14.1 పరిచయం

ఎలక్ట్రాన్ల నియంత్రిత ప్రవాహాన్ని పొందగల పరికరాలు అన్ని ఎలక్ట్రానిక్ వలయాల ప్రాథమిక నిర్మాణాత్మక బ్లాక్లు. 1948లో ట్రాన్సిస్టర్ కనుగొనబడే ముందు, అటువంటి పరికరాలు ప్రధానంగా వాక్యూమ్ ట్యూబ్లు (వాల్వ్లు అని కూడా పిలుస్తారు) వంటివి. ఉదాహరణకు, రెండు ఎలక్ట్రోడ్లను కలిగి ఉన్న వాక్యూమ్ డయోడ్, అనగా యానోడ్ (తరచుగా ప్లేట్ అని పిలుస్తారు) మరియు కాథోడ్; మూడు ఎలక్ట్రోడ్లను కలిగి ఉన్న ట్రయోడ్ - కాథోడ్, ప్లేట్ మరియు గ్రిడ్; టెట్రోడ్ మరియు పెంటోడ్ (వరుసగా 4 మరియు 5 ఎలక్ట్రోడ్లతో). ఒక వాక్యూమ్ ట్యూబ్లో, ఎలక్ట్రాన్లు వేడి చేసిన కాథోడ్ ద్వారా సరఫరా చేయబడతాయి మరియు వాక్యూమ్లో ఈ ఎలక్ట్రాన్ల నియంత్రిత ప్రవాహం దాని వివిధ ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య వోల్టేజ్ను మార్చడం ద్వారా పొందబడుతుంది. ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య స్థలంలో వాక్యూమ్ అవసరం; లేకపోతే, కదిలే ఎలక్ట్రాన్లు వాటి మార్గంలో గాలి అణువులతో ఢీకొనడంపై వాటి శక్తిని కోల్పోయే అవకాశం ఉంది. ఈ పరికరాలలో, ఎలక్ట్రాన్లు కాథోడ్ నుండి యానోడ్ వరకు మాత్రమే ప్రవహించగలవు (అనగా, ఒకే దిశలో మాత్రమే). అందువల్ల, అటువంటి పరికరాలను సాధారణంగా వాల్వ్లు అంటారు. ఈ వాక్యూమ్ ట్యూబ్ పరికరాలు పరిమాణంలో పెద్దవి, అధిక శక్తిని వినియోగిస్తాయి, సాధారణంగా అధిక వోల్టేజీలలో పనిచేస్తాయి ( $100 \mathrm{~V}$) మరియు పరిమిత జీవితకాలం మరియు తక్కువ విశ్వసనీయతను కలిగి ఉంటాయి. ఆధునిక ఘన-స్థితి సెమీకండక్టర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ అభివృద్ధి విత్తనం 1930లకు చెందినది, అప్పుడు కొన్ని ఘన-స్థితి సెమీకండక్టర్లు మరియు వాటి జంక్షన్లు వాటి ద్వారా ఆవేశ వాహకాల సంఖ్య మరియు ప్రవాహ దిశను నియంత్రించే అవకాశాన్ని అందిస్తాయని గుర్తించారు. కాంతి, వేడి లేదా చిన్న అనువర్తిత వోల్టేజ్ వంటి సాధారణ ఉద్దీపనలు సెమీకండక్టర్లోని చలనశీల ఆవేశాల సంఖ్యను మార్చగలవు. సెమీకండక్టర్ పరికరాలలో ఆవేశ వాహకాల సరఫరా మరియు ప్రవాహం ఘనపదార్థం లోపలే ఉంటుంది, అయితే మునుపటి వాక్యూమ్ ట్యూబ్లు/వాల్వ్లలో, చలనశీల ఎలక్ట్రాన్లు వేడి చేసిన కాథోడ్ నుండి పొందబడ్డాయి మరియు అవి ఖాళీ చేయబడిన స్థలం లేదా వాక్యూమ్లో ప్రవహించేలా చేయబడ్డాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాలకు బాహ్య వేడి లేదా పెద్ద ఖాళీ చేయబడిన స్థలం అవసరం లేదు. అవి పరిమాణంలో చిన్నవి, తక్కువ శక్తిని వినియోగిస్తాయి, తక్కువ వోల్టేజీలలో పనిచేస్తాయి మరియు దీర్ఘ జీవితకాలం మరియు అధిక విశ్వసనీయతను కలిగి ఉంటాయి. టెలివిజన్ మరియు కంప్యూటర్ మానిటర్లలో ఉపయోగించే కాథోడ్ రే ట్యూబ్లు (CRT) కూడా, వాక్యూమ్ ట్యూబ్ల సూత్రంపై పనిచేస్తాయి, అవి సపోర్టింగ్ సాలిడ్ స్టేట్ ఎలక్ట్రానిక్స్తో లిక్విడ్ క్రిస్టల్ డిస్ప్లే (LCD) మానిటర్ల ద్వారా భర్తీ చేయబడుతున్నాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాల పూర్తి అనుభావికతలు అధికారికంగా అర్థం చేసుకోబడే ముందు చాలా ముందే, ఒక లోహ బిందు సంపర్కంతో జతచేయబడిన గెలీనా (లెడ్ సల్ఫైడ్, PbS) యొక్క సహజంగా ఏర్పడే స్ఫటికం రేడియో తరంగాల డిటెక్టర్గా ఉపయోగించబడింది.

తరువాతి విభాగాలలో, మేము సెమీకండక్టర్ భౌతిక శాస్త్రం యొక్క ప్రాథమిక భావనలను పరిచయం చేస్తాము మరియు జంక్షన్ డయోడ్లు (2-ఎలక్ట్రోడ్ పరికరం) మరియు బైపోలార్ జంక్షన్ ట్రాన్సిస్టర్ (3-ఎలక్ట్రోడ్ పరికరం) వంటి కొన్ని సెమీకండక్టర్ పరికరాలను చర్చిస్తాము. వాటి అనువర్తనాలను వివరించే కొన్ని వలయాలు కూడా వివరించబడతాయి.

14.2 లోహాలు, వాహకాలు మరియు సెమీకండక్టర్ల వర్గీకరణ

వాహకత ఆధారంగా

విద్యుత్ వాహకత $(\sigma)$ లేదా నిరోధకత $(\rho=1 / \sigma)$ యొక్క సాపేక్ష విలువల ఆధారంగా, ఘనపదార్థాలను విస్తృతంగా ఈ క్రింది విధంగా వర్గీకరించబడతాయి:

(i) లోహాలు: అవి చాలా తక్కువ నిరోధకతను (లేదా అధిక వాహకతను) కలిగి ఉంటాయి.

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

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

(ii) సెమీకండక్టర్లు: అవి లోహాలు మరియు అవాహకాల మధ్యస్థ నిరోధకత లేదా వాహకతను కలిగి ఉంటాయి.

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

(iii) అవాహకాలు: అవి అధిక నిరోధకతను (లేదా తక్కువ వాహకతను) కలిగి ఉంటాయి.

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

పైన ఇవ్వబడిన $\rho$ మరియు $\sigma$ విలువలు పరిమాణానికి సూచికలు మరియు శ్రేణుల వెలుపల కూడా వెళ్ళవచ్చు. నిరోధకత యొక్క సాపేక్ష విలువలు లోహాలు, అవాహకాలు మరియు సెమీకండక్టర్లను ఒకదానికొకటి వేరు చేయడానికి ఏకైక ప్రమాణాలు కావు. మరికొన్ని ఇతర తేడాలు ఉన్నాయి, అవి ఈ అధ్యాయంలో మనం ముందుకు సాగుతున్నకొద్దీ స్పష్టమవుతాయి.

ఈ అధ్యాయంలో మన ఆసక్తి సెమీకండక్టర్ల అధ్యయనంలో ఉంది, అవి:

(i) మూలక సెమీకండక్టర్లు: $\mathrm{Si}$ మరియు $\mathrm{Ge}$

(ii) సంయోగ సెమీకండక్టర్లు: ఉదాహరణలు:

• అకర్బన: CdS, GaAs, CdSe, InP, మొదలైనవి.

• కర్బన: ఆంథ్రసీన్, డోప్ చేసిన ఫ్తలోసైనైన్లు, మొదలైనవి.

• కర్బన బహుళకాలు: పాలిపైరోల్, పాలియానిలైన్, పాలిథయోఫీన్, మొదలైనవి.

ప్రస్తుతం అందుబాటులో ఉన్న చాలా సెమీకండక్టర్ పరికరాలు మూలక సెమీకండక్టర్లు $\mathrm{Si}$ లేదా $\mathrm{Ge}$ మరియు సంయోగ అకర్బన సెమీకండక్టర్లపై ఆధారపడి ఉంటాయి. అయితే, 1990 తర్వాత, కర్బన సెమీకండక్టర్లు మరియు సెమీకండక్టింగ్ బహుళకాలను ఉపయోగించి కొన్ని సెమీకండక్టర్ పరికరాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి, ఇది భవిష్యత్ టెక్నాలజీ అయిన పాలిమర్-ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు మాలిక్యులర్-ఎలక్ట్రానిక్స్ యొక్క జననాన్ని సూచిస్తుంది. ఈ అధ్యాయంలో, మనం అకర్బన సెమీకండక్టర్ల అధ్యయనానికి మనల్ని మనం పరిమితం చేసుకుంటాము, ప్రత్యేకించి మూలక సెమీకండక్టర్లు Si మరియు Ge. మూలక సెమీకండక్టర్లను చర్చించడానికి ఇక్కడ పరిచయం చేయబడిన సాధారణ భావనలు, చాలా వరకు, చాలా సంయోగ సెమీకండక్టర్లకు కూడా వర్తిస్తాయి.

శక్తి బ్యాండ్ల ఆధారంగా

బోర్ పరమాణు నమూనా ప్రకారం, ఒక విలగ్న పరమాణువులో దాని ఎలక్ట్రాన్లలో దేని శక్తి అయినా అది భ్రమణం చేసే కక్ష్య ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. కానీ పరమాణువులు ఒక ఘనపదార్థాన్ని ఏర్పరచడానికి కలిసినప్పుడు అవి ఒకదానికొకటి దగ్గరగా ఉంటాయి. కాబట్టి పొరుగు పరమాణువుల నుండి ఎలక్ట్రాన్ల బాహ్య కక్ష్యలు చాలా దగ్గరగా వస్తాయి లేదా అతివ్యాప్తి చెందవచ్చు. ఇది ఘనపదార్థంలో ఎలక్ట్రాన్ చలన స్వభావాన్ని విలగ్న పరమాణువులోని దాని నుండి చాలా భిన్నంగా చేస్తుంది.

స్ఫటికం లోపల ప్రతి ఎలక్ట్రాన్కు ఒక ప్రత్యేక స్థానం ఉంటుంది మరియు రెండు ఎలక్ట్రాన్లు చుట్టుపక్కల ఆవేశాల యొక్క ఖచ్చితమైన అదే నమూనాను చూడవు. దీని కారణంగా, ప్రతి ఎలక్ట్రాన్కు వేర్వేరు శక్తి స్థాయి ఉంటుంది. నిరంతర శక్తి వైవిధ్యంతో ఉన్న ఈ విభిన్న శక్తి స్థాయిలు శక్తి బ్యాండ్లు అని పిలువబడే వాటిని ఏర్పరుస్తాయి. సంయోజక ఎలక్ట్రాన్ల శక్తి స్థాయిలను కలిగి ఉన్న శక్తి బ్యాండ్ను సంయోజక బ్యాండ్ అంటారు. సంయోజక బ్యాండ్ పైన ఉన్న శక్తి బ్యాండ్ను వాహక బ్యాండ్ అంటారు. బాహ్య శక్తి లేకుండా, అన్ని సంయోజక ఎలక్ట్రాన్లు సంయోజక బ్యాండ్లో ఉంటాయి. వాహక బ్యాండ్లోని అత్యంత తక్కువ స్థాయి సంయోజక బ్యాండ్ యొక్క అత్యధిక స్థాయి కంటే తక్కువగా ఉంటే, సంయోజక బ్యాండ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్లు సులభంగా వాహక బ్యాండ్లోకి తరలించబడతాయి. సాధారణంగా వాహక బ్యాండ్ ఖాళీగా ఉంటుంది. కానీ అది సంయోజక బ్యాండ్పై అతివ్యాప్తి చెందినప్పుడు ఎలక్ట్రాన్లు స్వేచ్ఛగా దానిలోకి తరలించబడతాయి. ఇది లోహ వాహకాల విషయంలో ఉంటుంది.

వాహక బ్యాండ్ మరియు సంయోజక బ్యాండ్ మధ్య కొంత అంతరం ఉంటే, సంయోజక బ్యాండ్లోని ఎలక్ట్రాన్లు అన్నీ బంధించబడి ఉంటాయి మరియు వాహక బ్యాండ్లో ఎలాంటి ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లు అందుబాటులో ఉండవు. ఇది పదార్థాన్ని ఒక అవాహకంగా చేస్తుంది. కానీ సంయోజక బ్యాండ్ నుండి కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లు వాహక బ్యాండ్ మరియు సంయోజక బ్యాండ్ మధ్య ఉన్న అంతరాన్ని దాటడానికి బాహ్య శక్తిని పొందవచ్చు. అప్పుడు ఈ ఎలక్ట్రాన్లు వాహక బ్యాండ్లోకి తరలిస్తాయి. అదే సమయంలో, అవి సంయోజక బ్యాండ్లో ఖాళీ శక్తి స్థాయిలను సృష్టిస్తాయి, అక్కడ ఇతర సంయోజక ఎలక్ట్రాన్లు తరలించబడతాయి. అందువల్ల, ఈ ప్రక్రియ వాహక బ్యాండ్లోని ఎలక్ట్రాన్ల కారణంగా మరియు సంయోజక బ్యాండ్లోని ఖాళీల కారణంగా వాహకత యొక్క అవకాశాన్ని సృష్టిస్తుంది.

$\mathrm{Si}$ లేదా $N$ పరమాణువులను కలిగి ఉన్న Ge స్ఫటికం విషయంలో ఏమి జరుగుతుందో పరిశీలిద్దాం. $\mathrm{Si}$ కోసం, బాహ్య కక్ష్య మూడవ కక్ష్య $(n=3)$, అయితే $\mathrm{Ge}$ కోసం ఇది నాల్గవ కక్ష్య $(n=4)$. బాహ్య కక్ష్యలో ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య 4 ($2 s$ మరియు $2 p$ ఎలక్ట్రాన్లు). అందువల్ల, స్ఫటికంలో బాహ్య ఎలక్ట్రాన్ల మొత్తం సంఖ్య $4 N$. బాహ్య కక్ష్యలో గరిష్ట సాధ్యమయ్యే ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య 8 ($2 s+6 p$ ఎలక్ట్రాన్లు). కాబట్టి, $4 N$ సంయోజక ఎలక్ట్రాన్ల కోసం $8 N$ అందుబాటులో ఉన్న శక్తి స్థితులు ఉన్నాయి. ఈ $8 N$ వివిక్త శక్తి స్థాయిలు నిరంతర బ్యాండ్ను ఏర్పరుస్తాయి లేదా స్ఫటికంలో పరమాణువుల మధ్య దూరాన్ని బట్టి వివిధ బ్యాండ్లలో సమూహం చేయబడతాయి (ఘనపదార్థాల బ్యాండ్ సిద్ధాంతం పై బాక్స్ చూడండి).

$\mathrm{Si}$ మరియు Ge యొక్క స్ఫటిక జాలకాలలో పరమాణువుల మధ్య దూరంలో, ఈ $8 N$ స్థితుల శక్తి బ్యాండ్ రెండుగా విభజించబడి, అవి శక్తి అంతరం $E_{g}$ ద్వారా వేరు చేయబడతాయి (Fig. 14.1). సంపూర్ణ సున్నా ఉష్ణోగ్రత వద్ద $4 N$ సంయోజక ఎలక్ట్రాన్ల ద్వారా పూర్తిగా ఆక్రమించబడిన దిగువ బ్యాండ్ సంయోజక బ్యాండ్. $4 N$ శక్తి స్థితులను కలిగి ఉన్న ఇతర బ్యాండ్, వాహక బ్యాండ్ అని పిలువబడుతుంది, అది సంపూర్ణ సున్నా వద్ద పూర్తిగా ఖాళీగా ఉంటుంది.

FIGURE 14.1 $0 \mathrm{~K}$ వద్ద ఒక సెమీకండక్టర్లో శక్తి బ్యాండ్ స్థానాలు. ఎగువ బ్యాండ్, వాహక బ్యాండ్ అని పిలువబడుతుంది, అనంతమైన పెద్ద సంఖ్యలో దగ్గరగా ఉండే శక్తి స్థితులను కలిగి ఉంటుంది. దిగువ బ్యాండ్, సంయోజక బ్యాండ్ అని పిలువబడుతుంది, దగ్గరగా ఉండే పూర్తిగా నిండిన శక్తి స్థితులను కలిగి ఉంటుంది.

వాహక బ్యాండ్లోని అత్యంత తక్కువ శక్తి స్థాయిని $E_{C}$ గా చూపించారు మరియు సంయోజక బ్యాండ్లోని అత్యధిక శక్తి స్థాయిని $E_{V}$ గా చూపించారు. $E_{C}$ పైన మరియు $E_{V}$ క్రింద Fig. 14.1లో చూపినట్లుగా, పెద్ద సంఖ్యలో దగ్గరగా ఉండే శక్తి స్థాయిలు ఉన్నాయి.

సంయోజక బ్యాండ్ పైభాగం మరియు వాహక బ్యాండ్ దిగువ భాగం మధ్య ఉన్న అంతరాన్ని శక్తి బ్యాండ్ గ్యాప్ (శక్తి అంతరం $E_{q}$ ) అంటారు. ఇది పదార్థాన్ని బట్టి పెద్దది, చిన్నది లేదా సున్నా కావచ్చు. ఈ విభిన్న పరిస్థితులు, Fig. 14.2లో వర్ణించబడ్డాయి మరియు క్రింద చర్చించబడ్డాయి:

కేస్ I: ఇది Fig. 14.2(a)లో చూపిన విధంగా ఒక పరిస్థితిని సూచిస్తుంది. వాహక బ్యాండ్ పాక్షికంగా నిండి ఉన్నప్పుడు మరియు బ్యాలెన్స్డ్ బ్యాండ్ పాక్షికంగా ఖాళీగా ఉన్నప్పుడు లేదా వాహక మరియు సంయోజక బ్యాండ్లు అతివ్యాప్తి చెందినప్పుడు ఒక లోహాన్ని కలిగి ఉండవచ్చు. అతివ్యాప్తి ఉన్నప్పుడు సంయోజక బ్యాండ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్లు సులభంగా వాహక బ్యాండ్లోకి తరలించబడతాయి. ఈ పరిస్థితి విద్యుత్ వాహకత కోసం పెద్ద సంఖ్యలో ఎలక్ట్రాన్లను అందుబాటులో ఉంచుతుంది. సంయోజక బ్యాండ్ పాక్షికంగా ఖాళీగా ఉన్నప్పుడు, దాని దిగువ స్థాయి నుండి ఎలక్ట్రాన్లు అధిక స్థాయికి తరలించబడతాయి, వాహకతను సాధ్యం చేస్తాయి. అందువల్ల, అటువంటి పదార్థాల నిరోధకత తక్కువగా ఉంటుంది లేదా వాహకత అధికంగా ఉంటుంది.

FIGURE 14.2 (a) లోహాలు, (b) అవాహకాలు మరియు (c) సెమీకండక్టర్ల శక్తి బ్యాండ్ల మధ్య వ్యత్యాసం.

కేస్ II: ఈ సందర్భంలో, Fig. 14.2(b)లో చూపిన విధంగా, ఒక పెద్ద బ్యాండ్ గ్యాప్ $E_{g}$ ఉంది $\left(E_{g}>3 \mathrm{eV}\right)$. వాహక బ్యాండ్లో ఎలక్ట్రాన్లు లేవు, మరియు అందువల్ల విద్యుత్ వాహకత సాధ్యం కాదు. శక్తి అంతరం చాలా పెద్దది కాబట్టి ఉష్ణ ఉద్దీపన ద్వారా సంయోజక బ్యాండ్ నుండి వాహక బ్యాండ్కు ఎలక్ట్రాన్లను ఉత్తేజపరచలేరు. ఇది అవాహకాల విషయం.

కేస్ III: ఈ పరిస్థితి Fig. 14.2(c)లో చూపబడింది. ఇక్కడ ఒక పరిమిత కానీ చిన్న బ్యాండ్ గ్యాప్ $\left(E_{g}<3 \mathrm{eV}\right)$ ఉంది. చిన్న బ్యాండ్ గ్యాప్ కారణంగా, గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద సంయోజక బ్యాండ్ నుండి కొన్ని ఎలక్ట్రాన్లు శక్తి అంతరాన్ని దాటడానికి మరియు వాహక బ్యాండ్లోకి ప్రవేశించడానికి తగినంత శక్తిని పొందగలవు. ఈ ఎలక్ట్రాన్లు (సంఖ్యలో చిన్నవి అయినప్పటికీ) వాహక బ్యాండ్లో కదలగలవు. అందువల్ల, సెమీకండక్టర్ల నిరోధకత అవాహకాల నిరోధకత వలె అధికంగా ఉండదు.

ఈ విభాగంలో మేము లోహాలు, వాహకాలు మరియు సెమీకండక్టర్ల విస్తృత వర్గీకరణ చేసాము. తరువాతి విభాగంలో మీరు సెమీకండక్టర్లలో వాహక ప్రక్రియను నేర్చుకుంటారు.

14.3 అంతర్గత సెమీకండక్టర్

మేము Fig. 14.3లో చూపబడిన జాలక నిర్మాణం కలిగిన Ge మరియు $\mathrm{Si}$ యొక్క అత్యంత సాధారణ సందర్భాన్ని తీసుకుంటాము. ఈ నిర్మాణాలను డైమండ్-లైక్ నిర్మాణాలు అంటారు. ప్రతి పరమాణువు నాలుగు సమీప పొరుగువారిచే చుట్టుముట్టబడి ఉంటుంది. $\mathrm{Si}$ మరియు $\mathrm{Ge}$ నాలుగు సంయోజక ఎలక్ట్రాన్లను కలిగి ఉన్నాయని మాకు తెలుసు. దాని స్ఫటిక నిర్మాణంలో, ప్రతి $\mathrm{Si}$ లేదా Ge పరమాణువు దాని నాలుగు సంయోజక ఎలక్ట్రాన్లలో ఒకదాన్ని దాని నాలుగు సమీప పొరుగు పరమాణువులతో భాగస్వామ్యం చేయడానికి మరియు అలాంటి ప్రతి పొరుగు నుండి ఒక ఎలక్ట్రాన్ యొక్క వాటాను కూడా తీసుకోవడానికి ఉద్దేశించబడింది. ఈ భాగస్వామ్య ఎలక్ట్రాన్ జతలు సమయోజనీయ బంధం లేదా కేవలం సంయోజక బంధాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. రెండు భాగస్వామ్య ఎలక్ట్రాన్లు సంబంధిత పరమాణువుల మధ్య ముందుకు వెనుకకు షటిల్ చేయగలవని భావించవచ్చు, వాటిని బలంగా కలిపి ఉంచుతాయి