अर्धवाहक
अणु ची संरचना कशी असते ? .
बोहरचे अणु मॉडेल किंवा बोहरचा अणु सिद्धांत:
बोहरच्या अणु सिद्धांतानुसार
1) अणूमध्ये धन प्रभारित केलेले न्यूक्लियस असते ज्याभोवती ऋण प्रभारित इलेक्ट्रॉन वेगवेगळ्या वर्तुळाकार कक्षांमध्ये फिरतात.
२) इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती ठराविक मार्गाने फिरतो ज्यास कक्षा असे म्हणतात.
3) प्रत्येक स्थिर अनुमत(Fixed allowed) कक्षेतील इलेक्ट्रॉन्समध्ये विशिष्ट ऊर्जा असते. मोठ्या कक्षेतील इलेक्ट्रॉनमध्ये जास्त ऊर्जा असते.
4) इलेक्ट्रॉनला अतिरिक्त ऊर्जा दिल्यास व तो उच्च कक्षेत उचलला गेला, तर इलेक्ट्रॉन अणू बाहेर पडला असे म्हटले जाते. ही अवस्था फार काळ टिकत नाही कारण इलेक्ट्रॉन लवकरच खालच्या कक्षेच्या मूळ स्थितीत परत येतो. जेव्हा तो परत खालच्या कक्षेत येतो तेव्हा तो इलेक्ट्रॉन प्रकाश, उष्णता किंवा इतर कोणत्याही उर्जेच्या रूपात दोन उर्जेच्या पातळीतील फरकाइतकी उर्जा बाहेर सोडतो.
२. उर्जा संच व ऊर्जा पातळी म्हणजे काय ? a ) conduction band b) Valance Band c) Forbidden energy band म्हणजे काय ?
एका स्वतंत्र अणूमध्ये ठराविक कक्षा असतात. प्रत्येक कक्षामध्ये निश्चित ऊर्जा असते. इलेक्ट्रॉन आणि न्यूक्लियसमधील अंतर जितके जास्त आहे तितकी इलेक्ट्रॉनची एकूण ऊर्जा जास्त आहे. कक्षांची उर्जा दर्शविण्याच्या पद्धतीला ऊर्जा पातळी असे म्हणतात.
शेवटच्या कक्षेत असलेल्या इलेक्ट्रॉनांना व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन म्हणतात. हे इलेक्ट्रॉन न्यूक्लियसशी सैलपणे जोडलेले असतात. ज्या इलेक्ट्रॉन्समध्ये व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉनपेक्षा जास्त ऊर्जा असते आणि ते न्यूक्लियसशी जोडलेले नसतात त्यांना मुक्त इलेक्ट्रॉन म्हणतात.
घन पदार्थांमध्ये, अनेक अणू एकत्र आणले जातात, जे कक्षाच्या ऊर्जेच्या पातळीवर परिणाम करतात, उदा. जर घनामध्ये 10 लक्ष अणू असतील तर प्रथम कक्षेतील अगदी जवळच्या अंतरावरील 10 लक्ष उर्जा पातळी अस्तित्वात असतील. जवळच्या अंतरावरील ऊर्जा पातळीच्या या गटाला ‘एनर्जी बँड’ म्हणतात. त्याचप्रमाणे दुसरी आणि उच्च कक्षा देखील ऊर्जा बँड तयार करते.
व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन्सने व्यापलेल्या ऊर्जेच्या पट्ट्याला ‘व्हॅलेन्स बँड’( valence band ) म्हणतात. वहन किंवा मुक्त इलेक्ट्रॉन्सच्या ताब्यात असलेल्या ऊर्जेच्या पट्ट्याला ‘कंडक्शन बँड’ (conduction Band ) म्हणतात. वहन आणि व्हॅलेन्स बँडमधील ऊर्जा अंतराला निषिद्ध ऊर्जा अंतर (Forbidden Energy Gap) म्हणतात
३. वाहक दुर्वाहक व अर्धवाहकाचा उर्जा संच कसा असतो ?
कंडक्टर : ज्या मटेरियलमध्ये व्हॅलेन्स आणि कंडक्शन बँड एकमेकांत मिसळलेले (ओव्हरलॅप केलेले) असतात त्यांना कंडक्टर म्हणतात. त्यात निषिद्ध ऊर्जा अंतर(Forbidden energy gap) नसते.
इन्सुलेटर: ज्या मटेरियलमध्ये पूर्ण भरलेले व्हॅलेन्स बँड आणि पूर्ण रिकामा वहन बँड असतो त्यांना इन्सुलेटर म्हणतात. त्यात मोठ्या प्रमाणात निषिद्ध ऊर्जा अंतर असते.
सेमीकंडक्टर: ज्या पदार्थामध्ये सामान्य तपमानाला जवळजवळ पूर्ण व्हॅलेन्स बँड आणि अंशतः रिकामा वहन बँड असतो त्याला सेमीकंडक्टर म्हणतात. त्यात लहान निषिद्ध ऊर्जा अंतर आहे.
४. शुद्ध सेमी कंडक्टर म्हणजे काय ? त्याची रचनाकृती काढा
अर्धवाहक त्याच्या अत्यंत शुद्ध स्वरुपात एक आंतरिक अर्धसंवाहक म्हणून ओळखला जातो.
उदा. अत्यंत शुद्ध जर्मेनियम आणि सिलिकॉन.
शुद्ध अर्धवाहकांच्या बाबतीत निषिद्ध ऊर्जा अंतर इतके कमी असते की सामान्य तापमानालाही व्हॅलेन्स बँड मधील अनेक इलेक्ट्रॉन वहन बँडमध्ये प्रवेश करतात. पण जेव्हा जेव्हा इलेक्ट्रॉन कंडक्शन बँडमध्ये प्रवेश करतात तेव्हा आकृती-a आणि b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे व्हॅलेन्स बँडमध्ये धन ऊर्जा पोकळी तयार होते .याला होल असे म्हणतात .
अंतर्गत सेमी-कंडक्टरमध्ये इलेक्ट्रॉन आणि होल्सची संख्या सारखीच असते आणि म्हणून फर्मीची पातळी कंडक्शन बँड आणि व्हॅलेन्स बँडच्या मध्यभागी असते.
५. डोपिंग म्हणजे काय ? त्याची गरज काय ?
शुद्ध सेमीकंडक्टर मध्ये इतर मूलद्रव्य मिश्रित करणे म्हणजे डोपिंग होय. शुद्ध सेमीकंडक्टर ची वाहता कमी असते आणि ती वाढावी किंवा आपल्याला हवी तेवढी ठेवता यावी यासाठी शुद्ध सेमीकंडक्टर मध्ये इतर मूलद्रव्य मिश्रित करतात.
६. अशुद्ध सेमी कंडक्टर म्हणजे काय ?त्याचे प्रकार सांगा .
जेव्हा काही योग्य अशुद्धता (इतर घटक) आंतरिक अर्ध-वाहक मध्ये जोडली जाते तेव्हा तयार होणाऱ्या अर्ध-वाहकास बाह्य अर्ध-वाहक म्हणतात. डोपिंगचा उद्देश शुद्ध अर्ध-वाहक पदार्थामध्ये सामान्य तापमानात करंट वाहून नेण्याची क्षमता वाढवणे आहे.
त्यानुसार वाहकता वाढविण्याच्या दोन पद्धती आहेत आणि म्हणून दोन प्रकारचे बाह्य अर्ध-वाहक असतात .
N -टाइप एक्स्ट्रिन्सिक सेमी-कंडक्टर:
1) मुक्त इलेक्ट्रॉन्सची संख्या वाढवायची असेल तर शुद्ध अर्धवाहक मध्ये आर्सेनिक, फॉस्फरस, अँटीमोनी यांसारखी पेंटाव्हॅलेंट ( ज्याची संयुजा ५ आहे ) अशुद्धता जोडणे आवश्यक आहे.या निर्मितीला एन-टाइप एक्स्ट्रिन्सिक सेमी-कंडक्टर म्हणतात.
P-प्रकार एक्स्ट्रिन्सिक सेमी-कंडक्टर:
२) होल्स ची संख्या वाढवायची असेल तर शुद्ध अर्धसंवाहकामध्ये अॅल्युमिनियम, बोरॉन, गॅलियम यांसारखी त्रिसंयोजक( ज्याची संयुजा ३ आहे ) अशुद्धता जोडणे आवश्यक आहे. या निर्मितीला P-प्रकार बाह्य अर्धवाहक म्हणतात.
७. एन प्रकारचा सेमी कंडक्टर कसा तयार करतात ? त्याची रचनाकृती काढा .
शुद्ध जर्मेनियम सिलिकॉनमध्ये फॉस्फरस (P) किंवा अँटीमोनी (Sb) सारखी पेंटाव्हॅलेंट अशुद्धता शुद्ध सेमीकंडक्टर मध्ये मिश्रित केल्यास एन प्रकारचा अर्ध-वाहक प्राप्त होतो. खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे. प्रत्येक पेंटाव्हॅलेंट अशुद्धता अणू उदा. अँटीमनी त्याच्या पाच पैकी चार इलेक्ट्रॉनच्या सहाय्याने चार जर्मेनियम अणूंसह सहसंयोजक बंध तयार करते.
पाचवा इलेक्ट्रॉन हा अँटीमोनी अणूशी बंधरहित असतो (या इलेक्ट्रॉनला जादा/अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन म्हणतात) त्यामुळे विद्युत क्षेत्राच्या वापराने तो व्हॅलेन्स बँडपासून कंडक्शन बँडपर्यंत सहज उत्तेजित होऊ शकतो. अशाप्रकारे प्रत्येक अँटीमोनी अणू जर्मेनियममध्ये एका मुक्त इलेक्ट्रॉनचे योगदान देते आणि शुद्ध जर्मेनियमला एन-प्रकारचे बाह्य अर्ध-वाहक बनवते.
अशा प्रकारे, एन-प्रकार सेमीकंडक्टरमध्ये,
मुक्त इलेक्ट्रॉनची संख्या होल्स च्या संख्येपेक्षा जास्त आहे
मुक्त इलेक्ट्रॉन्सची संख्या धन अचल आयनांची संख्या समान आहे
फर्मीची पातळी कंडक्शन बँडकडे सरकली आहे.
८. पी प्रकारचा सेमी कंडक्टर कसा तयार करतात ? त्याची रचनाकृती काढा .
शुद्ध जर्मेनियम सिलिकॉन मध्ये बोरॉन (B) किंवा इंडियम (In) सारखी त्रिसंयोजक अशुद्धता मिश्रित केल्यास पी प्रकारचा अर्ध-वाहक प्राप्त होतो. खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे. प्रत्येक बोरॉन अणू त्याच्या तीन इलेक्ट्रॉनांच्या मदतीने तीन जर्मेनियम अणूभोवती सहसंयोजक बंध तयार करतो. चौथा जर्मेनियम अणू बंधरहित राहतो म्हणजे इलेक्ट्रॉनची रिक्तता/कमतरता राहते. ज्यामुळे होल तयार होते.
अशा प्रकारे पी-प्रकार सेमीकंडक्टरमध्ये,
होल्स ची संख्या मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या संख्येपेक्षा जास्त आहे
होल्सच्या एवढेच ऋण अचल आयनांची संख्या असते.
फर्मीची पातळी व्हॅलेन्स बँडकडे सरकलेली असते.
९. तुलना करा : पी प्रकारचा सेमी कंडक्टर, एन प्रकारचा सेमी कंडक्टर.
१०. फर्मीची पातळी म्हणजे काय ? सेमीकंडक्टर मधील इलेक्ट्रॉनिक व होल्स करंट म्हणजे काय ?
फर्मीची पातळी:
मुक्त इलेक्ट्रॉन्स आणि होल्सच्या वाढीचे प्रमाण दर्शविणाऱ्या ऊर्जा पातळीला फर्मी पातळी म्हणतात. वरील एनर्जी बँड आकृतीचा संदर्भ घ्या.
सेमीकंडक्टर मधील इलेक्ट्रॉनिक व होल्स करंट:
जेव्हा पूर्ण शून्य (00K) पेक्षा जास्त तापमानात आंतरिक अर्ध-वाहक वर इलेक्ट्रिक फील्ड लागू केले जाते, तेव्हा मुक्त इलेक्ट्रॉन बॅटरीच्या -ve टर्मिनलकडून बॅटरीच्या +ve टर्मिनलकडे हलवले जातात. तसेच होल्स +ve टर्मिनलम कडून बॅटरीच्या –ve टर्मिनलकडे हलविले जातात. यावरून असे दिसून येते की सेमी-कंडक्टर करंटमध्ये इलेक्ट्रॉनची हालचाल असते ज्याला इलेक्ट्रॉनिक करंट म्हणतात आणि विरुद्ध दिशेने होल्सची हालचाल असते. ज्याला होल्स करंट म्हणून ओळखले जाते.
११.पी एन जंक्शन म्हणजे काय ? ते कसे तयार होते ?
जेव्हा पी-टाइप सेमीकंडक्टरला एन-टाइप सेमीकंडक्टरशी विशिष्टरित्या जोडले जाते जेणेकरुन सेमीकंडक्टरचा तुकडा एकसंध राहतो तेव्हा P आणि N प्रकारच्या सेमीकंडक्टरची सीमा , P-N जंक्शन म्हणून ओळखली जाते.
P-N जंक्शनच्या निर्मिती दरम्यान दोन गोष्टी घडतात
1) जंक्शनजवळ दोन्ही बाजूंना अचल आयनांचा एक पातळ थर तयार होतो . ज्याला ‘डिप्लेशन लेयर’ म्हणतात .
२) अचल आयनांच्या चार्जमुळे एन-टाइप सेमीकंडक्टरच्या बाजूला पॉझिटिव्ह पोटेंशिअल तयार होते आणि पी-टाइप सेमीकंडक्टरच्या बाजूला निगेटिव्ह पोटेंशिअल तयार होते, यामुळे जंक्शनवर विभवांतर निर्माण होते . ज्याला ‘ पोटेन्शियल बॅरीअर ’ (विद्युत दाबाचा अडथळा) म्हणून ओळखले जाते.
१२. डीप्लेशन लेयर म्हणजे काय ? ती कशी तयार होते ? अन बायास
P-N जंक्शन म्हणज काय ?
जेव्हा पी-टाइप सेमी-कंडक्टर योग्यरित्या एन-टाइप सेमी-कंडक्टरशी जोडला जातो तेव्हा संपर्क पृष्ठभागाला पीएन-जंक्शन म्हणतात आणि संयोजनाला पीएन-जंक्शन डायोड म्हणतात. वरील आकृतीमध्ये दाखवल्याप्रमाणे N-प्रकारच्या मटेरियलमध्ये बहुसंख्य वाहक म्हणून इलेक्ट्रॉन असतात आणि P-प्रकारच्या मटेरियलमध्ये बहुसंख्य वाहक म्हणून होल्स असतात. जेव्हा दोन्ही भाग PN-जंक्शन तयार करण्यासाठी योग्यरित्या एकत्र केले जातात तेव्हा N-प्रकारच्या सेमीकंडक्टर मधील इलेकट्रोन्सना जंक्शन ओलांडून पी-प्रकारच्या सेमीकंडक्टरमधील होल्स बरोबर संयोग पावण्याची प्रवृत्ती निर्माण होते . जेव्हा इलेक्ट्रॉन N-प्रकारचा सेमीकंडक्टर सोडतो तेव्हा ते N-प्रकारच्या सेमीकंडक्टर मध्ये +ve आयन निर्माण करतात आणि जेव्हा ते P-प्रकारच्या सेमीकंडक्टर होल्सशी पुन्हा संयोगित होते तेव्हा होल्स अदृश्य होतात आणि संबंधित अणू ऋण चार्ज होतो.
अशा प्रकारे, प्रत्येक वेळी जेव्हा इलेक्ट्रॉन जंक्शन ओलांडतो तेव्हा तो आकृतीमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे स्थिर आयनची जोडी तयार करतो. आयनची संख्या वाढल्याने प्रभार वाढतो आणि होल्स आणि इलेक्ट्रॉन च्या पुढील हालचालींविरूद्ध अडथळा स्थापित केला जातो, या अडथळ्याला पोटॅन्शिअल किंवा जंक्शन बॅरीअर (अडथळा) असे म्हणतात.
या जंक्शन बॅरियरच्या बाहेर दोन्ही बाजूंनी सेमीकंडक्टर अजूनही प्रभाररहित आहे. फक्त अडथळ्याच्या आत N-प्रकार वर +ve चार्ज आणि P बाजूला -ve चार्ज आहे. या भागाला डिप्लेशन लेयर किंवा अडथळा क्षेत्र असे म्हणतात.
ज्या स्थितीत P-N जंक्शन ला बाहेरून व्होल्टेज दिलेले नसते या स्थितीला P-N जंक्शन अन बायास आहे से म्हणतात.
जेव्हा बाह्य व्होल्टेज पीएन-जंक्शनवर लागू केले जाते, तेव्हा असे म्हटले जाते, तेव्हा P-N जंक्शन बायस केले आहे असे म्हणतात.
१३. पी.एन. जंक्शन ला फॉरवर्ड बायस करणे म्हणजे काय ? त्याचा पी.एन. जंक्शनवर काय परिणाम होतो ?
जेव्हा बॅटरीचे पॉझिटिव्ह टर्मिनल पी-टाइप सेमीकंडक्टरशी जोडलेले असते आणि बॅटरीचे नेगेटिव्ह टर्मिनल एन-टाइप सेमीकंडक्टरशी जोडलेले असते तेव्हा अशा कनेक्शनला फॉरवर्ड बायस असे म्हणतात.
जेव्हा PN-जंक्शन फॉरवर्ड बायस्ड असते तेव्हा बॅटरीच्या पॉझिटिव्ह टर्मिनलद्वारा पी-टाइप सेमीकंडक्टर मधील होल्स जंक्शनकडे ढकलले जातात . त्याचप्रमाणे, एन -टाइप सेमीकंडक्टर मधील इलेक्ट्रॉन्स बॅटरीच्या नेगेटिव्ह टर्मिनल द्वारा जंक्शनकडे ढकलले जातात. यामुळे जंक्शनचा अडथळा( Potential barrier) कमी होतो. जंक्शन अडथळा ( Potential barrier) पूर्णपणे काढून टाकण्यासाठी आवश्यक बाह्य व्होल्टेजचे प्रमाण सिलिकॉन डायोडसाठी 0.7V आणि जर्मेनियम डायोडसाठी 0.3V आहे.
जसे इलेक्ट्रॉन्स N क्षेत्र सोडतात तसतसे बॅटरीच्या ऋण टर्मिनलमधून समान संख्येने इलेक्ट्रॉन N क्षेत्रामध्ये प्रवेश करतात. त्याचप्रमाणे इलेक्ट्रॉन्सच्या पुनर्संयोजनामुळे होल नष्ट होतात व बॅटरीच्या पॉझिटिव्ह टर्मिनलद्वारे P क्षेत्रातून समान संख्येने इलेक्ट्रॉन खेचून P क्षेत्रामध्ये समान संख्येने होल्स तयार केली जातात.
ही क्रिया जोपर्यंत बाह्य विद्युत दाब Potential barrier पेक्षा जास्त आहे तोपर्यंत चालू राहते त्यामुळे डायोडमधून विद्युत प्रवाह वाहू लागतो. डायोड या स्थितीत बंद स्विच म्हणून कार्य करते.
१४. PN जंक्शन डायोड फॉरवर्ड बायस्ड असताना ची V- I अभिलक्षणे स्पष्ट करा.
डायोडमधून वाहणारा विद्युत् प्रवाह Y अक्षावर व डायोडला दिलेले फॉरवर्ड व्होल्टेज X अक्षावर घेऊन काढलेल्या आलेखाला फॉरवर्ड बायस्ड डायोडची V-I अभिलक्षणे असे म्हणतात. आलेख स्पष्ट करतो की knee व्होल्टेज नावाच्या विशिष्ट क्रिटिकल व्होल्टेजच्या खाली, फॉरवर्ड करंट जवळजवळ शून्य आहे. knee व्होल्टेजच्या वर, जंक्शन अडथळा दूर केल्यानंतर फॉरवर्ड करंट वेगाने वाढतो.
जंक्शन अडथळा ( Potential barrier) पूर्णपणे काढून टाकण्यासाठी आवश्यक बाह्य फॉरवर्ड व्होल्टेजचे प्रमाण सिलिकॉन डायोडसाठी 0.7V आणि जर्मेनियम डायोडसाठी 0.3V आहे.
१५. पी.एन. जंक्शन ला रिव्हर्स बायस करणे म्हणजे काय ? त्याचा पी.एन. जंक्शनवर काय परिणाम होतो ?
जेव्हा बॅटरीचे पॉझिटिव्ह टर्मिनल एन-टाइपशी जोडलेले असते आणि बॅटरीचे नेगेटिव्ह टर्मिनल पी-प्रकार अर्ध-वाहकशी जोडलेले असते, तेव्हा अशा कनेक्शनला रिव्हर्स बायस असे म्हणतात.
या स्थितीत , P-क्षेत्रात होल्स बहुसंख्य वाहक असतात आणि ते बॅटरीच्या –ve टर्मिनलकडे आकर्षित होतात.
N-क्षेत्रात इलेक्ट्रॉन बहुसंख्य वाहक असतात आणि ते बॅटरीच्या +ve टर्मिनलकडे आकर्षित होतात.
या घटनेमुळे जंक्शन अडथळा थराची रुंदी वाढते आणि त्यामुळे अडथळ्याची क्षमता वाढते. त्यामुळे छिद्र आणि इलेक्ट्रॉन यांना जंक्शन ओलांडणे अवघड आहे. म्हणून, जंक्शनमधून कोणताही विद्युत प्रवाह वाहत नाही, म्हणजे PN- जंक्शन डायोड नॉन कंडक्टिंग स्थितीत राहतो.
जर आपण रिव्हर्स बायस्ड व्होल्टेज अधिकाधिक वाढवले तर डिप्लीशन लेयरची रुंदी वाढेल, होल्स आणि इलेक्ट्रॉन्स दरम्यान विकसित इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड इतके मजबूत बनते की सेमीकंडक्टर नष्ट करण्यासाठी किंवा खराब करण्यासाठी अर्ध-वाहक च्या संरचनेतून स्थिर आयन खेचतील. व त्यामुळे जंक्शनमधून मोठा प्रवाह वाहील. ज्या व्होल्टेजला, संरचनेचे विघटन होते, त्याला ब्रेक-डाउन व्होल्टेज असे म्हणतात. या प्रकारच्या ब्रेकडाउनला हिमस्खलन/ अव्हेलंच ब्रेक डाउन( avalanche break down ) असे म्हणतात.
१६. लिकेज करंट म्हणजे काय ? तो कशावर अवलंबून असतो ?
पीएन-जंक्शन डायोडला रिव्हर्स बायस असताना , ब्रेकडाउनपूर्वी, जंक्शन मधून प्रवाह केवळ अल्पसंख्याक वाहकांमुळे वाहील . अल्पसंख्याक वाहकांमुळे वाहणाऱ्या या प्रवाहाला रिव्हर्स सॅचुरेशन करंट किंवा लीकेज करंट म्हणतात.अल्पसंख्याक वाहकांची संख्या ही पदार्थाच्या तापमानावर अवलंबून असते. त्यामुळे लिकेज करंट हा तापमानानुसार बदलतो.
१७. P-N जंक्शन डायोड रिव्हर्स बायस्ड असताना ची V- I अभिलक्षणे स्पष्ट करा.
डायोडमधून वाहणारा विद्युत् प्रवाह Y अक्षावर आणि डायोडला दिलेले रिव्हर्स व्होल्टेज X अक्षावर घेऊन काढलेल्या आलेखाला रिव्हर्स बायस्ड डायोडची V-I अभिलक्षणे असे म्हणतात. आलेख स्पष्ट करतो की ब्रेकडाउन व्होल्टेज नावाच्या विशिष्ट क्रिटिकल व्होल्टेजच्या खाली, करंट जवळजवळ शून्य आहे. ब्रेकडाउन व्होल्टेजच्या वर, डायोडच्या ब्रेकडाउनमुळे विद्युत् प्रवाह वेगाने वाढतो
