकॉन कार्बाइड के बीच।
कुछ टर्नरी यौगिकों, ऑक्साइड और मिश्र धातु।
कार्बनिक यौगिकों से बने जैविक अर्धचालक।

सबसे आम अर्धचालक पदार्थ क्रिस्टलीय ठोस होते हैं, लेकिन असंगत और तरल अर्धचालक भी ज्ञात होते हैं। इनमें विभिन्न प्रकार के अनुपात में हाइड्रोजनीकृत असफ़ल सिलिकॉन और आर्सेनिक, सेलेनियम और टेल्यूरियम के मिश्रण शामिल हैं। ये यौगिक बेहतर ज्ञात अर्धचालक के साथ मध्यवर्ती चालकता के गुण और तापमान के साथ चालकता की तीव्र भिन्नता के साथ-साथ कभी-कभी नकारात्मक प्रतिरोध के साथ साझा करते हैं। इस तरह की विकृत सामग्रियों में सिलिकॉन जैसे पारंपरिक अर्धचालकों की कठोर क्रिस्टलीय संरचना की कमी है। इन्हें आम तौर पर पतली फिल्म संरचनाओं में उपयोग किया जाता है, जिन्हें उच्च इलेक्ट्रॉनिक गुणवत्ता की सामग्री की आवश्यकता नहीं होती है, जो अशुद्धता और विकिरण क्षति के लिए अपेक्षाकृत असंवेदनशील होती है।

अर्धचालक पदार्थों की तैयारी
लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी में सेमीकंडक्टर्स का उपयोग शामिल है, जिसमें सबसे महत्वपूर्ण पहलू एकीकृत सर्किट (आईसी) है, जो लैपटॉप, स्कैनर, सेल फोन आदि में पाए जाते हैं। आईसी के लिए सेमीकंडक्टर्स बड़े पैमाने पर उत्पादित होते हैं। आदर्श अर्धचालक सामग्री बनाने के लिए, रासायनिक शुद्धता सर्वोपरि है। किसी भी छोटी अपरिपूर्णता का प्रभाव उस पर निर्भर हो सकता है कि अर्धचालक पदार्थ किस पैमाने पर सामग्री का उपयोग किया जाता है, उसके कारण व्यवहार करता है।

क्रिस्टल संरचना में दोषों (जैसे विघटन, जुड़वां, और ढेर दोष) में सामग्री के अर्धचालक गुणों में हस्तक्षेप के बाद से क्रिस्टलीय पूर्णता की एक उच्च डिग्री की भी आवश्यकता होती है। क्रिस्टलीय दोष दोषपूर्ण अर्धचालक उपकरणों का एक प्रमुख कारण हैं। क्रिस्टल जितना बड़ा होगा, आवश्यक पूर्णता प्राप्त करना उतना ही मुश्किल होगा। वर्तमान द्रव्यमान उत्पादन प्रक्रियाएं व्यास में 100 से 300 मिमी (3.9 और 11.8 इंच) के बीच क्रिस्टल पिंडों का उपयोग करती हैं जो सिलेंडर के रूप में उगाई जाती हैं और वेफर्स में कटाई होती हैं।

प्रक्रियाओं का एक संयोजन है जिसका उपयोग आईसीएस के लिए अर्धचालक सामग्री तैयार करने के लिए किया जाता है। एक प्रक्रिया को थर्मल ऑक्सीकरण कहा जाता है, जो सिलिकॉन की सतह पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड बनाता है। इसका उपयोग गेट इन्सुलेटर और फील्ड ऑक्साइड के रूप में किया जाता है। अन्य प्रक्रियाओं को फोटोमास्क और फोटोलिथोग्राफी कहा जाता है। यह प्रक्रिया एकीकृत सर्किट में सर्किलिटी पर पैटर्न बनाती है। सर्किट के लिए पैटर्न उत्पन्न करने वाले रासायनिक परिवर्तन को बनाने के लिए अल्ट्रावाइलेट प्रकाश का उपयोग फोटोशिस्ट परत के साथ किया जाता है।

नक़्क़ाशी अगली प्रक्रिया है जो आवश्यक है। पिछले चरण से फोटोरेस्टिस्ट परत द्वारा कवर नहीं किया गया सिलिकॉन का हिस्सा अब नक़्क़ाशीदार किया जा सकता है। आमतौर पर आज उपयोग की जाने वाली मुख्य प्रक्रिया को प्लाज्मा नक़्क़ाशी कहा जाता है। प्लाज़्मा नक़्क़ाशी में आमतौर पर प्लाज्मा बनाने के लिए कम दबाव वाले कक्ष में पंप किया जाता है। एक आम ईटीएच गैस क्लोरोफ्लोरोकार्बन है, या अधिक सामान्य रूप से ज्ञात फ्रीन है। कैथोड और एनोड के बीच एक उच्च रेडियो आवृत्ति वोल्टेज कक्ष में प्लाज्मा बनाता है। सिलिकॉन वेफर कैथोड पर स्थित है, जो इसे प्लाज्मा से मुक्त सकारात्मक चार्ज आयनों से मारा जाता है। अंतिम परिणाम सिलिकॉन है जो अनियंत्रित रूप से नक़्क़ाशीदार है।

अंतिम प्रक्रिया को प्रसार कहा जाता है। यह वह प्रक्रिया है जो सेमीकंडक्टिंग सामग्री को वांछित सेमीकंडक्टिंग गुण देता है। इसे डोपिंग के रूप में भी जाना जाता है। प्रक्रिया प्रणाली के लिए एक अशुद्ध परमाणु पेश करती है, जो पीएन जंक्शन बनाता है। सिलिकॉन वेफर में एम्बेडेड अशुद्ध परमाणु प्राप्त करने के लिए, वेफर को पहले 1,100 डिग्री सेल्सियस कक्ष में रखा जाता है। परमाणुओं को इंजेक्शन दिया जाता है और अंत में सिलिकॉन के साथ फैलता है। प्रक्रिया पूरी होने के बाद और सिलिकॉन कमरे के तापमान तक पहुंच गया है, डोपिंग प्रक्रिया पूरी की जाती है और अर्धचालक सामग्री एक एकीकृत सर्किट में उपयोग करने के लिए तैयार है।

अर्धचालक के भौतिकी

ऊर्जा बैंड और विद्युत चालन
अर्धचालक को उनके अद्वितीय विद्युत प्रवाहकीय व्यवहार द्वारा परिभाषित किया जाता है, कहीं कंडक्टर और एक विसंवाहक के बीच। इन सामग्रियों के बीच मतभेद इलेक्ट्रॉनों के लिए क्वांटम राज्यों के संदर्भ में समझा जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक में शून्य या एक इलेक्ट्रॉन हो सकता है (पॉली बहिष्करण सिद्धांत द्वारा)। ये राज्य सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना से जुड़े हुए हैं। विद्युत चालकता उन राज्यों में इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति के कारण उत्पन्न होती है जो विखंडित होते हैं (सामग्री के माध्यम से विस्तारित होते हैं), हालांकि इलेक्ट्रॉनों को परिवहन के लिए एक राज्य को आंशिक रूप से भरना चाहिए, जिसमें उस समय का इलेक्ट्रॉन केवल एक हिस्सा होता है। यदि राज्य हमेशा इलेक्ट्रॉन के साथ कब्जा कर लिया जाता है, तो यह उस राज्य के माध्यम से अन्य इलेक्ट्रॉनों के पारित होने को अवरुद्ध करता है। इन क्वांटम राज्यों की ऊर्जा महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि एक राज्य आंशिक रूप से तभी भरा जाता है जब इसकी ऊर्जा फर्मि स्तर के पास होती है (फर्मि-डीरैक आंकड़े देखें)।

एक सामग्री में उच्च चालकता से आंशिक रूप से भरे राज्यों और अधिक राज्य डॉकोकलाइजेशन होता है। धातु अच्छे विद्युत चालक होते हैं और उनके आंशिक रूप से भरे राज्य होते हैं जिनमें ऊर्जा उनके फर्मि स्तर के पास होती है। इसके विपरीत, इंसुलेटर, कुछ आंशिक रूप से भरे राज्य होते हैं, उनके फर्मि स्तर कुछ ऊर्जा राज्यों पर कब्जा करने के लिए बैंड अंतराल के भीतर बैठते हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि, तापमान को बढ़ाकर आचरण करने के लिए एक इन्सुलेटर बनाया जा सकता है: बैंड बैंड अंतराल में कुछ इलेक्ट्रॉनों को बढ़ावा देने के लिए ऊर्जा प्रदान करता है, बैंड अंतराल (वैलेंस बैंड) और उपरोक्त राज्यों के बैंड के नीचे राज्यों के बैंड दोनों में आंशिक रूप से भरे राज्यों को प्रेरित करता है बैंड अंतर (चालन बैंड)। एक (आंतरिक) अर्धचालक में एक बैंड अंतर होता है जो एक इंसुलेटर की तुलना में छोटा होता है और कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रॉनों की महत्वपूर्ण संख्या बैंड अंतराल को पार करने के लिए उत्साहित हो सकती है।

एक शुद्ध अर्धचालक, हालांकि, बहुत उपयोगी नहीं है, क्योंकि यह न तो बहुत अच्छा इंसुलेटर है और न ही बहुत अच्छा कंडक्टर है। हालांकि, सेमीकंडक्टर्स की एक महत्वपूर्ण विशेषता (और अर्ध-इंसुल्युलेटर के रूप में जाने वाले कुछ इंसुल्युलेटर) यह है कि उनकी चालकता को बढ़ाया जा सकता है और विद्युत क्षेत्रों के साथ अशुद्धता और गेटिंग के साथ डोपिंग द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। डोपिंग और गेटिंग या तो चालन या वैलेंस बैंड को फर्मि स्तर के बहुत करीब ले जाती है, और आंशिक रूप से भरे राज्यों की संख्या में काफी वृद्धि करती है।

कुछ व्यापक बैंड अंतर अर्धचालक पदार्थों को कभी-कभी सेमी-इंसुल्युलेटर के रूप में जाना जाता है। जब अप्रत्याशित हो, इनके पास बिजली के इंसुल्युलेटर के करीब विद्युत चालकता होती है, हालांकि उन्हें डॉप किया जा सकता है (उन्हें अर्धचालक के रूप में उपयोगी बनाते हैं)। सेमी-इंसुल्युलेटर माइक्रो-इलेक्ट्रॉनिक्स में विशिष्ट अनुप्रयोग ढूंढते हैं, जैसे एचईएमटी के लिए सबस्ट्रेट्स। एक आम अर्ध-विसंवाहक का एक उदाहरण गैलियम आर्सेनाइड है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड जैसी कुछ सामग्रियों को कुछ अनुप्रयोगों के लिए इन्सुलेट सामग्री के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जबकि अन्य अनुप्रयोगों के लिए व्यापक अंतर अर्धचालक के रूप में माना जा रहा है।

चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और छेद)
चालन बैंड के नीचे राज्यों के आंशिक भरने को उस बैंड में इलेक्ट्रॉन जोड़ने के रूप में समझा जा सकता है। इलेक्ट्रॉन अनिश्चित काल तक नहीं रहते हैं (प्राकृतिक थर्मल पुनर्मूल्यांकन के कारण) लेकिन वे कुछ समय के लिए चारों ओर स्थानांतरित कर सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों की वास्तविक एकाग्रता आम तौर पर बहुत पतली होती है, और इसलिए (धातुओं के विपरीत) शास्त्रीय आदर्श गैस के रूप में अर्धचालक के चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के बारे में सोचना संभव है, जहां इलेक्ट्रॉनों के अधीन होने के बिना स्वतंत्र रूप से उड़ते हैं पॉली बहिष्करण सिद्धांत। अधिकांश अर्धचालकों में चालन बैंडों में एक पैराबॉलिक फैलाव संबंध होता है, और इसलिए ये इलेक्ट्रॉन एक अलग वैक्यूम के साथ बलों (विद्युत क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र, आदि) का जवाब देते हैं, हालांकि एक अलग प्रभावी द्रव्यमान के साथ। चूंकि इलेक्ट्रॉन आदर्श गैस की तरह व्यवहार करते हैं, इसलिए ड्रड मॉडल जैसे बहुत सरल शब्दों में चालन के बारे में भी सोच सकते हैं, और इलेक्ट्रॉन गतिशीलता जैसे अवधारणाओं को पेश कर सकते हैं।

वैलेंस बैंड के शीर्ष पर आंशिक भरने के लिए, इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन छेद की अवधारणा को पेश करना सहायक होता है। हालांकि वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉन हमेशा घूमते रहते हैं, फिर भी पूरी तरह से पूर्ण वैलेंस बैंड निष्क्रिय होता है, कोई भी चालू नहीं होता है। यदि वैलेंस बैंड से एक इलेक्ट्रॉन निकाला जाता है, तो आमतौर पर इलेक्ट्रॉन द्वारा लिया जाने वाला प्रक्षेपवक्र अब अपना शुल्क खो रहा है। विद्युत प्रवाह के प्रयोजनों के लिए, पूर्ण वैलेंस बैंड के इस संयोजन, इलेक्ट्रॉन से घटाकर, एक पूरी तरह से खाली बैंड की एक तस्वीर में परिवर्तित किया जा सकता है जिसमें एक सकारात्मक चार्ज कण होता है जो इलेक्ट्रॉन के समान ही चलता है। वैलेंस बैंड के शीर्ष पर इलेक्ट्रॉनों के नकारात्मक प्रभावी द्रव्यमान के साथ संयुक्त, हम एक सकारात्मक चार्ज कण की एक तस्वीर पर पहुंचते हैं जो विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों को प्रतिक्रिया देता है जैसे सामान्य सकारात्मक चार्ज कण वैक्यूम में होता है, फिर कुछ सकारात्मक प्रभावी द्रव्यमान इस कण को ​​एक छेद कहा जाता है, और वैलेंस बैंड में छेद का संग्रह फिर से सामान्य शास्त्रीय शब्दों (जैसे चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के साथ) में समझा जा सकता है।

वाहक पीढ़ी और पुनर्मूल्यांकन
जब आयनकारी विकिरण अर्धचालक पर हमला करता है, तो यह अपने ऊर्जा स्तर से इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकता है और इसके परिणामस्वरूप एक छेद छोड़ सकता है। इस प्रक्रिया को इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी पीढ़ी के रूप में जाना जाता है। किसी भी बाहरी ऊर्जा स्रोत की अनुपस्थिति में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े लगातार थर्मल ऊर्जा से उत्पन्न होते हैं।

इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े भी पुनः संयोजित करने के लिए उपयुक्त हैं। ऊर्जा के संरक्षण की मांग है कि इन पुनर्संरचना घटनाओं, जिसमें एक इलेक्ट्रॉन बैंड अंतराल से बड़ी मात्रा में ऊर्जा खो देता है, थर्मल ऊर्जा (फोटॉन के रूप में) या विकिरण (फोटॉन के रूप में) के उत्सर्जन के साथ होता है।

कुछ राज्यों में, इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की पीढ़ी और पुनर्मूल्यांकन equipoise में हैं। किसी दिए गए तापमान पर स्थिर स्थिति में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की संख्या क्वांटम सांख्यिकीय यांत्रिकी द्वारा निर्धारित की जाती है। पीढ़ी और पुनर्मूल्यांकन की सटीक क्वांटम यांत्रिक तंत्र ऊर्जा के संरक्षण और गति के संरक्षण द्वारा शासित होते हैं।

संभावना है कि इलेक्ट्रॉनों और छेद एक साथ मिलते हैं, उनकी संख्या के उत्पाद के अनुपात में आनुपातिक होता है, उत्पाद स्थिर स्थिति में स्थिर तापमान में स्थिर होता है, यह देखते हुए कि कोई महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र नहीं है (जो दोनों प्रकार के वाहक “फ्लश” कर सकता है, या उनको पड़ोसी क्षेत्रों से ले जाएं जिनमें से अधिकतर मिलकर मिलते हैं) या बाहरी रूप से संचालित जोड़ी पीढ़ी। यह उत्पाद तापमान का एक कार्य है, क्योंकि तापमान के साथ एक जोड़ी बढ़ने के लिए पर्याप्त थर्मल ऊर्जा प्राप्त करने की संभावना लगभग एक्सप (-ईजी / केटी) है, जहां के बोल्टज़मान स्थिर है, टी पूर्ण तापमान है और ईजी बैंड अंतर है ।

बैठक की संभावना वाहक जाल-अशुद्धता या विघटन से बढ़ जाती है जो एक इलेक्ट्रॉन या छेद को जाल कर सकती है और एक जोड़ी पूरी होने तक इसे पकड़ सकती है। इस तरह के वाहक जाल कभी-कभी जानबूझकर स्थिर स्थिति तक पहुंचने के लिए आवश्यक समय को कम करने के लिए जोड़े जाते हैं।

डोपिंग
सेमीकंडक्टर्स की चालकता को आसानी से उनके क्रिस्टल जाल में अशुद्धियों को पेश करके संशोधित किया जा सकता है। अर्धचालक को नियंत्रित अशुद्धियों को जोड़ने की प्रक्रिया को डोपिंग के रूप में जाना जाता है। एक आंतरिक (शुद्ध) अर्धचालक में जोड़ा गया अशुद्धता, या डोपेंट की मात्रा इसकी चालकता के स्तर को बदलती है। डॉपड अर्धचालक को बाह्य के रूप में जाना जाता है। शुद्ध अर्धचालक को अशुद्धता जोड़कर, विद्युत चालकता हजारों या लाखों कारकों से भिन्न हो सकती है।

धातु या अर्धचालक के 1 सेमी 3 नमूने में 1022 परमाणुओं का क्रम होता है। धातु में, प्रत्येक परमाणु चालन के लिए कम से कम एक मुक्त इलेक्ट्रॉन दान करता है, इस प्रकार धातु के 1 सेमी 3 में 1022 मुक्त इलेक्ट्रॉनों के क्रम में होता है, जबकि 20 डिग्री सेल्सियस पर शुद्ध जर्मेनियम का 1 सेमी 3 नमूना लगभग 4.2 × 1022 परमाणु होता है, लेकिन केवल 2.5 × 1013 मुक्त इलेक्ट्रॉन और 2.5 × 1013 छेद। 0.001% आर्सेनिक (एक अशुद्धता) के अतिरिक्त एक ही मात्रा में अतिरिक्त 1017 मुक्त इलेक्ट्रॉन दान करता है और विद्युत चालकता 10,000 के कारक से बढ़ जाती है।

उपयुक्त डोपेंट के रूप में चुने गए सामग्रियों को डोपेंट और सामग्री को डॉप करने के लिए परमाणु गुणों पर निर्भर करता है। आम तौर पर, वांछित नियंत्रित परिवर्तन उत्पन्न करने वाले डोपेंट को इलेक्ट्रॉन स्वीकार्य या दाताओं के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। दाता अशुद्धियों के साथ डिक किए गए सेमीकंडक्टर्स को एन-टाइप कहा जाता है, जबकि स्वीकार्य अशुद्धियों के साथ डूबे जाने वाले लोगों को पी-प्रकार के रूप में जाना जाता है। एन और पी प्रकार के पदनाम बताते हैं कि कौन सा चार्ज वाहक सामग्री के बहुमत वाले वाहक के रूप में कार्य करता है। विपरीत वाहक को अल्पसंख्यक वाहक कहा जाता है, जो बहुसंख्यक वाहक की तुलना में बहुत कम एकाग्रता पर थर्मल उत्तेजना के कारण मौजूद है।

उदाहरण के लिए, शुद्ध अर्धचालक सिलिकॉन में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं जो प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु को अपने पड़ोसियों को बंधे होते हैं। सिलिकॉन में, सबसे आम डोपेंट समूह III और समूह वी तत्व होते हैं। ग्रुप III तत्वों में सभी तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे उन्हें सिलिकॉन डोप करने के लिए उपयोग किए जाने वाले स्वीकार्य के रूप में कार्य करना पड़ता है। जब एक स्वीकार्य परमाणु क्रिस्टल में एक सिलिकॉन परमाणु को प्रतिस्थापित करता है, तो एक खाली राज्य (एक इलेक्ट्रॉन “छेद”) बनाया जाता है, जो जाली के चारों ओर ले जा सकता है और चार्ज वाहक के रूप में कार्य करता है। ग्रुप वी तत्वों में पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं, जो उन्हें दाता के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है; सिलिकॉन के लिए इन परमाणुओं का प्रतिस्थापन एक अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन बनाता है। इसलिए, बोरॉन के साथ डूप्ड एक सिलिकॉन क्रिस्टल एक पी-प्रकार अर्धचालक बनाता है जबकि एक फॉस्फोरस के साथ एक एन-प्रकार सामग्री में डॉप किया जाता है।

निर्माण के दौरान, वांछित तत्व के गैसीय यौगिकों के संपर्क में अर्धचालक निकाय में डोपेंटों को फैलाया जा सकता है, या आयन प्रत्यारोपण का उपयोग डोपेड क्षेत्रों को सटीक रूप से स्थिति में करने के लिए किया जा सकता है।

अर्धचालक के प्रारंभिक इतिहास
अर्धचालक की समझ का इतिहास सामग्री के विद्युत गुणों पर प्रयोगों के साथ शुरू होता है। 1 9वीं शताब्दी की शुरुआत में प्रतिरोध, सुधार और प्रकाश संवेदनशीलता के नकारात्मक तापमान गुणांक के गुणों को देखा गया था।

थॉमस जोहान सीबेक 1821 में अर्धचालक के कारण प्रभाव को देखने वाले पहले व्यक्ति थे। 1833 में, माइकल फैराडे ने बताया कि जब वे गर्म हो जाते हैं तो चांदी के सल्फाइड के नमूने का प्रतिरोध कम हो जाता है। यह तांबे जैसे धातु पदार्थों के व्यवहार के विपरीत है। 183 9 में, अलेक्जेंड्रे एडमंड बेकेलेल ने प्रकाश, फोटोवोल्टिक प्रभाव से मारा जाने पर ठोस और तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच वोल्टेज का अवलोकन किया। 1873 में विलोबी स्मिथ ने देखा कि सेलेनियम प्रतिरोधक प्रकाश पर गिरने पर प्रतिरोध को कम करते हैं। 1874 में कार्ल फर्डिनेंड ब्रौन ने मेटल सल्फाइड में चालन और सुधार को देखा, हालांकि इस प्रभाव को पीटर मुंक एएफ रोजेंसचॉल्ड (एसवी) ने 1835 में एनालेन डेर फिजिक अंड चेमी के लिए लिखने के लिए बहुत पहले खोजा था, और आर्थर शूस्टर ने पाया कि एक तांबा ऑक्साइड परत तारों में सुधार गुण होते हैं जो तारों को साफ करते समय समाप्त हो जाते हैं। विलियम ग्रिल्स एडम्स और रिचर्ड इवांस डे ने 1876 में सेलेनियम में फोटोवोल्टिक प्रभाव देखा।

इन घटनाओं के एक एकीकृत स्पष्टीकरण के लिए ठोस-राज्य भौतिकी का एक सिद्धांत आवश्यक था जो 20 वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध में काफी विकसित हुआ। 1878 में एडविन हर्बर्ट हॉल ने एक लागू चुंबकीय क्षेत्र, हॉल प्रभाव द्वारा बहने वाले चार्ज वाहकों के विक्षेपन का प्रदर्शन किया। 18 9 7 में जे जे थॉमसन द्वारा इलेक्ट्रॉन की खोज ने ठोस-आधारित चालन के सिद्धांतों को प्रेरित किया। कार्ल बेडेकर ने धातुओं में रिवर्स साइन के साथ हॉल प्रभाव को देखकर, सिद्धांत दिया कि तांबा आयोडाइड में सकारात्मक चार्ज वाहक थे। जोहान कोएनिग्सबर्गर ने 1 9 14 में धातु, इंसुलेटर और “परिवर्तनीय कंडक्टर” के रूप में ठोस सामग्रियों को वर्गीकृत किया, हालांकि उनके छात्र जोसेफ वीस ने 1 9 10 में पीएचडी थीसिस में पहले से ही हैल्बलीटर (आधुनिक अर्थ में अर्धचालक) शब्द पेश किया था। फ़ेलिक्स ब्लोच ने परमाणुओं के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के आंदोलन का एक सिद्धांत प्रकाशित किया 1 9 28 में जाली। 1 9 30 में, बी गधे ने कहा कि अर्धचालक में चालकता अशुद्धता की मामूली सांद्रता के कारण थी। 1 9 31 तक, एलन हेरीज़ विल्सन द्वारा चालन का बैंड सिद्धांत स्थापित किया गया था और बैंड अंतराल की अवधारणा विकसित की गई थी। वाल्टर एच। स्कॉटकी और नेविल फ्रांसिस मोट ने संभावित बाधा के मॉडल और धातु-अर्धचालक जंक्शन की विशेषताओं का विकास किया। 1 9 38 तक, बोरिस डेविडोव ने तांबे-ऑक्साइड रेक्टीफायर का एक सिद्धांत विकसित किया था, पी-एन जंक्शन के प्रभाव की पहचान और अल्पसंख्यक वाहक और सतह राज्यों के महत्व की पहचान की थी।

सैद्धांतिक भविष्यवाणियों (विकासशील क्वांटम यांत्रिकी के आधार पर) और प्रयोगात्मक परिणामों के बीच समझौता कभी-कभी खराब होता था। बाद में जॉन बर्दीन ने सेमीकंडक्टर्स के चरम “संरचना संवेदनशील” व्यवहार के कारण समझाया, जिनके गुण नाटकीय रूप से अशुद्ध मात्रा में अशुद्धता के आधार पर बदलते हैं। 1 9 20 के दशक में वाणिज्यिक रूप से शुद्ध सामग्री जिसमें ट्रेस दूषित पदार्थों के विभिन्न अनुपात होते थे, विभिन्न प्रयोगात्मक परिणाम उत्पन्न करते थे। इसने बेहतर सामग्री परिष्करण तकनीकों के विकास को प्रेरित किया, जो आधुनिक अर्धचालक रिफाइनरियों में भागों-प्रति-ट्रिलियन शुद्धता वाले सामग्रियों का उत्पादन करते हैं।

अर्धचालक का उपयोग करने वाले उपकरणों को पहले अनुभवजन्य ज्ञान के आधार पर बनाया गया था, इससे पहले अर्धचालक सिद्धांत ने अधिक सक्षम और विश्वसनीय उपकरणों के निर्माण के लिए एक गाइड प्रदान किया था।

अलेक्जेंडर ग्राहम बेल ने 1880 में प्रकाश की बीम पर ध्वनि संचारित करने के लिए सेलेनियम की हल्की संवेदनशील संपत्ति का उपयोग किया। 1883 में चार्ल्स फ्रेट्स द्वारा सेलेनियम के साथ लेपित धातु प्लेट और एक पतली परत का उपयोग करके कम दक्षता का एक काम करने वाला सौर सेल बनाया गया था। सोना; डिवाइस 1 9 30 के दशक में फोटोग्राफिक लाइट मीटर में व्यावसायिक रूप से उपयोगी हो गया। 1 9 04 में जगदीश चंद्र बोस द्वारा लीड सल्फाइड से बने पॉइंट-संपर्क माइक्रोवेव डिटेक्टर रेक्टिफायर का उपयोग किया गया था; प्राकृतिक गैलेना या अन्य सामग्रियों का उपयोग कर बिल्ली का व्हिस्कर डिटेक्टर रेडियो के विकास में एक आम उपकरण बन गया। हालांकि, यह ऑपरेशन में कुछ हद तक अप्रत्याशित था और सर्वोत्तम प्रदर्शन के लिए मैन्युअल समायोजन की आवश्यकता थी। 1 9 06 में एचजे दौर ने प्रकाश उत्सर्जन मनाया जब विद्युत प्रवाह सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल के माध्यम से पारित हो गया, प्रकाश उत्सर्जक डायोड के पीछे सिद्धांत। ओलेग लोसेव ने 1 9 22 में इसी तरह के प्रकाश उत्सर्जन को देखा, लेकिन उस समय प्रभाव का कोई व्यावहारिक उपयोग नहीं था। तांबे ऑक्साइड और सेलेनियम का उपयोग करते हुए पावर रेक्टीफायर, 1 9 20 के दशक में विकसित किए गए थे और वैक्यूम ट्यूब रेक्टीफायर के विकल्प के रूप में वाणिज्यिक रूप से महत्वपूर्ण बन गए।

द्वितीय विश्व युद्ध के पहले के वर्षों में, इन्फ्रा-लाल पहचान और संचार उपकरणों ने लीड-सल्फाइड और लीड-सेलेनाइड सामग्री में अनुसंधान को प्रेरित किया। इन उपकरणों का इस्तेमाल जहाजों और विमानों का पता लगाने के लिए किया गया था, इन्फ्रारेड रेंजफिंडर्स के लिए, और वॉयस कम्युनिकेशन सिस्टम के लिए। प्वाइंट-संपर्क क्रिस्टल डिटेक्टर माइक्रोवेव रेडियो सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण बन गया, क्योंकि उपलब्ध वैक्यूम ट्यूब डिवाइस 4000 मेगाहट्र्ज से ऊपर डिटेक्टरों के रूप में काम नहीं कर सके; क्रिस्टल डिटेक्टरों की तेज प्रतिक्रिया पर निर्भर उन्नत रडार सिस्टम। निरंतर गुणवत्ता के डिटेक्टरों को विकसित करने के लिए युद्ध के दौरान सिलिकॉन सामग्रियों का काफी अनुसंधान और विकास हुआ।

डिटेक्टर और पावर रेक्टीफायर सिग्नल को बढ़ा नहीं सकते थे। ठोस-राज्य एम्पलीफायर विकसित करने के लिए कई प्रयास किए गए थे और पॉइंट संपर्क ट्रांजिस्टर नामक डिवाइस विकसित करने में सफल रहे जो 20 डीबी या उससे अधिक बढ़ा सकता है। 1 9 22 में ओलेग लोसेव ने रेडियो के लिए दो टर्मिनल, नकारात्मक प्रतिरोध एम्पलीफायर विकसित किए, और सफल समापन के बाद वह लेनिनग्राद के घेराबंदी में मर गए। 1 9 26 में जूलियस एडगर लिलिएनफेल्ड ने एक आधुनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर जैसा डिवाइस पेटेंट किया, लेकिन यह व्यावहारिक नहीं था। 1 9 38 में आर हिल्श और आरडब्ल्यू पोहल ने एक वैक्यूम ट्यूब के नियंत्रण ग्रिड जैसा संरचना का उपयोग करके एक ठोस-राज्य एम्पलीफायर का प्रदर्शन किया; यद्यपि डिवाइस ने बिजली लाभ प्रदर्शित किया, लेकिन प्रति सेकंड एक चक्र की कट ऑफ आवृत्ति थी, जो किसी भी व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत कम थी, लेकिन उपलब्ध सिद्धांत का एक प्रभावी अनुप्रयोग था। बेल लैब्स में, विलियम शॉकली और ए होल्डन ने 1 9 38 में ठोस-राज्य एम्पलीफायरों की जांच शुरू कर दी। 1 9 41 के बारे में रसेल ओहल द्वारा सिलिकॉन में पहला पी-एन जंक्शन देखा गया, जब एक नमूना हल्का संवेदनशील पाया गया, तेज सीमा के साथ पी-प्रकार अशुद्धता के बीच एक तरफ और एन-प्रकार दूसरे पर। पी-एन सीमा पर नमूने से एक टुकड़ा कटौती प्रकाश के संपर्क में एक वोल्टेज विकसित किया।

फ्रांस में, युद्ध के दौरान, हरबर्ट मातरे ने जर्मेनियम बेस पर आसन्न बिंदु संपर्कों के बीच प्रवर्धन देखा था। युद्ध के बाद, माल्टे के समूह ने बेल लैब्स ने “ट्रांजिस्टर” की घोषणा के कुछ ही समय बाद ही “ट्रांजिस्टर” एम्पलीफायर की घोषणा की।