सेमीकंडक्टर आज की तकनीक में सबसे आवश्यक घटकों में से एक है, जो स्मार्टफोन से लेकर कंप्यूटर तक हमारे दैनिक जीवन में उपयोग किए जाने वाले विभिन्न प्रकार के उपकरणों में मौजूद है। बिजली के प्रवाह को कुशलतापूर्वक और आर्थिक रूप से नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के कारण, इस प्रकार की सामग्री ने पिछले कुछ वर्षों में उद्योगों में क्रांति ला दी है। हालाँकि, सभी अर्धचालक एक जैसे नहीं होते हैं, और यहीं पर दो शब्द सामने आते हैं जो उन लोगों के लिए भ्रमित करने वाले हो सकते हैं जो इस क्षेत्र से परिचित नहीं हैं: आंतरिक और बाह्य अर्धचालक।
इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, इन दो प्रकार के अर्धचालकों के बीच अंतर जानना यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि उपकरण कैसे काम करते हैं, और क्यों कुछ एप्लिकेशन एक को दूसरे से अधिक पसंद करते हैं। इस लेख में, हम दोनों प्रकार के अर्धचालकों की विशेषताओं का पूरी तरह से विश्लेषण करेंगे और उनकी संरचना उनके व्यवहार को कैसे प्रभावित करती है। अपने न्यूरॉन्स तैयार करें क्योंकि हम सामग्री भौतिकी और आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के स्तंभों में से एक में गोता लगाने वाले हैं!
एक आंतरिक अर्धचालक क्या है?
L आंतरिक अर्धचालक उनकी एक शुद्ध संरचना होती है, जिसका अर्थ है कि उनमें डोपिंग प्रक्रिया के माध्यम से लाई गई कोई अशुद्धता नहीं होती है। इस प्रकार के अर्धचालक को सामग्री की 'जमीनी अवस्था' माना जाता है, क्योंकि इसके विद्युत गुण विशेष रूप से सामग्री की आंतरिक विशेषताओं पर निर्भर करते हैं। सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) सबसे आम आंतरिक अर्धचालक हैं, क्योंकि उनके इलेक्ट्रॉनिक गुण उन्हें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में उपयोग के लिए आदर्श बनाते हैं।
कमरे के तापमान पर, आंतरिक अर्धचालकों में कमजोर विद्युत चालकता होती है। हालाँकि, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, उनके वैलेंस शेल में इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में कूदने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं, जिससे करंट प्रवाहित होता है। यह घटना उन अनुप्रयोगों के लिए आंतरिक अर्धचालकों को काफी दिलचस्प सामग्री बनाती है जहां गर्मी के माध्यम से चालकता के कठोर नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि शुद्ध अर्धचालक में, चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों की संख्या और वैलेंस बैंड में छिद्रों की संख्या समान होती है। इसके परिणामस्वरूप दोनों चार्ज वाहकों के बीच एक सही संतुलन होता है, जो बताता है कि आंतरिक सामग्री में चालकता एक बहुत साफ और व्यवस्थित घटना है।
बाह्य अर्धचालक क्या है?
आंतरिक अर्धचालक के विपरीत, बाह्य अर्धचालक वे वे हैं जिनकी ड्राइविंग क्षमता में सुधार के लिए अशुद्धियों को मिलाया गया है। ये अशुद्धियाँ आम तौर पर त्रिसंयोजक (जैसे एल्यूमीनियम) या पेंटावैलेंट (जैसे फॉस्फोरस) तत्वों से आती हैं, और जब नियंत्रित मात्रा में जोड़ा जाता है, तो वे आधार अर्धचालक के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बदल देते हैं। यह डोपिंग इलेक्ट्रॉन सुपरसैचुरेशन (एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स) या होल सुपरसैचुरेशन (पी-टाइप सेमीकंडक्टर्स) बनाता है।
एन-प्रकार के अर्धचालक वे होते हैं जिनमें सामग्री को ऐसे तत्वों के साथ मिलाया गया है जिनमें सहसंयोजक बंधनों के लिए अर्धचालक की आवश्यकता से अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं। यह अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन गति करने के लिए स्वतंत्र है, जिससे सामग्री की चालकता काफी बढ़ जाती है। फॉस्फोरस, एंटीमनी और आर्सेनिक एन-प्रकार के अर्धचालक बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले डोपेंट के सामान्य उदाहरण हैं।
दूसरी ओर, पी-प्रकार के अर्धचालक वे होते हैं जहां सामग्री को ऐसे तत्वों से मिलाया जाता है जिनमें सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए कम इलेक्ट्रॉन उपलब्ध होते हैं, जो छिद्रों का निर्माण करता है। ये छेद मोबाइल पॉजिटिव चार्ज की तरह व्यवहार करते हैं जो करंट को गुजरने देते हैं। बोरान, गैलियम और इंडियम डोपेंट तत्वों के उदाहरण हैं जिनका उपयोग पी-प्रकार अर्धचालक बनाने के लिए किया जाता है।
आंतरिक और बाह्य अर्धचालकों के बीच तुलना
आंतरिक और बाह्य दोनों अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स में एक मौलिक भूमिका निभाते हैं, लेकिन उनका अंतर उनकी रासायनिक संरचना और कुछ शर्तों के तहत उनके व्यवहार में निहित है। आगे, हम दोनों प्रकार के अर्धचालकों के बीच प्रमुख विशेषताओं की एक विस्तृत तुलना करने जा रहे हैं:
- सामग्री शुद्धता: आंतरिक अर्धचालक पूरी तरह से शुद्ध होते हैं, जबकि बाह्य अर्धचालकों को उनकी चालकता में सुधार करने के लिए अशुद्धियों के साथ मिलाया गया है।
- विद्युत चालकता: आंतरिक अर्धचालकों में बाहरी अर्धचालकों की तुलना में बहुत कम चालकता होती है। आंतरिक चालकता केवल तापमान भिन्नता पर निर्भर करती है।
- भार वाहक: आंतरिक अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉनों की संख्या और छिद्रों की संख्या बराबर होती है। बाह्य अर्धचालकों में, डोपिंग के कारण यह समता टूट जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन (एन-प्रकार) या छेद (पी-प्रकार) हो जाते हैं।
- प्रौद्योगिकी और अनुप्रयोग: विद्युत संचालन की अधिक क्षमता के कारण बाह्य अर्धचालक व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयोगी होते हैं। वे ट्रांजिस्टर और डायोड सहित लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार हैं।
पी-प्रकार और एन-प्रकार अर्धचालक
दो मुख्य प्रकार के बाह्य अर्धचालकों में से एन-प्रकार अर्धचालक इसमें अधिक मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, जबकि पी-प्रकार अर्धचालक इसमें छेद अधिक हैं. एन-प्रकार के अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉन बिजली का संचालन करने के लिए मुख्य आवेशित कणों के रूप में कार्य करते हैं, जबकि पी-प्रकार के अर्धचालकों में, छेद (सकारात्मक आवेशित कण) विद्युत प्रवाह को सक्षम करते हैं।
दोनों प्रकारों के बीच सबसे महत्वपूर्ण अंतर यह है कि बाहरी शक्ति स्रोत से कनेक्ट होने पर वे कैसे व्यवहार करते हैं। जब दो क्षेत्रों (पीएन) के बीच संभावित अंतर लागू किया जाता है, तो हम इसे क्या कहते हैं एक पीएन जंक्शन, डायोड जैसे उपकरणों के संचालन के लिए महत्वपूर्ण संरचना। जब जंक्शन एक दिशा में "ध्रुवीकृत" होता है, तो यह करंट को पारित करने की अनुमति देता है; यदि ध्रुवता उलट जाती है, तो यह एक इन्सुलेटर के रूप में काम करता है।
बाह्य अर्धचालकों में डोपिंग का महत्व
बाह्य अर्धचालकों में, डोपिंग प्रक्रिया अर्धचालक क्रिस्टल के प्राकृतिक संतुलन को बदलने और उसकी चालन क्षमता को बढ़ाने के लिए उसमें अशुद्धियाँ डालती है। एन-प्रकार अर्धचालक बनाने के लिए, पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉनों वाले डोपेंट का उपयोग किया जाता है, जबकि पी-प्रकार अर्धचालकों के लिए, आधार सामग्री को उन तत्वों के साथ डोप किया जाता है जिनमें केवल तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं। यह प्रक्रिया सीधे सामग्री के विद्युत गुणों को प्रभावित करती है, जिससे उन अनुप्रयोगों में इसकी दक्षता में सुधार होता है जहां वर्तमान का सटीक नियंत्रण आवश्यक है।
यह डोपिंग आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के अन्य आवश्यक घटकों के बीच, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट के निर्माण जैसे विभिन्न प्रकार के उपयोगों में तब्दील हो जाती है।
बाह्य और आंतरिक अर्धचालकों के अनुप्रयोग
आंतरिक अर्धचालकों का उनकी कम चालकता के कारण सीमित अनुप्रयोग होता है। हालाँकि, वे ऐसे वातावरण में उपयोगी हैं जहाँ तापमान परिवर्तन पर सटीक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है, जैसे तापमान सेंसर में। दूसरी ओर, बाह्य अर्धचालक, अपनी बेहतर प्रवाहकीय क्षमताओं के कारण, ट्रांजिस्टर से लेकर डायोड और एकीकृत सर्किट तक, विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाते हैं।
उदाहरण के लिए, माइक्रोप्रोसेसरों में, बाहरी एन-प्रकार और पी-प्रकार अर्धचालकों के संचालन और गैर-संचालन राज्यों के बीच स्विच करने की क्षमता कंप्यूटर को तार्किक संचालन, भंडारण और जानकारी को कुशलतापूर्वक संसाधित करने की अनुमति देती है।
उल्लेखनीय है कि अर्धचालकों का क्षेत्र लगातार विकसित हो रहा है, और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) जैसी अर्धचालक सामग्रियों में हाल की प्रगति के साथ, तेजी से और अधिक कुशल उपकरण विकसित किए जा रहे हैं।
इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए, आंतरिक और बाह्य अर्धचालकों के बीच अंतर को समझना न केवल अधिक कुशल उपकरणों को डिजाइन करने के लिए आवश्यक है, बल्कि मौजूदा प्रौद्योगिकियों में सुधार करने के लिए भी आवश्यक है।