સેમિકન્ડક્ટર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ: પ્રકરણ 14

પ્રકરણ 14: સેમિકન્ડક્ટર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ

• આ પ્રકરણ સેમિકન્ડક્ટર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ વિશે છે, જેમાં સામગ્રી, ઉપકરણો અને સરળ સર્કિટનો સમાવેશ થાય છે.

પરિચય

• ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટનો આધાર ઇલેક્ટ્રોનનો નિયંત્રિત પ્રવાહ ધરાવતા ઉપકરણો છે.
• 1948 માં ટ્રાન્ઝિસ્ટરની શોધ પહેલાં, વેક્યૂમ ટ્યુબનો ઉપયોગ થતો હતો, જેમાં ડાયોડ્સ અને ટ્રાયોડ્સનો સમાવેશ થતો હતો.
• વેક્યૂમ ટ્યુબમાં, ગરમ કેથોડ ઇલેક્ટ્રોન પૂરા પાડે છે, અને ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે વોલ્ટેજ બદલીને પ્રવાહને નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે.
• વેક્યૂમ ટ્યુબમાં ઇલેક્ટ્રોડ સ્પેસમાં શૂન્યાવકાશ જરૂરી છે, જેથી હવાના અણુઓ સાથે અથડામણથી ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા ગુમાવે નહીં.
• વેક્યૂમ ટ્યુબમાં ઇલેક્ટ્રોન માત્ર કેથોડથી એનોડ સુધી એક દિશામાં વહન કરી શકે છે, તેથી તેને વાલ્વ કહેવામાં આવે છે.
• વેક્યૂમ ટ્યુબ મોટા, વધુ પાવર વાપરે છે અને તેની વિશ્વસનીયતા ઓછી હોય છે.
• આધુનિક સોલિડ-સ્ટેટ સેમિકન્ડક્ટર ઈલેક્ટ્રોનિક્સનો વિકાસ 1930ના દાયકામાં શરૂ થયો હતો.
• સેમિકન્ડક્ટર્સ અને તેમના જંક્શન્સ ચાર્જ કેરિયર્સની સંખ્યા અને દિશાને નિયંત્રિત કરવાની સંભાવના આપે છે.
• પ્રકાશ, ગરમી અથવા વોલ્ટેજ જેવા સરળ ઉત્તેજના સેમિકન્ડક્ટરમાં મોબાઇલ ચાર્જની સંખ્યા બદલી શકે છે.
• સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં ચાર્જ કેરિયર્સનો પ્રવાહ ઘન પદાર્થની અંદર જ હોય છે.
• અગાઉની વેક્યૂમ ટ્યુબ/વાલ્વમાં, મોબાઇલ ઇલેક્ટ્રોન ગરમ કેથોડમાંથી મેળવવામાં આવતા હતા અને તેઓને શૂન્યાવકાશમાં વહેવડાવવામાં આવતા હતા.
• સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોને બાહ્ય ગરમી અથવા મોટા ખાલી જગ્યાની જરૂર હોતી નથી.
• તેઓ કદમાં નાના હોય છે, ઓછી શક્તિ વાપરે છે, ઓછા વોલ્ટેજ પર કાર્ય કરે છે અને લાંબી આવરદા અને ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતા ધરાવે છે.
• કેથોડ રે ટ્યુબ (સીઆરટી) પણ હવે સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાથે એલસી઼ડી મોનિટર દ્વારા બદલવામાં આવી રહી છે
• સેમીકન્ડક્ટર ઉપકરણોની સંપૂર્ણ સમજણ પહેલા જ, ગેલેના (લીડ સલ્ફાઇડ, PbS) નો કુદરતી રીતે બનતો ક્રિસ્ટલ રેડિયો તરંગો શોધવા માટે વપરાતો હતો.
• આ વિભાગોમાં, આપણે સેમિકન્ડક્ટર ફિઝિક્સના મૂળભૂત ખ્યાલો રજૂ કરીશું અને જંક્શન ડાયોડ્સ અને બાયપોલર જંક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર જેવા કેટલાક સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોની ચર્ચા કરીશું. તેમની એપ્લિકેશનો દર્શાવતી કેટલીક સર્કિટ પણ વર્ણવવામાં આવશે.

ધાતુઓ, વાહકો અને અર્ધવાહકોનું વર્ગીકરણ (Classification Of Metals, Conductors And Semi conductors)

• વિદ્યુત વાહકતા (σ) અથવા પ્રતિકારકતા (ρ = 1/σ) ના આધારે ઘન પદાર્થોનું વર્ગીકરણ:

  • ધાતુઓ: ખૂબ ઓછી પ્રતિકારકતા (ρ ~ 10^-2 - 10^-8 Ω m) અથવા ઉચ્ચ વાહકતા (σ ~ 10^2 - 10^8 S m^-1) હોય છે.
  • સેમિકન્ડક્ટર્સ: ધાતુઓ અને અવાહક વચ્ચેની મધ્યવર્તી પ્રતિકારકતા (ρ ~ 10^-5 - 10^6 Ω m) અથવા વાહકતા (σ ~ 10^5 - 10^-6 S m^-1) હોય છે.
  • અવાહક: ઊંચી પ્રતિકારકતા (ρ ~ 10^11 - 10^19 Ω m) અથવા ઓછી વાહકતા (σ ~ 10^-11 - 10^-19 S m^-1) હોય છે.

• પ્રતિકારકતાના મૂલ્યો માત્ર સંકેત છે અને તે રેન્જની બહાર પણ જઈ શકે છે.

• ધાતુઓ, અવાહકો અને સેમિકન્ડક્ટર્સને અલગ પાડવા માટે પ્રતિકારકતાના મૂલ્યો એકમાત્ર માપદંડ નથી.

• સેમિકન્ડક્ટર્સના પ્રકાર:

  • મૂળભૂત સેમિકન્ડક્ટર્સ: Si(સિલિકોન) અને Ge (જર્મેનિયમ).
  • સંયોજન સેમિકન્ડક્ટર્સ:
    • ઇનઓર્ગેનિક: CdS, GaAs, CdSe, InP વગેરે.
    • ઓર્ગેનિક: એન્થ્રેસીન, ડોપ્ડ ફ્થાલોસાયનાઇન્સ વગેરે.
    • ઓર્ગેનિક પોલિમર: પોલીપાયરોલ, પોલિએનિલીન, પોલીથિયોફીન વગેરે.

• મોટા ભાગનાં સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો Si અથવા Ge અને સંયોજન ઇનઓર્ગેનિક સેમિકન્ડક્ટર પર આધારિત છે.

• 1990 પછી, ઓર્ગેનિક સેમિકન્ડક્ટર્સ અને સેમિકન્ડક્ટિંગ પોલિમરનો ઉપયોગ કરીને કેટલાક સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો વિકસાવવામાં આવ્યા છે.

એનર્જી બેન્ડ્સ(Energy Bands) ના આધારે

• બોહર એટોમિક મોડેલ મુજબ, એક અલગ પરમાણુમાં કોઈપણ ઇલેક્ટ્રોનની ઊર્જા તેની ભ્રમણકક્ષા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.
• જ્યારે પરમાણુઓ એક સાથે આવે છે અને ઘન બનાવે છે ત્યારે તેઓ એકબીજાની નજીક હોય છે.
• નજીકના પરમાણુઓના બહારના ઇલેક્ટ્રોનની ભ્રમણકક્ષા એકબીજાની નજીક અથવા ઓવરલેપ થઈ શકે છે.
• સ્ફટિકની અંદર દરેક ઈલેક્ટ્રોનનું સ્થાન અનન્ય હોય છે અને આસપાસના ચાર્જનો નમૂનો દરેક ઇલેક્ટ્રોન માટે અલગ હોવાથી ઊર્જા સ્તરોમાં ભિન્નતા જોવા મળે છે.
• આ ભિન્ન ઊર્જા સ્તરો સતત ઊર્જા ભિન્નતા સાથે ઊર્જા બેન્ડ બનાવે છે.
• વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનનાં ઊર્જા સ્તરો ધરાવતા ઊર્જા બેન્ડને વેલેન્સ બેન્ડ કહેવામાં આવે છે.
• વેલેન્સ બેન્ડથી ઉપરના ઊર્જા બેન્ડને કન્ડક્શન બેન્ડ કહેવામાં આવે છે.
• કોઈ બાહ્ય ઊર્જા ન હોય ત્યારે બધા વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન વેલેન્સ બેન્ડમાં રહેશે.
• જો કન્ડક્શન બેન્ડનું સૌથી નીચું સ્તર વેલેન્સ બેન્ડના સૌથી ઊંચા સ્તર કરતા નીચું હોય, તો વેલેન્સ બેન્ડના ઇલેક્ટ્રોન સરળતાથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં જઈ શકે છે.
• સામાન્ય રીતે કન્ડક્શન બેન્ડ ખાલી હોય છે, પરંતુ જયારે તે વેલેન્સ બેન્ડ પર ઓવરલેપ થાય છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત રીતે તેમાં જઈ શકે છે, જે ધાતુના વાહકોમાં જોવા મળે છે.
• જો કન્ડક્શન બેન્ડ અને વેલેન્સ બેન્ડ વચ્ચે ગેપ હોય તો વેલેન્સ બેન્ડના ઇલેક્ટ્રોન બંધાયેલા રહે છે અને કન્ડક્શન બેન્ડમાં કોઈ ઇલેક્ટ્રોન ઉપલબ્ધ હોતા નથી, જેના કારણે તે પદાર્થ અવાહક બને છે.
• વેલેન્સ બેન્ડમાંથી કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન કન્ડક્શન બેન્ડ અને વેલેન્સ બેન્ડ વચ્ચેના ગેપને પાર કરવા માટે બાહ્ય ઊર્જા મેળવી શકે છે અને કન્ડક્શન બેન્ડમાં જઈ શકે છે.
• તે જ સમયે તેઓ વેલેન્સ બેન્ડમાં ખાલી ઊર્જા સ્તરો બનાવે છે જ્યાં અન્ય વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન જઈ શકે છે.
• આ પ્રક્રિયા કન્ડક્શન બેન્ડ તેમજ વેલેન્સ બેન્ડમાં ખાલી જગ્યાઓને કારણે વાહકતાની શક્યતા બનાવે છે.
• N અણુઓ ધરાવતા Si અથવા Ge સ્ફટિકના કિસ્સામાં શું થાય છે તે ધ્યાનમાં લઈએ.
• Si માટે, સૌથી બહારનો ઓર્બિટ ત્રીજો ઓર્બિટ (n = 3) છે, જ્યારે Ge માટે તે ચોથો ઓર્બિટ (n = 4) છે.
• સૌથી બહારના ઓર્બિટમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા 4 છે (2s અને 2p ઇલેક્ટ્રોન).
• તેથી સ્ફટિકમાં સૌથી બહારના ઇલેક્ટ્રોનની કુલ સંખ્યા 4N છે.
• સૌથી બહારના ઓર્બિટમાં ઇલેક્ટ્રોનની શક્ય સંખ્યા 8 છે (2s + 6p ઇલેક્ટ્રોન).
• તેથી 4N વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન માટે 8N ઉપલબ્ધ ઊર્જા સ્તરો છે.
• સ્ફટિકમાં અણુઓ વચ્ચેના અંતર પર આધાર રાખીને આ 8N અલગ ઊર્જા સ્તરો સતત બેન્ડ બનાવી શકે છે અથવા વિવિધ બેન્ડમાં જૂથ બનાવી શકાય છે.
• Si અને Geના સ્ફટિક જાળીમાં અણુઓ વચ્ચેના અંતરે આ 8N સ્તરોના ઊર્જા બેન્ડને બે ભાગમાં વહેંચવામાં આવે છે જે ઊર્જા ગેપ Eg દ્વારા અલગ પડે છે (આકૃતિ 14.1).
• નીચલું બેન્ડ જે સંપૂર્ણ શૂન્ય તાપમાને 4N વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનથી સંપૂર્ણપણે ભરાયેલું હોય છે તેને વેલેન્સ બેન્ડ કહેવામાં આવે છે.
• 4N ઊર્જા સ્તરો ધરાવતું અન્ય બેન્ડ, જેને કન્ડક્શન બેન્ડ કહેવાય છે, તે સંપૂર્ણ શૂન્ય તાપમાને સંપૂર્ણપણે ખાલી હોય છે.

ભૌતિકશાસ્ત્ર

• કન્ડક્શન બેન્ડમાં સૌથી નીચું ઊર્જા સ્તર EC તરીકે અને વેલેન્સ બેન્ડમાં સૌથી ઊંચું ઊર્જા સ્તર EV તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે,EC ની ઉપર અને EV ની નીચે મોટી સંખ્યામાં નજીકના ઊર્જા સ્તરો છે, જેમ કે આકૃતિ 14.1 માં દર્શાવવામાં આવે છે.
• વેલેન્સ બેન્ડની ટોચ અને કન્ડક્શન બેન્ડના તળિયા વચ્ચેના ગેપને ઊર્જા બેન્ડ ગેપ (ઉર્જા ગેપ Eg) કહેવામાં આવે છે.
• તે સામગ્રી પર આધાર રાખીને મોટો, નાનો અથવા શૂન્ય હોઈ શકે છે.
• આ વિવિધ પરિસ્થિતિઓ આકૃતિ 14.2 માં દર્શાવવામાં આવી છે.
• કેસ I: આ એક પરિસ્થિતિનો ઉલ્લેખ કરે છે,જેમાં ધાતુ હોય છે, જેમ કે આકૃતિ 14.2(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, કન્ડક્શન બેન્ડ આંશિક રીતે ભરાયેલું હોઈ શકે અથવા વેલેન્સ બેન્ડ અને કન્ડક્શન બેન્ડ ઓવરલેપ થયેલા હોય છે.
• જયારે ઇલેક્ટ્રોન વેલેન્સ બેન્ડમાંથી સરળતાથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં જઈ શકે ત્યારે ઓવરલેપ થાય છે, આ સ્થિતિ વિદ્યુત વાહકતા માટે મોટી સંખ્યામાં વાહક ઇલેક્ટ્રોન ઉપલબ્ધ કરાવે છે અને પ્રતિરોધ ઓછો અથવા વાહકતા વધારે હોય છે.
• કેસ II: આ કિસ્સામાં આકૃતિ 14.2(b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે મોટો બેન્ડ ગેપ موجود (Eg > 3 eV) છે.
• આથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં કોઈ ઇલેક્ટ્રોન નથી અને તેથી વિદ્યુતનું વહન શક્ય નથી, ઊર્જા ગેપ એટલો મોટો છે કે થર્મલ ઉત્તેજના દ્વારા વેલેન્સ બેન્ડમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને કન્ડક્શન બેન્ડમાં લઈ જઈ શકાતો નથી, ઇન્સ્યુલેટરનો આ કિસ્સો છે.
• કેસ III: આ પરિસ્થિતિ આકૃતિ 14.2(c) માં જોવા મળે છે. એક પરિમિત પણ નાનો બેન્ડ ગેપ (Eg < 3 eV) હાજર છે.
• નાના બેન્ડ ગેપના કારણે, રૂમના તાપમાને વેલેન્સ બેન્ડમાંથી કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા મેળવી બેન્ડ ગેપને પાર કરી કન્ડક્શન બેન્ડમાં પ્રવેશી શકે છે.
• આથી સેમીકન્ડક્ટરમાં ઇન્સ્યુલેટર જેટલો ઊંચો અવરોધ હોતો નથી.
• આ વિભાગમાં આપણે ધાતુઓ, વાહકો અને અર્ધવાહકોનું વિસ્તૃત વર્ગીકરણ કર્યું છે અને હવે પછીના વિભાગમાં તમે સેમિકન્ડક્ટરમાં વાહકતા પ્રક્રિયા વિશે સમજશો.

આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર (Intrinsic Semiconductor)

• આપણે Ge અને Si નો સૌથી સામાન્ય કેસ લઈશું જેનું લેટીસ સ્ટ્રકચર આકૃતિ 14.3 માં બતાવેલ છે.
• આ સ્ટ્રકચરને ડાયમંડ-જેવા સ્ટ્રકચર કહેવામાં આવે છે.
• દરેક એટમ ચાર નજીકના નેઈબરથી ઘેરાયેલા હોય છે.
• આપણે જાણીએ છીએ કે Si અને Ge પાસે ચાર વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.
• તેના સ્ફટિકીય બંધારણમાં દરેક એટમ આજુબાજુના ચાર એટમમાના દરેક સાથે પોતાના ચાર વેલેન્સ ઈલેક્ટ્રોનમાંથી એક-એક શેર કરે છે, અને દરેક પાડોશી પાસેથી એક ઇલેક્ટ્રોન શેર કરે છે.
• આ શેર્ડ ઈલેક્ટ્રોન જોડીને કોવેલેન્ટ બોન્ડ અથવા ફક્ત વેલેન્સ બોન્ડ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
• બે શેર્ડ ઈલેક્ટ્રોનને નજીકના એટમ્સ વચ્ચે આગળ-પાછળ જતા હોવાનું માની શકાય છે. જે એકબીજાને મજબૂતીથી પકડી રાખે છે.
• આકૃતિ 14.3 માં Si અથવા Ge સ્ટ્રકચરનું схематично દ્વિ-પરિમાણીય રજૂઆત દર્શાવે છે જે સહસંયોજક બંધન પર ભાર મૂકે છે આ નીચા તાપમાને ઉદ્ભવતી આદર્શ પરિસ્થિતિ છે જ્યાં કોઈ બંધન તૂટેલા નથી અને જેમ તાપમાન વધે છે તેમ આ ઈલેક્ટ્રોનને વધુ થર્મલ ઊર્જા મળતા કેટલાક ઈલેક્ટ્રોન દૂર થતા જાય છે (મુક્ત ઈલેક્ટ્રોન વાહકતામાં ફાળો આપે છે).
• થર્મલ ઊર્જા સ્ફટિક લેટીસમાં થોડા એટમ્સને અસરકારક રીતે આયોનાઈઝ કરે છે અને બોન્ડમાં ખાલી જગ્યા બનાવે છે જે આકૃતિ 14.5(a) માં દર્શાવેલ છે).
• નેઈબરહૂડ કે જ્યાંથી ચાર્જ -q વાળો ફ્રી ઈલેક્ટ્રોન બહાર આવે છે તે જગ્યા પર +q ચાર્જ સાથેની ખાલી જગ્યા બનાવે છે અને અસરકારક પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ સાથેની જગ્યાને હોલ કહેવામાં આવે છે.
• હોલ અસરકારક પોઝિટિવ ચાર્જ ધરાવતા દેખીતા ફ્રી પાર્ટિકલ તરીકે વર્તે છે.
• Intrinsic સેમિકન્ડક્ટરમાં ફ્રી ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા હોલની સંખ્યા જેટલી હોય છે અને તેને નીચે પ્રમાણે દર્શાવાય છે: ne = nh = ni.
• જ્યાં ni ને ઈન્ટ્રીન્સીક કેરિયર સાંદ્રતા કહેવામાં આવે છે.
• સેમીકન્ડક્ટરમાં વિશિષ્ટ પ્રોપર્ટી હોય છે જેમાં હોલ પણ ઇલેક્ટ્રોનની જેમ કાર્ય કરે છે ધારો કે સાઇટ 1 પર આકૃતિમાં હોલ છે 14.5a હોલની ગતિને આકૃતિ 14.5 b માં જોઈ શકાય છે સાઈટ 2 પરના કોવેલેન્ટ બોન્ડથી એક ઇલેક્ટ્રોન ખાલી સાઈટ 1 (હોલ) પર જઈ શકે છે આમ જમ્પ પછી, હોલ સાઈટ 2 પર છે અને સાઈટ 1 પાસે હવે ઈલેક્ટ્રોન છે તેથી દેખીતી રીતે હોલ સાઇટ 1 થી સાઇટ 2 પર ગયો છે ધ્યાનમાં રાખો કે મૂળરૂપે ફ્રી થયેલો ઇલેક્ટ્રોન હોલની ગતિની આ પ્રક્રિયામાં સામેલ નથી ફ્રી ઈલેક્ટ્રોન સંપૂર્ણપણે કન્ડકશન ઈલેક્ટ્રોન તરીકે કાર્ય કરે છે અને લાગુ કરેલ ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ હેઠળ ઇલેક્ટ્રોન કરંટનો ભાગ આપે છે યાદ રાખો કે હોલની ગતિ થોડા બંધાયેલા ઇલેક્ટ્રોનની મોશન વર્ણવવાની અનુકૂળ રીત છે ગમે ત્યારે સ્ફટિકમાં ખાલી બંધન હાજર હોય છે એક ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ ની ક્રિયા હેઠળ આ હોલ નેગેટિવ પોટેન્શિયલ તરફ જાય છે અને હોલ કરંટ આપે છે આમ ટોટલ કરંટ એ ઇલેક્ટ્રોન કરંટ eI અને હોલ કરંટ Ih નો સરવાળો છે I = Ie + Ih નોંધવું જોઇએ કે કન્ડકશન ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ પેદા થવાની એક સાથે જ રીકોમ્બિનેશન(Recombination) ની પ્રક્રિયા પણ થાય છે જેમાં ઇલેક્ટ્રોન રીકોમ્બાઇન(Recombine) થઈને હોલ જોડે છે સંતુલન સમયે પેદા થવાનો દર ચાર્જ કરિયર્સના રિકોમ્બિનેશન(Recombination) રેટ જેટલો થાય છે રિકોમ્બિનેશન(Recombination) હોલ સાથે અથડાતા ઈલેક્ટ્રોનને કારણે થાય છે

ભૌતિકશાસ્ત્ર

• આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર T = 0 K પર એક અવાહકની જેમ વર્તે છે.
• ઊંચા તાપમાને (T > 0 K), થર્મલ ઊર્જા કેટલાક ઇલેક્ટ્રોનને વેલેન્સ બેન્ડમાંથી કન્ડક્શન બેન્ડમાં ઉત્તેજિત કરે છે.
• T > 0 K પરના આ થર્મલી ઉત્તેજિત ઇલેક્ટ્રોન કન્ડક્શન બેન્ડ પર આંશિક રીતે કબજો કરે છે.
• આથી આંતરિક સેમિકન્ડક્ટરનો ઊર્જા-બેન્ડ આકૃતિ આકૃતિ 14.6(b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે હશે.
• અહીં કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન કન્ડક્શન બેન્ડમાં બતાવેલ છે.
• આ વેલેન્સ બેન્ડ છોડીને સમાન સંખ્યામાં હોલ બનાવે છે.

ઉદાહરણ14.1 C, Si અને Ge સમાન લેટીસ(Lattice) ساختار ધરાવે છે. C ઇન્સ્યુલેટર કેમ છે જ્યારે Si અને Ge ઇન્ટ્રિસિક સેમીકન્ડક્ટર છે?

• સોલ્યુશન C, Si અથવા Ge ના 4 બોન્ડીંગ ઇલેક્ટ્રોન અનુક્રમે બીજા, ત્રીજા અને ચોથા ઓર્બિટમાં રહેલા હોય છે.
• તેથી આ એટમમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને બહાર કાઢવા માટે જરૂરી ઊર્જા (એટલે કે, આયનોઇઝેશન ઊર્જા Eg) Ge માટે સૌથી ઓછી હોય છે, ત્યારબાદ Si અને પછી Cમાટે ઊંચી હોય છે.
• આથી વહન માટે Ge અને Si માં મુક્ત ઈલેક્ટ્રોનની સંખ્યા નોંધપાત્ર છે પરંતુ C માટે તે નજીવી છે.

બાહ્ય સેમીકન્ડક્ટર (Extrinsic Semiconductor)

• આંતરિક સેમિકન્ડક્ટરની વાહકતા તેના તાપમાન પર આધાર રાખે છે, પરંતુ ઓરડાના તાપમાને તેની વાહકતા ઘણી ઓછી હોય છે.
• તેથી ઈમ્પ્યુરીટીસ(impurities) નો ઉપયોગ કરીને તેની(વાહકતા) સુધારવાની આવશ્યકતા રહે છે.
• જ્યારે થોડી માત્રામાં યોગ્ય ઈમ્પ્યુરીટી(impurity) શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટરમાં ભેળવવામાં આવે છે , ત્યારે સેમીકન્ડક્ટરની વાહકતા અનેકગણી વધી જાય છે.
• આવા પદાર્થોને બાહ્ય સેમીકન્ડક્ટર(Extrinsic Semiconductor) અથવા અશુદ્ધતા સેમીકન્ડક્ટર(Impurity Semiconductor) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
• અશુદ્ધતા ઉમેરવાની પ્રક્રિયાને ડોપિંગ(Doping) કહેવામાં આવે છે અને અશુદ્ધતા અણુઓને ડોપન્ટ્સ(Dopants) કહેવામાં આવે છે.
• ડોપન્ટ એટલી માત્રામાં ઉમેરવો જોઈએ કે સ્ફટિકમાં અણુઓની મૂળ રચનામાં કોઈ વિક્ષેપ ના પડે .તે સ્ફટિકમાં સેમીકન્ડક્ટર અણુ સાઇટ્સની થોડી જગ્યાઓ જ રોકે છે.
• આ માટે ડોપન્ટ અને સેમીકન્ડક્ટર અણુઓનું કદ લગભગ સમાન હોવું જરૂરી છે.
• ડોપિંગમાં મુખ્યત્વે બે પ્રકારના ડોપન્ટ્સ વપરાય છે
  • (i) પેન્ટાવેલેન્ટ (સંયોજકતા 5); જેમ કે આર્સેનિક (As), એન્ટિમોની (Sb), ફોસ્ફરસ (P), વગેરે.
  • (ii) ટ્રાયવેલેન્ટ (સંયોજકતા 3); જેમ કે ઇન્ડિયમ (In), બોરોન (B), એલ્યુમિનિયમ (Al), વગેરે.

ભૌતિકશાસ્ત્ર

• ડોપિંગ (Doping)ભાર વાહકોની સંખ્યા કેવી રીતે બદલે છે(અને તેથી સેમિકન્ડક્ટરની વાહકતા) તે જોઈએ Si અથવા Ge આવર્ત કોષ્ટકમાં ચોથા સમૂહના છે અને તેથી આપણે નજીકના પાંચમા અથવા ત્રીજા જૂથના ડોપન્ટ તત્વને પસંદ કરીએ છીએ, અને એવી અપેક્ષા રાખીએ છીએ કે Si અથવા Ge ડોપન્ટમાં પરમાણુનું કદ લગભગ સમાન હોય રસપ્રદ વાત એ છે કે Si અથવા Geમાં પેન્ટાવેલેન્ટ અને ત્રિસંયોજક ડોપન્ટો તદ્દન અલગ પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરો આપે છે જેની ચર્ચા નીચે મુજબ છે
  • (i) n-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર ધારો કે આપણે Si અથવા Geમાં પેન્ટાવેલેન્ટ તત્વ સાથે ડોપીંગ કર્યું છે આકૃતિ 14.7 માં બતાવ્યા પ્રમાણે જ્યારે કોઈ +5 સંયોજકતા ધરાવતું તત્વ Si જાળીમાંના અણુની સ્થિતિને રોકે છે ત્યારે તેના પાંચ ઇલેક્ટ્રોનમાંથી ચાર સિલિકોનના ચાર પાડોશીઓ સાથે જોડાય છે જ્યારે પાંચમો ઇલેક્ટ્રોન તેના માતાપિતા એટમ સાથે ખૂબ જ નબળા બંધનમાં રહે છે આમ તેનું કારણ એ છે કે બોન્ડીંગમાં ભાગ લેનારા ચાર ઇલેક્ટ્રોન એ પાંચમા ઈલેક્ટ્રોન(fifth electron) દ્વારા એટમના અસરકારક કોરના ભાગ તરીકે દેખાય છે પરિણામે આ ઇલેક્ટ્રોનને મુક્ત કરવા માટે જરૂરી આયનીકરણ ઊર્જા ખૂબ જ ઓછી છે અને ઓરડાના તાપમાને પણ તે વાહકતા માટે સેમિકન્ડક્ટર જાળીમાં ફરવા માટે મુક્ત થઈ જશે દાખલા તરીકે જર્મેનિયમ માટે જરૂરી ઊર્જા 0.01 eV છે અને સિલિકોન માટે આ ઇલેક્ટ્રોનને તેના અણુથી અલગ કરવા માટે 0.05 eV છે આ વિપરીત પરિસ્થિતિમાં પ્રતિબંધિત બેન્ડમાં કૂદકો મારવા માટે જરૂરી ઊર્જાના (જર્મેનિયમ માટે લગભગ 0.72 eV અને સિલિકોનમાટે લગભગ 1.1 eV) વિરોધાભાસી છે આથી પેન્ટાવેલેન્ટ ડોપન્ટ વાહકતા માટે એક વધારે ઇલેક્ટ્રોનનું ડોનેટ કરે છે અને તેથી આ ડોનર ઈમ્પ્યુરીટી(Donor impurity) તરીકે ઓળખાય છે ડોપન્ટ અણુઓ દ્વારા વહન માટે ઉપલબ્ધ કરાયેલા ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા ડોપિંગ સ્તર પર ખૂબ જ આધાર રાખે છે અને તે આજુબાજુના તાપમાનમાં થતા વધારાથી સ્વતંત્ર છે બીજી બાજુ Si અણુઓ દ્વારા પેદા કરાયેલા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા (જેટલીજ હોલની સંખ્યા ) તાપમાનમાં થોડા વધારા સાથે વધે છે આથી ડોપ કરેલા સેમિકન્ડક્ટરમાં વહન ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા જેને ડોનર આપે છે અને તે ઇન્ટ્રીસીકલીં પેદા થયેલા ઇલેક્ટ્રોનને પણ આપે છે જ્યારે હોલ માત્ર ઇન્ટ્રિસિંક સ્ત્રોતને આભારી હોય છે પરંતુ હોલના પુનઃ સંયોજનનો દર ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યામાં વધારો થવાને કારણે વધે છે પરિણામે હોલની સંખ્યા વધુ ઘટશે આમ યોગ્ય સ્તરના ડોપીંગ સાથે વહન ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા હોલની સંખ્યા કરતા ઘણી વધારે કરી શકાય છે આથી બાહ્ય સેમીકન્ડક્ટરમાં પેન્ટાવેલેન્ટ અશુદ્ધિ સાથે ડોપ કરેલો સેમીકન્ડક્ટર, ઈલેક્ટ્રોન મુખ્ય વાહક બને છે અને હોલ લઘુમતી વાહક બને છે આથી આ સેમીકન્ડક્ટરને N-પ્રકાર સેમીકન્ડક્ટર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે અને N-પ્રકાર સેમીકન્ડક્ટર માટે આપણી પાસે ne >> nh
  • ii) p-પ્રકાર સેમીકન્ડક્ટર આ ત્યારે મેળવી શકાય છે જ્યારે Si અથવા Ge જે ટ્રાયવેલેન્ટ અશુદ્ધિ સાથે ડોપ થયેલ હોય દાખલા તરીકે Al, B, In, વગેરે ડોપન્ટ પાસે Si અથવા Ge કરતા એક સંયોજકતા ઈલેક્ટ્રોન ઓછો હોય છે અને તેથી આજુબાજુના ત્રણ Si અણુઓ સાથે સહસંયોજક બંધન બનાવી શકે છે પરંતુ ચોથા Si અણુ માટે કોઈ ઇલેક્ટ્રોન આપી શકતો નથી તેથી ચોથા નેઈબર અનેટ્રાયવેલેન્ટ એટમવચ્ચેનું બંધન આકૃતિ 14.8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે ખાલી જગ્યા અથવા હોલ તરીકે હોય છે કારણ કે જાળીમાં રહેલો નજીકનો Si એટમ હોલના સ્થાને ઇલેક્ટ્રોન ઇચ્છે છે નજીકના એટમના આઉટર ઓર્બિટનો ઇલેક્ટ્રોન આ ખાલી જગ્યાને ભરવા માટે કૂદી શકે છે તેથી તે જ જગ્યાએ ખાલી જગ્યા અથવા હોલ છોડી દે છે આથી હોલ વહન માટે ઉપલબ્ધ છે ધ્યાનમાં રાખો કે ત્રણ સંયોજકતાવાળો વિદેશી એટમ અસરકારક રીતે નેગેટિવ ચાર્જ બને છે જ્યારે તે નજીકના Si એટમ સાથે ચોથો ઇલેક્ટ્રોન શેર કરેછે તેથી p-પ્રકારની સામગ્રીના ડોનર એટમને એક નેગેટિવ ચાર્જના કોર તરીકે ગણી શકાય છે તેની સાથે એક હોલ જોડાયેલો હોયછે જે આકૃતિ 14.8 b માં બતાવ્યા પ્રમાણે તે સ્પષ્ટ છે કે એક સ્વીકારનાર એટમ એક હોલ આપે છે અને આ હોલ ઇન્ટ્રીસીકલીં રીતે પેદા થતા હોલ ઉપરાંત હોય છે જ્યારે વહન ઇલેક્ટ્રોનનો સ્ત્રોત માત્ર ઇન્ટ્રિસિંક પેદાશ જ હોય છે આમ આ સામગ્રીમા હોલ મુખ્ય વાહક બનેછે અને ઇલેક્ટ્રોન લઘુમતી વાહક હોય છે તેથી એક્સ્ટ્રિંસિક સેમિકન્ડક્ટરને ટ્રાયવેલેન્ટ અશુદ્ધિ સાથે ડોપ કરવામાં આવે તો p-પ્રકાર સેમિકન્ડક્ટર કહેવાય છે p- પ્રકાર સેમિકન્ડક્ટર માટે રિકોમ્બિનેશન(Recombination) ની પ્રોસેસમાં ઈન્ટ્રિસિંકલીંજ પેદા થતા ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા ne ઘટાડશે આપણી પાસે p પ્રકારના સેમીકન્ડક્ટર માટે કઈક આવું હોય છે

nh >> ne નોંધ લો કે સ્ફટિક તેના સમગ્ર ચાર્જ તટસ્થતાને જાળવી રાખેછે કારણ કે વધારાના ચાર્જ કેરિયર્સનો જથ્થો જાળીમાં રહેલા આયોનાઈઝ્ડ કોરો જેટલો અને વિરુદ્ધ હોયછે એક્સ્ટ્રિંસિક સેમીકન્ડક્ટરમાં મોટી સંખ્યામાં પ્રવાહ વાહકો હોવાથી થર્મલી પેદા થતા લઘુમતી કેરિયર્સ મુખ્ય કરંટ કેરિયર્સને મળવાની શક્યતા વધારે હોય છે