14.1 ಪರಿಚಯ

ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ನಿಯಂತ್ರಿತ ಹರಿವನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದಾದ ಸಾಧನಗಳು ಎಲ್ಲಾ ವಿದ್ಯುನ್ಮಂಡಲಗಳ ಮೂಲ ಕಟ್ಟಡದ ಕಲ್ಲುಗಳಾಗಿವೆ. 1948 ರಲ್ಲಿ ಟ್ರಾನ್ಸಿಸ್ಟರ್ ಕಂಡುಹಿಡಿಯುವ ಮೊದಲು, ಅಂತಹ ಸಾಧನಗಳು ಹೆಚ್ಚಾಗಿ ನಿರ್ವಾತ ನಳಿಕೆಗಳಾಗಿದ್ದವು (ವಾಲ್ವ್ಗಳು ಎಂದೂ ಕರೆಯುತ್ತಾರೆ) ಉದಾಹರಣೆಗೆ ಎರಡು ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ನಿರ್ವಾತ ಡಯೋಡ್, ಅಂದರೆ, ಆನೋಡ್ (ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಪ್ಲೇಟ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ) ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್; ಮೂರು ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಟ್ರಯೋಡ್ - ಕ್ಯಾಥೋಡ್, ಪ್ಲೇಟ್ ಮತ್ತು ಗ್ರಿಡ್; ಟೆಟ್ರೋಡ್ ಮತ್ತು ಪೆಂಟೋಡ್ (ಕ್ರಮವಾಗಿ 4 ಮತ್ತು 5 ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳೊಂದಿಗೆ). ನಿರ್ವಾತ ನಳಿಕೆಯಲ್ಲಿ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳನ್ನು ಬಿಸಿ ಮಾಡಿದ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಸರಬರಾಜು ಮಾಡುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ನಿರ್ವಾತದಲ್ಲಿ ಈ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ನಿಯಂತ್ರಿತ ಹರಿವನ್ನು ಅದರ ವಿವಿಧ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳ ನಡುವಿನ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಅನ್ನು ಬದಲಾಯಿಸುವ ಮೂಲಕ ಪಡೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳ ನಡುವಿನ ಜಾಗದಲ್ಲಿ ನಿರ್ವಾತ ಅಗತ್ಯವಿದೆ; ಇಲ್ಲದಿದ್ದರೆ ಚಲಿಸುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಅವುಗಳ ಮಾರ್ಗದಲ್ಲಿನ ಗಾಳಿಯ ಅಣುಗಳೊಂದಿಗೆ ಘರ್ಷಣೆಯಲ್ಲಿ ತಮ್ಮ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಕಳೆದುಕೊಳ್ಳಬಹುದು. ಈ ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಕೇವಲ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ನಿಂದ ಆನೋಡ್ಗೆ ಮಾತ್ರ ಹರಿಯಬಹುದು (ಅಂದರೆ, ಕೇವಲ ಒಂದು ದಿಕ್ಕಿನಲ್ಲಿ). ಆದ್ದರಿಂದ, ಅಂತಹ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ವಾಲ್ವ್ಗಳು ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ಈ ನಿರ್ವಾತ ನಳಿಕೆ ಸಾಧನಗಳು ದೊಡ್ಡ ಗಾತ್ರದವು, ಹೆಚ್ಚು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಬಳಸುತ್ತವೆ, ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಹೆಚ್ಚಿನ ವೋಲ್ಟೇಜ್ಗಳಲ್ಲಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತವೆ ($100 \mathrm{~V}$) ಮತ್ತು ಸೀಮಿತ ಜೀವಿತಾವಧಿ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ವಿಶ್ವಾಸಾರ್ಹತೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿವೆ. ಆಧುನಿಕ ಘನಸ್ಥಿತಿಯ ಅರೆವಾಹಕ ವಿದ್ಯುನ್ಮಾನದ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಯ ಬೀಜವು 1930 ರ ದಶಕಕ್ಕೆ ಹಿಂದಿರುಗುತ್ತದೆ, ಆಗ ಕೆಲವು ಘನಸ್ಥಿತಿಯ ಅರೆವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು ಅವುಗಳ ಸಂಧಿಗಳು ಅವುಗಳ ಮೂಲಕ ಚಾರ್ಜ್ ವಾಹಕಗಳ ಸಂಖ್ಯೆ ಮತ್ತು ಹರಿವಿನ ದಿಕ್ಕನ್ನು ನಿಯಂತ್ರಿಸುವ ಸಾಧ್ಯತೆಯನ್ನು ನೀಡುತ್ತವೆ ಎಂದು ಅರಿತುಕೊಳ್ಳಲಾಯಿತು. ಬೆಳಕು, ಶಾಖ ಅಥವಾ ಸಣ್ಣ ಅನ್ವಯಿತ ವೋಲ್ಟೇಜ್ನಂತಹ ಸರಳ ಉತ್ತೇಜನಗಳು ಅರೆವಾಹಕದಲ್ಲಿ ಚಲಿಸಬಲ್ಲ ಚಾರ್ಜ್ಗಳ ಸಂಖ್ಯೆಯನ್ನು ಬದಲಾಯಿಸಬಹುದು. ಅರೆವಾಹಕ ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ ಚಾರ್ಜ್ ವಾಹಕಗಳ ಸರಬರಾಜು ಮತ್ತು ಹರಿವು ಘನದೊಳಗೇ ಇರುತ್ತದೆ, ಆದರೆ ಹಿಂದಿನ ನಿರ್ವಾತ ನಳಿಕೆಗಳು/ವಾಲ್ವ್ಗಳಲ್ಲಿ, ಚಲಿಸುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳನ್ನು ಬಿಸಿ ಮಾಡಿದ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ನಿಂದ ಪಡೆಯಲಾಗುತ್ತಿತ್ತು ಮತ್ತು ಅವುಗಳನ್ನು ಖಾಲಿ ಮಾಡಿದ ಜಾಗ ಅಥವಾ ನಿರ್ವಾತದಲ್ಲಿ ಹರಿಯುವಂತೆ ಮಾಡಲಾಗುತ್ತಿತ್ತು. ಅರೆವಾಹಕ ಸಾಧನಗಳಿಗೆ ಬಾಹ್ಯ ತಾಪನ ಅಥವಾ ದೊಡ್ಡ ಖಾಲಿ ಮಾಡಿದ ಜಾಗ ಅಗತ್ಯವಿಲ್ಲ. ಅವು ಗಾತ್ರದಲ್ಲಿ ಚಿಕ್ಕದಾಗಿದೆ, ಕಡಿಮೆ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಬಳಸುತ್ತವೆ, ಕಡಿಮೆ ವೋಲ್ಟೇಜ್ಗಳಲ್ಲಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ದೀರ್ಘ ಜೀವಿತಾವಧಿ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ವಿಶ್ವಾಸಾರ್ಹತೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿವೆ. ಟೆಲಿವಿಷನ್ ಮತ್ತು ಕಂಪ್ಯೂಟರ್ ಮಾನಿಟರ್ಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸುವ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ರೇ ಟ್ಯೂಬ್ಗಳು (CRT) ಸಹ ನಿರ್ವಾತ ನಳಿಕೆಗಳ ತತ್ತ್ವದ ಮೇಲೆ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತವೆ, ಅವುಗಳನ್ನು ಲಿಕ್ವಿಡ್ ಕ್ರಿಸ್ಟಲ್ ಡಿಸ್ಪ್ಲೇ (LCD) ಮಾನಿಟರ್ಗಳಿಂದ ಬೆಂಬಲಿಸುವ ಘನಸ್ಥಿತಿಯ ವಿದ್ಯುನ್ಮಾನದೊಂದಿಗೆ ಬದಲಾಯಿಸಲಾಗುತ್ತಿದೆ. ಅರೆವಾಹಕ ಸಾಧನಗಳ ಪೂರ್ಣ ಪರಿಣಾಮಗಳನ್ನು ಔಪಚಾರಿಕವಾಗಿ ಅರ್ಥಮಾಡಿಕೊಳ್ಳುವುದಕ್ಕೆ ಬಹಳ ಮೊದಲು, ಲೆಡ್ ಸಲ್ಫೈಡ್ (PbS) ನ ಸಹಜವಾಗಿ ಸಂಭವಿಸುವ ಗ್ಯಾಲೆನಾ ಸ್ಫಟಿಕವನ್ನು ಅದಕ್ಕೆ ಲಗತ್ತಿಸಲಾದ ಲೋಹದ ಬಿಂದು ಸಂಪರ್ಕದೊಂದಿಗೆ ರೇಡಿಯೋ ತರಂಗಗಳ ಡಿಟೆಕ್ಟರ್ ಆಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತಿತ್ತು.

ಕೆಳಗಿನ ವಿಭಾಗಗಳಲ್ಲಿ, ನಾವು ಅರೆವಾಹಕ ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರದ ಮೂಲ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳನ್ನು ಪರಿಚಯಿಸುತ್ತೇವೆ ಮತ್ತು ಸಂಧಿ ಡಯೋಡ್ಗಳು (2-ವಿದ್ಯುದ್ವಾರ ಸಾಧನ) ಮತ್ತು ದ್ವಿಧ್ರುವ ಸಂಧಿ ಟ್ರಾನ್ಸಿಸ್ಟರ್ (3-ವಿದ್ಯುದ್ವಾರ ಸಾಧನ) ನಂತಹ ಕೆಲವು ಅರೆವಾಹಕ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ಚರ್ಚಿಸುತ್ತೇವೆ. ಅವುಗಳ ಅನ್ವಯಗಳನ್ನು ವಿವರಿಸುವ ಕೆಲವು ವಿದ್ಯುನ್ಮಂಡಲಗಳನ್ನು ಸಹ ವಿವರಿಸಲಾಗುವುದು.

14.2 ಲೋಹಗಳು, ವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು ಅರೆವಾಹಕಗಳ ವರ್ಗೀಕರಣ

ವಾಹಕತೆಯ ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ

ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹಕತೆ $(\sigma)$ ಅಥವಾ ಪ್ರತಿರೋಧಕತೆ $(\rho=1 / \sigma)$ ನ ಸಾಪೇಕ್ಷ ಮೌಲ್ಯಗಳ ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ, ಘನಗಳನ್ನು ವಿಶಾಲವಾಗಿ ಈ ಕೆಳಗಿನಂತೆ ವರ್ಗೀಕರಿಸಲಾಗಿದೆ:

(i) ಲೋಹಗಳು: ಅವುಗಳು ಬಹಳ ಕಡಿಮೆ ಪ್ರತಿರೋಧಕತೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತವೆ (ಅಥವಾ ಹೆಚ್ಚಿನ ವಾಹಕತೆ).

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

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

(ii) ಅರೆವಾಹಕಗಳು: ಅವುಗಳು ಲೋಹಗಳು ಮತ್ತು ಅವಾಹಕಗಳ ನಡುವೆ ಮಧ್ಯಂತರ ಪ್ರತಿರೋಧಕತೆ ಅಥವಾ ವಾಹಕತೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತವೆ.

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

(iii) ಅವಾಹಕಗಳು: ಅವುಗಳು ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರತಿರೋಧಕತೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತವೆ (ಅಥವಾ ಕಡಿಮೆ ವಾಹಕತೆ).

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

ಮೇಲೆ ನೀಡಲಾದ $\rho$ ಮತ್ತು $\sigma$ ಮೌಲ್ಯಗಳು ಪ್ರಮಾಣದ ಸೂಚಕವಾಗಿದೆ ಮತ್ತು ಶ್ರೇಣಿಗಳ ಹೊರಗೆ ಸಹ ಹೋಗಬಹುದು. ಪ್ರತಿರೋಧಕತೆಯ ಸಾಪೇಕ್ಷ ಮೌಲ್ಯಗಳು ಲೋಹಗಳು, ಅವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು ಅರೆವಾಹಕಗಳನ್ನು ಪರಸ್ಪರ ಪ್ರತ್ಯೇಕಿಸಲು ಏಕೈಕ ಮಾನದಂಡವಲ್ಲ. ಇತರ ಕೆಲವು ವ್ಯತ್ಯಾಸಗಳಿವೆ, ಅವುಗಳು ಈ ಅಧ್ಯಾಯದಲ್ಲಿ ನಾವು ಮುಂದುವರಿಯುವಾಗ ಸ್ಪಷ್ಟವಾಗುತ್ತವೆ.

ಈ ಅಧ್ಯಾಯದಲ್ಲಿ ನಮ್ಮ ಆಸಕ್ತಿ ಅರೆವಾಹಕಗಳ ಅಧ್ಯಯನದಲ್ಲಿದೆ, ಅವುಗಳು:

(i) ಮೂಲಭೂತ ಅರೆವಾಹಕಗಳು: $\mathrm{Si}$ ಮತ್ತು $\mathrm{Ge}$

(ii) ಸಂಯುಕ್ತ ಅರೆವಾಹಕಗಳು: ಉದಾಹರಣೆಗಳು:

• ಅಜೈವಿಕ: CdS, GaAs, CdSe, InP, ಇತ್ಯಾದಿ.

• ಸಾವಯವ: ಆಂಥ್ರಸೀನ್, ಡೋಪ್ಡ್ ಫ್ಥಲೋಸೈನೈನ್ಗಳು, ಇತ್ಯಾದಿ.

• ಸಾವಯವ ಬಹುಬಂಧಕಗಳು: ಪಾಲಿಪಿರೋಲ್, ಪಾಲಿಯಾನಿಲಿನ್, ಪಾಲಿಥಯೋಫೀನ್, ಇತ್ಯಾದಿ.

ಪ್ರಸ್ತುತ ಲಭ್ಯವಿರುವ ಹೆಚ್ಚಿನ ಅರೆವಾಹಕ ಸಾಧನಗಳು ಮೂಲಭೂತ ಅರೆವಾಹಕಗಳು $\mathrm{Si}$ ಅಥವಾ $\mathrm{Ge}$ ಮತ್ತು ಸಂಯುಕ್ತ ಅಜೈವಿಕ ಅರೆವಾಹಕಗಳನ್ನು ಆಧರಿಸಿವೆ. ಆದಾಗ್ಯೂ, 1990 ರ ನಂತರ, ಸಾವಯವ ಅರೆವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು ಅರೆವಾಹಕ ಬಹುಬಂಧಕಗಳನ್ನು ಬಳಸುವ ಕೆಲವು ಅರೆವಾಹಕ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಲಾಗಿದೆ, ಇದು ಪಾಲಿಮರ್-ವಿದ್ಯುನ್ಮಾನ ಮತ್ತು ಆಣ್ವಿಕ-ವಿದ್ಯುನ್ಮಾನದ ಭವಿಷ್ಯದ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನದ ಜನ್ಮವನ್ನು ಸೂಚಿಸುತ್ತದೆ. ಈ ಅಧ್ಯಾಯದಲ್ಲಿ, ನಾವು ಅಜೈವಿಕ ಅರೆವಾಹಕಗಳ ಅಧ್ಯಯನಕ್ಕೆ ನಮ್ಮನ್ನು ಮಿತಿಗೊಳಿಸುತ್ತೇವೆ, ವಿಶೇಷವಾಗಿ ಮೂಲಭೂತ ಅರೆವಾಹಕಗಳಾದ Si ಮತ್ತು Ge. ಮೂಲಭೂತ ಅರೆವಾಹಕಗಳನ್ನು ಚರ್ಚಿಸಲು ಇಲ್ಲಿ ಪರಿಚಯಿಸಲಾದ ಸಾಮಾನ್ಯ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳು, ಹೆಚ್ಚಾಗಿ, ಹೆಚ್ಚಿನ ಸಂಯುಕ್ತ ಅರೆವಾಹಕಗಳಿಗೂ ಅನ್ವಯಿಸುತ್ತವೆ.

ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗಳ ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ

ಬೋರ್ ಪರಮಾಣು ಮಾದರಿಯ ಪ್ರಕಾರ, ಪ್ರತ್ಯೇಕಿತ ಪರಮಾಣುವಿನಲ್ಲಿ ಅದರ ಯಾವುದೇ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ನ ಶಕ್ತಿಯು ಅದು ಪರಿಭ್ರಮಿಸುವ ಕಕ್ಷೆಯಿಂದ ನಿರ್ಧರಿಸಲ್ಪಡುತ್ತದೆ. ಆದರೆ ಪರಮಾಣುಗಳು ಒಂದು ಘನವನ್ನು ರೂಪಿಸಲು ಒಟ್ಟಿಗೆ ಬಂದಾಗ ಅವು ಪರಸ್ಪರ ಹತ್ತಿರದಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ. ಆದ್ದರಿಂದ ನೆರೆಯ ಪರಮಾಣುಗಳಿಂದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಹೊರಗಿನ ಕಕ್ಷೆಗಳು ಬಹಳ ಹತ್ತಿರ ಬರುತ್ತವೆ ಅಥವಾ ಅತಿಕ್ರಮಿಸಬಹುದು. ಇದು ಘನದಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಚಲನೆಯ ಸ್ವರೂಪವನ್ನು ಪ್ರತ್ಯೇಕಿತ ಪರಮಾಣುವಿನಿಂದ ಬಹಳ ಭಿನ್ನವಾಗಿಸುತ್ತದೆ.

ಸ್ಫಟಿಕದ ಒಳಗೆ ಪ್ರತಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಒಂದು ಅನನ್ಯ ಸ್ಥಾನವನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಯಾವುದೇ ಎರಡು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನ ಚಾರ್ಜ್ಗಳ ನಿಖರವಾದ ಅದೇ ಮಾದರಿಯನ್ನು ನೋಡುವುದಿಲ್ಲ. ಇದರ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ, ಪ್ರತಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ವಿಭಿನ್ನ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟವನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತದೆ. ನಿರಂತರ ಶಕ್ತಿ ವ್ಯತ್ಯಾಸದೊಂದಿಗೆ ಈ ವಿಭಿನ್ನ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟಗಳು ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗಳು ಎಂದು ಕರೆಯಲ್ಪಡುವವುಗಳನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ. ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುವ ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅನ್ನು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮೇಲಿರುವ ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅನ್ನು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ಬಾಹ್ಯ ಶಕ್ತಿಯಿಲ್ಲದೆ, ಎಲ್ಲಾ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ. ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿರುವ ಅತ್ಯಂತ ಕೆಳಮಟ್ಟದ ಮಟ್ಟವು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನ ಅತ್ಯುನ್ನತ ಮಟ್ಟಕ್ಕಿಂತ ಕೆಳಗಿದ್ದರೆ, ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಿಂದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಸುಲಭವಾಗಿ ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗೆ ಚಲಿಸಬಹುದು. ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಖಾಲಿಯಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಆದರೆ ಅದು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮೇಲೆ ಅತಿಕ್ರಮಿಸಿದಾಗ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಅದರೊಳಗೆ ಸ್ವತಂತ್ರವಾಗಿ ಚಲಿಸಬಹುದು. ಇದು ಲೋಹೀಯ ವಾಹಕಗಳ ಸಂದರ್ಭದಲ್ಲಿದೆ.

ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮತ್ತು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ನಡುವೆ ಕೆಲವು ಅಂತರವಿದ್ದರೆ, ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿರುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಎಲ್ಲವೂ ಬಂಧಿತವಾಗಿರುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿ ಯಾವುದೇ ಮುಕ್ತ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಲಭ್ಯವಿರುವುದಿಲ್ಲ. ಇದು ವಸ್ತುವನ್ನು ಅವಾಹಕವಾಗಿ ಮಾಡುತ್ತದೆ. ಆದರೆ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಿಂದ ಕೆಲವು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮತ್ತು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ನಡುವಿನ ಅಂತರವನ್ನು ದಾಟಲು ಬಾಹ್ಯ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು. ನಂತರ ಈ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗೆ ಚಲಿಸುತ್ತವೆ. ಅದೇ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಅವು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿ ಖಾಲಿ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟಗಳನ್ನು ಸೃಷ್ಟಿಸುತ್ತವೆ, ಅಲ್ಲಿ ಇತರ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಚಲಿಸಬಹುದು. ಹೀಗಾಗಿ, ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ ಮತ್ತು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿನ ಖಾಲಿ ಸ್ಥಾನಗಳ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ ವಾಹಕತೆಯ ಸಾಧ್ಯತೆಯನ್ನು ಸೃಷ್ಟಿಸುತ್ತದೆ.

$\mathrm{Si}$ ಅಥವಾ $N$ ಪರಮಾಣುಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ Ge ಸ್ಫಟಿಕದ ಸಂದರ್ಭದಲ್ಲಿ ಏನಾಗುತ್ತದೆ ಎಂದು ಪರಿಗಣಿಸೋಣ. $\mathrm{Si}$ ಗೆ, ಹೊರಗಿನ ಕಕ್ಷೆಯು ಮೂರನೇ ಕಕ್ಷೆಯಾಗಿದೆ $(n=3)$, ಆದರೆ $\mathrm{Ge}$ ಗೆ ಇದು ನಾಲ್ಕನೇ ಕಕ್ಷೆಯಾಗಿದೆ $(n=4)$. ಹೊರಗಿನ ಕಕ್ಷೆಯಲ್ಲಿರುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಸಂಖ್ಯೆ 4 ($2 s$ ಮತ್ತು $2 p$ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು). ಆದ್ದರಿಂದ, ಸ್ಫಟಿಕದಲ್ಲಿ ಹೊರಗಿನ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಒಟ್ಟು ಸಂಖ್ಯೆ $4 N$. ಹೊರಗಿನ ಕಕ್ಷೆಯಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳ ಗರಿಷ್ಠ ಸಂಭಾವ್ಯ ಸಂಖ್ಯೆ 8 ($2 s+6 p$ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು). ಆದ್ದರಿಂದ, $4 N$ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳಿಗೆ $8 N$ ಲಭ್ಯವಿರುವ ಶಕ್ತಿ ಸ್ಥಿತಿಗಳಿವೆ. ಈ $8 N$ ಪ್ರತ್ಯೇಕ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟಗಳು ನಿರಂತರ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅನ್ನು ರೂಪಿಸಬಹುದು ಅಥವಾ ಸ್ಫಟಿಕದಲ್ಲಿ ಪರಮಾಣುಗಳ ನಡುವಿನ ಅಂತರವನ್ನು ಅವಲಂಬಿಸಿ ವಿಭಿನ್ನ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗಳಲ್ಲಿ ಗುಂಪು ಮಾಡಬಹುದು (ಘನಗಳ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸಿದ್ಧಾಂತದ ಪೆಟ್ಟಿಗೆಯನ್ನು ನೋಡಿ).

$\mathrm{Si}$ ಮತ್ತು Ge ನ ಸ್ಫಟಿಕ ಜಾಲರಿಗಳಲ್ಲಿ ಪರಮಾಣುಗಳ ನಡುವಿನ ಅಂತರದಲ್ಲಿ, ಈ $8 N$ ಸ್ಥಿತಿಗಳ ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎರಡಾಗಿ ವಿಭಜನೆಯಾಗುತ್ತದೆ, ಅವುಗಳನ್ನು ಶಕ್ತಿ ಅಂತರ $E_{g}$ (ಚಿತ್ರ 14.1) ನಿಂದ ಪ್ರತ್ಯೇಕಿಸಲಾಗಿದೆ. ಸಂಪೂರ್ಣ ಶೂನ್ಯ ತಾಪಮಾನದಲ್ಲಿ $4 N$ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳಿಂದ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಆಕ್ರಮಿಸಲ್ಪಟ್ಟಿರುವ ಕೆಳಗಿನ ಬ್ಯಾಂಡ್ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಆಗಿದೆ. $4 N$ ಶಕ್ತಿ ಸ್ಥಿತಿಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುವ ಇನ್ನೊಂದು ಬ್ಯಾಂಡ್, ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲ್ಪಡುತ್ತದೆ, ಅದು ಸಂಪೂರ್ಣ ಶೂನ್ಯದಲ್ಲಿ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಖಾಲಿಯಾಗಿರುತ್ತದೆ.

ಚಿತ್ರ 14.1 $0 \mathrm{~K}$ ನಲ್ಲಿ ಅರೆವಾಹಕದಲ್ಲಿನ ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸ್ಥಾನಗಳು. ಮೇಲಿನ ಬ್ಯಾಂಡ್, ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲ್ಪಡುತ್ತದೆ, ಅದು ಅನಂತ ದೊಡ್ಡ ಸಂಖ್ಯೆಯ ನಿಕಟವಾಗಿ ಇರುವ ಶಕ್ತಿ ಸ್ಥಿತಿಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ. ಕೆಳಗಿನ ಬ್ಯಾಂಡ್, ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲ್ಪಡುತ್ತದೆ, ಅದು ನಿಕಟವಾಗಿ ಇರುವ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ತುಂಬಿದ ಶಕ್ತಿ ಸ್ಥಿತಿಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ.

ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿರುವ ಅತ್ಯಂತ ಕಡಿಮೆ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟವನ್ನು $E_{C}$ ಎಂದು ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ ಮತ್ತು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿರುವ ಅತ್ಯುನ್ನತ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟವನ್ನು $E_{V}$ ಎಂದು ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ. $E_{C}$ ಮೇಲೆ ಮತ್ತು $E_{V}$ ಕೆಳಗೆ, ಚಿತ್ರ 14.1 ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಿರುವಂತೆ, ಬಹಳಷ್ಟು ನಿಕಟವಾಗಿ ಇರುವ ಶಕ್ತಿ ಮಟ್ಟಗಳಿವೆ.

ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನ ಮೇಲ್ಭಾಗ ಮತ್ತು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನ ಕೆಳಭಾಗದ ನಡುವಿನ ಅಂತರವನ್ನು ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರ (ಶಕ್ತಿ ಅಂತರ $E_{q}$) ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ಇದು ವಸ್ತುವನ್ನು ಅವಲಂಬಿಸಿ ದೊಡ್ಡದು, ಚಿಕ್ಕದು ಅಥವಾ ಶೂನ್ಯವಾಗಿರಬಹುದು. ಈ ವಿಭಿನ್ನ ಸನ್ನಿವೇಶಗಳನ್ನು ಚಿತ್ರ 14.2 ರಲ್ಲಿ ಚಿತ್ರಿಸಲಾಗಿದೆ ಮತ್ತು ಕೆಳಗೆ ಚರ್ಚಿಸಲಾಗಿದೆ:

ಪ್ರಕರಣ I: ಇದು ಚಿತ್ರ 14.2(a) ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಿರುವಂತೆ ಒಂದು ಸನ್ನಿವೇಶವನ್ನು ಸೂಚಿಸುತ್ತದೆ. ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಭಾಗಶಃ ತುಂಬಿದ್ದು ಮತ್ತು ಸಮತೋಲಿತ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಭಾಗಶಃ ಖಾಲಿಯಾಗಿದ್ದಾಗ ಅಥವಾ ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಮತ್ತು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗಳು ಅತಿಕ್ರಮಿಸಿದಾಗ ಒಬ್ಬರು ಲೋಹವನ್ನು ಹೊಂದಬಹುದು. ಅತಿಕ್ರಮಣವಿದ್ದಾಗ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಿಂದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಸುಲಭವಾಗಿ ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗೆ ಚಲಿಸಬಹುದು. ಈ ಸನ್ನಿವೇಶವು ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹಕತೆಗೆ ಬಹಳಷ್ಟು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳನ್ನು ಲಭ್ಯವಾಗಿಸುತ್ತದೆ. ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಭಾಗಶಃ ಖಾಲಿಯಾಗಿದ್ದಾಗ, ಅದರ ಕೆಳಮಟ್ಟದಿಂದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಹೆಚ್ಚಿನ ಮಟ್ಟಕ್ಕೆ ಚಲಿಸಬಹುದು, ಇದು ವಾಹಕತೆಯನ್ನು ಸಾಧ್ಯವಾಗಿಸುತ್ತದೆ. ಆದ್ದರಿಂದ, ಅಂತಹ ವಸ್ತುಗಳ ಪ್ರತಿರೋಧವು ಕಡಿಮೆ ಅಥವಾ ವಾಹಕತೆಯು ಹೆಚ್ಚಾಗಿರುತ್ತದೆ.

ಚಿತ್ರ 14.2 (a) ಲೋಹಗಳು, (b) ಅವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು (c) ಅರೆವಾಹಕಗಳ ಶಕ್ತಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗಳ ನಡುವಿನ ವ್ಯತ್ಯಾಸ.

ಪ್ರಕರಣ II: ಈ ಪ್ರಕರಣದಲ್ಲಿ, ಚಿತ್ರ 14.2(b) ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಿರುವಂತೆ, ದೊಡ್ಡ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರ $E_{g}$ ಅಸ್ತಿತ್ವದಲ್ಲಿದೆ $\left(E_{g}>3 \mathrm{eV}\right)$. ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿ ಯಾವುದೇ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳಿಲ್ಲ, ಮತ್ತು ಆದ್ದರಿಂದ ಯಾವುದೇ ವಿದ್ಯುತ್ ವಾಹಕತೆ ಸಾಧ್ಯವಿಲ್ಲ. ಶಕ್ತಿ ಅಂತರವು ತುಂಬಾ ದೊಡ್ಡದಾಗಿದೆ ಎಂದು ಗಮನಿಸಿ, ಉಷ್ಣ ಉತ್ತೇಜನದಿಂದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳನ್ನು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಿಂದ ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗೆ ಉತ್ತೇಜಿಸಲಾಗುವುದಿಲ್ಲ. ಇದು ಅವಾಹಕಗಳ ಪ್ರಕರಣವಾಗಿದೆ.

ಪ್ರಕರಣ III: ಈ ಸನ್ನಿವೇಶವನ್ನು ಚಿತ್ರ 14.2(c) ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ. ಇಲ್ಲಿ ಸೀಮಿತ ಆದರೆ ಚಿಕ್ಕ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರ $\left(E_{g}<3 \mathrm{eV}\right)$ ಅಸ್ತಿತ್ವದಲ್ಲಿದೆ. ಚಿಕ್ಕ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರದ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ, ಕೋಣೆಯ ತಾಪಮಾನದಲ್ಲಿ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಿಂದ ಕೆಲವು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು ಶಕ್ತಿ ಅಂತರವನ್ನು ದಾಟಲು ಮತ್ತು ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ಗೆ ಪ್ರವೇಶಿಸಲು ಸಾಕಷ್ಟು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು. ಈ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳು (ಸಂಖ್ಯೆಯಲ್ಲಿ ಚಿಕ್ಕದಾಗಿದ್ದರೂ) ಕಂಡಕ್ಷನ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ನಲ್ಲಿ ಚಲಿಸಬಹುದು. ಆದ್ದರಿಂದ, ಅರೆವಾಹಕಗಳ ಪ್ರತಿರೋಧವು ಅವಾಹಕಗಳಷ್ಟು ಹೆಚ್ಚಿಲ್ಲ.

ಈ ವಿಭಾಗದಲ್ಲಿ ನಾವು ಲೋಹಗಳು, ವಾಹಕಗಳು ಮತ್ತು ಅರೆವಾಹಕಗಳ ವಿಶಾಲ ವರ್ಗೀಕರಣವನ್ನು ಮಾಡಿದ್ದೇವೆ. ಮುಂದಿನ ವಿಭಾಗದಲ್ಲಿ ನೀವು ಅರೆವಾಹಕಗಳಲ್ಲಿ ವಾಹಕತೆ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ಕಲಿಯುವಿರಿ.

14.3 ಆಂತರಿಕ ಅರೆವಾಹಕ

ನಾವು Ge ಮತ್ತು $\mathrm{Si}$ ನ ಅತ್ಯಂತ ಸಾಮಾನ್ಯ ಪ್ರಕರಣವನ್ನು ತೆಗೆದುಕೊಳ್ಳುತ್ತೇವೆ, ಅವುಗಳ ಜಾಲರಿ ರಚನೆಯನ್ನು ಚಿತ್ರ 14.3 ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ. ಈ ರಚನೆಗಳನ್ನು ವಜ್ರದಂತಹ ರಚನೆಗಳು ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ಪ್ರತಿ ಪರಮಾಣುವನ್ನು ನಾಲ್ಕು ನಿಕಟ ನೆರೆಯ ಪರಮಾಣುಗಳು ಸುತ್ತುವರೆದಿರುತ್ತವೆ. $\mathrm{Si}$ ಮತ್ತು $\mathrm{Ge}$ ನಾಲ್ಕು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿವೆ ಎಂದು ನಮಗೆ ತಿಳಿದಿದೆ. ಅದರ ಸ್ಫಟಿಕೀಯ ರಚನೆಯಲ್ಲಿ, ಪ್ರತಿ $\mathrm{Si}$ ಅಥವಾ Ge ಪರಮಾಣುವು ಅದರ ನಾಲ್ಕು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳಲ್ಲಿ ಒಂದನ್ನು ಅದರ ನಾಲ್ಕು ನಿಕಟ ನೆರೆಯ ಪರಮಾಣುಗಳೊಂದಿಗೆ ಹಂಚಿಕೊಳ್ಳಲು ಒಲವು ತೋರುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಅಂತಹ ಪ್ರತಿ ನೆರೆಯವರಿಂದ ಒಂದು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ನ ಪಾಲನ್ನು ತೆಗೆದುಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ. ಈ ಹಂಚಿಕೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಕೋವೆಲೆಂಟ್ ಬಂಧ ಅಥವಾ ಸರಳವಾಗಿ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬಂಧವನ್ನು ರೂಪಿಸುವುದಾಗಿ ಉಲ್ಲೇಖಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಎರಡು ಹಂಚಿಕೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳನ್ನು ಸಂಬಂಧಿತ ಪರಮಾಣುಗಳ ನಡುವೆ ಹಿಂದಕ್ಕೆ ಮತ್ತು ಮುಂದಕ್ಕೆ ಚಲಿಸುವಂತೆ ಭಾವಿಸಬಹುದು, ಅವುಗಳನ್ನು ಬಲವಾಗಿ ಹಿಡಿದಿಟ್ಟುಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ. ಚಿತ್ರ 14.4 ಚಿತ್ರ 14.3 ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಿರುವ $\mathrm{Si}$ ಅಥವಾ $\mathrm{Ge}$ ರಚನೆಯ 2-ಆಯಾಮದ ಪ್ರಾತಿನಿಧ್ಯವನ್ನು ಸ್ಕೀಮ್ಯಾಟಿಕ್ ಆಗಿ ತೋರಿಸುತ್ತದೆ, ಅದು ಕೋವೆಲೆಂಟ್ ಬಂಧವನ್ನು ಅತಿಯಾಗಿ ಒತ್ತಿಹೇಳುತ್ತದೆ. ಇದು ಯಾವುದೇ ಬಂಧಗಳು ಮುರಿಯದ ಆದರ್ಶೀಕೃತ ಚಿತ್ರವನ್ನು ತೋರಿಸುತ್ತದೆ (ಎಲ್ಲಾ ಬಂಧಗಳು ಅಖಂಡವಾಗಿವೆ). ಅಂತಹ ಸನ್ನಿವೇಶವು ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನದಲ್ಲಿ ಉದ್ಭವಿಸುತ್ತದೆ. ತಾಪಮಾನವು ಹೆಚ್ಚಾದಂತೆ, ಈ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳಿಗೆ ಹೆಚ್ಚು ಉಷ್ಣ ಶಕ್ತಿಯು ಲಭ್ಯವಾಗುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಈ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ಗಳಲ್ಲಿ ಕ