अर्धचालक पदार्थ रसायन विज्ञान

अर्धचालक पदार्थ रसायन विज्ञान उन ठोसों का अध्ययन करता है जिनकी चालकता धातुओं और विद्युतरोधकों के बीच होती है और जिसे संरचना तथा डोपिंग द्वारा सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे ऐसे पदार्थ प्राप्त होते हैं जिनसे इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण निर्मित होते हैं।

Definition

एक अर्धचालक एक ऐसा ठोस है जिसमें एक मध्यम बैंड गैप होता है जिसकी विद्युत चालकता को तापमान और विशेष रूप से डोपिंग द्वारा कई परिमाण के क्रमों में नियंत्रित किया जा सकता है; अर्धचालक पदार्थ रसायन विज्ञान ऐसे ठोसों की संरचना, दोषों और तैयारी का अध्ययन करता है।

Scope

यह विषय अर्धचालक ठोसों के रसायन विज्ञान को समाहित करता है: वह बैंड गैप जो एक अर्धचालक को परिभाषित करता है, आंतरिक बनाम बाह्य चालन, और सिलिकॉन तथा जर्मेनियम जैसे मौलिक अर्धचालकों की दाताओं और स्वीकारकर्ताओं के साथ डोपिंग। यह यौगिक अर्धचालकों — III-V और II-VI परिवारों — तक विस्तृत है, जिनके ट्यून करने योग्य प्रत्यक्ष गैप प्रकाश उत्सर्जन के लिए उपयुक्त हैं, और शुद्धिकरण, क्रिस्टल वृद्धि, तथा पतली-फिल्म निक्षेपण विधियों तक भी, जो उपकरण-श्रेणी की सामग्री का उत्पादन करती हैं।

Core questions

• कौन सी बैंड-गैप सीमा एक अर्धचालक को परिभाषित करती है?
• दाता और स्वीकारकर्ता डोपेंट चालकता और वाहक प्रकार को कैसे नियंत्रित करते हैं?
• यौगिक अर्धचालक उपलब्ध बैंड गैप की सीमा को कैसे विस्तृत करते हैं?
• उपकरण-श्रेणी की अर्धचालक सामग्री को कैसे शुद्ध और विकसित किया जाता है?

Key concepts

• बैंड गैप
• आंतरिक और बाह्य अर्धचालक
• दाता और स्वीकारकर्ता डोपिंग
• III-V और II-VI यौगिक
• प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष गैप
• क्रिस्टल वृद्धि और शुद्धिकरण

Key theories

आंतरिक और बाह्य चालन

एक आंतरिक अर्धचालक में, चालन गैप के पार तापीय रूप से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों पर निर्भर करता है; दाता या स्वीकारकर्ता परमाणुओं के साथ डोपिंग उथली अवस्थाएँ जोड़ता है जो एक चुने हुए चिह्न के वाहक प्रदान करते हैं, जिससे चालकता संरचना द्वारा नियंत्रणीय हो जाती है।

यौगिक अर्धचालक और बैंड-गैप इंजीनियरिंग

समूह III और V या II और VI के तत्वों के संयोजन से ऐसे अर्धचालक प्राप्त होते हैं जिनके बैंड गैप और क्या वे प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष हैं, उन्हें संरचना द्वारा ट्यून किया जा सकता है, जिससे विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक और प्रकाश-उत्सर्जक कार्यों के लिए उपयुक्त सामग्रियों का डिज़ाइन संभव होता है।

Mechanisms

दाता डोपेंट चालन बैंड के ठीक नीचे इलेक्ट्रॉन रखते हैं और स्वीकारकर्ता संयोजकता बैंड के ठीक ऊपर छिद्र रखते हैं, इसलिए मामूली तापीय ऊर्जा उन्हें आयनित करती है और वाहक सांद्रता को निर्धारित करती है; एक प्रत्यक्ष गैप के पार वाहक पुनर्संयोजन प्रकाश उत्सर्जित करता है, जो अर्धचालक प्रकाश स्रोतों का आधार है।

Clinical relevance

अर्धचालक पदार्थ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की नींव हैं: डोप किया गया सिलिकॉन ट्रांजिस्टर और एकीकृत परिपथ बनाता है, यौगिक अर्धचालक प्रकाश उत्सर्जक डायोड, लेजर डायोड और फोटोडिटेक्टर बनाते हैं, और सावधानीपूर्वक रसायन विज्ञान द्वारा प्राप्त शुद्धता और क्रिस्टल पूर्णता उपकरण के प्रदर्शन को निर्धारित करती है।

History

अर्धचालकों की समझ 1947 में ट्रांजिस्टर के आविष्कार के आसपास क्रिस्टलीकृत हुई, जिसने दिखाया कि सिलिकॉन और जर्मेनियम की नियंत्रित डोपिंग से एक स्विच करने योग्य, प्रवर्धक उपकरण बनाया जा सकता है। फिर ज़ोन रिफाइनिंग और एकल-क्रिस्टल वृद्धि के विकास ने अतिशुद्ध सामग्री प्रदान की, और यौगिक अर्धचालकों ने इस क्षेत्र को प्रकाश उत्सर्जन और उच्च गति इलेक्ट्रॉनिक्स तक विस्तारित किया।

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

डोपिंग एक विद्युतरोधी दिखने वाले क्रिस्टल को एक उपयोगी चालक में कैसे बदल देती है?

मेजबान की तुलना में एक अधिक या एक कम संयोजकता इलेक्ट्रॉन वाले तत्व की थोड़ी मात्रा जोड़ने से बैंड किनारों के पास उथले ऊर्जा स्तर उत्पन्न होते हैं। ये इलेक्ट्रॉन या छिद्र छोड़ते हैं जो आसानी से सक्रिय हो जाते हैं, जिससे चालकता कई परिमाण के क्रमों में बढ़ जाती है और यह निर्धारित होता है कि चालन नकारात्मक या सकारात्मक वाहकों द्वारा होता है।

प्रकाश उत्सर्जक उपकरण सिलिकॉन के बजाय यौगिक अर्धचालकों का उपयोग क्यों करते हैं?

सिलिकॉन में एक अप्रत्यक्ष बैंड गैप होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन-छिद्र पुनर्संयोजन शायद ही कभी एक फोटॉन उत्सर्जित करता है। कई यौगिक अर्धचालकों में प्रत्यक्ष गैप होते हैं, जहाँ पुनर्संयोजन कुशलता से प्रकाश उत्पन्न करता है, जिससे वे प्रकाश उत्सर्जक डायोड और लेजर डायोड के लिए पसंदीदा सामग्री बन जाते हैं।