अर्धसंवाहक

अर्धसंवाहक : ज्या पदार्थांची विद्युत् संवाहकता, संवाहक आणि निरोधक यांच्या विद्युत् संवाहकतांच्या दरम्यान असते त्यांना ‘अर्धसंवाहक’ म्हणतात. अर्धसंवाहकांचा ट्रँझिस्टरमध्ये विशेष उपयोग होतो. कोणत्याही द्रव्याचा एक अणू लक्षात घेतल्यास त्यामधील प्रत्येक इलेक्ट्रॉनाला पुंजसिद्धांतानुसार [→ पुंज क्षेत्र सिद्धांत] काही विशिष्ट ऊर्जामूल्ये धारण करता येतात. परंतु असे अनेक अणू एकमेकांजवळ येऊन जेव्हा स्फटिक तयार होतो, तेव्हा या अणूंमधील अंतर इतके कमी होते की, त्यांमधील इलेक्ट्रॉनाच्या परिभ्रमणकक्षा एकमेकांस व्यापू लागतात. याचा परिणाम असा होतो, की इलेक्ट्रॉनाच्या ऊर्जापातळ्या प्रसरण पावून स्फटिकामधील पट्टरचना तयार होते. अणूच्या s, p, d, f,… इ. इलेक्ट्रॉनांच्या ऊर्जापातळ्यांनुसार [→ अणु व आणवीय संरचना] हे नवे ऊर्जापट्ट तयार होतात. अणुकेंद्रापासून जास्तीत जास्त अंतरावर असलेल्या पट्टाला ‘संयुजी पट्ट’ म्हणतात. अर्धसंवाहक स्फटिकांच्या संदर्भात संयुजी पट्टापेक्षा जास्त ऊर्जा असलेला नजीकचा अनुमत पट्ट ०^० के. (-२७३^० से.) तापमानाला पूर्णतः मोकळा असतो. त्याला ‘संवाहक पट्ट’ असे नाव आहे. या दोन पट्टांमधील इलेक्ट्रॉनांनी न व्यापल्या जाणाऱ्‍या मोकळ्या पट्टास ‘निषिद्ध पट्ट’ म्हणतात.

संवाहकाच्या स्फटिकामध्ये निषिद्ध पट्टाला अस्तित्व नसते. त्यामधील संयुजी आणि संवाहक पट्ट एकमेकांना व्यापतात. एखाद्या द्रव्याच्या निषिद्ध पट्टाची रुंदी दोन ते तीन इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट (ev) पेक्षा (इलेक्ट्रॉन-व्होल्ट म्हणजे एक व्होल्ट विद्युत् दाबाखाली प्रवेगित केलेल्या इलेक्ट्रॉनाची ऊर्जा) कमी असेल तर ते द्रव्य अर्धसंवाहकात मोडते. यापेक्षा जास्त रुंद निषिद्ध पट्टाच्या द्रव्याला ‘निरोधक’ म्हणतात.

अर्धसंवाहकाचे विद्युत् गुणधर्म तापमान, दाब, प्रकाश, अणुकेंद्रीय प्रारण, विद्युत् क्षेत्र, कर्षुक क्षेत्र इत्यादींवर अवलंबून असतात. अर्धसंवाहकताची विद्युत् संवाहकता १०^४ ते १०^-१० (ओहम-सेंमी)^-१ असते तर संवाहकांची १०^६ते १०^५ (ओहम-सेंमी.)^-१ आणि निरोधकांची १०^-१४ (ओहम-सेंमी.)^-१ पेक्षा कमी असते. वाढत्या तापमानाबरोबर (T) अर्धसंवाहकाची विद्युत् संवाहकता (σ) ढोबळ मानाने पुढील नियमानुसार वाढत जाते :

σ=σ _० exp (–B/T)

वरील समीकरणामधील B हा स्थिरांक अर्धसंवाहकाच्या निषिद्ध पट्टाच्या रुंदीप्रमाणे बदलतो. σ _० हा दुसरा स्थिरांक आहे.

आयनीय आणि इलेक्ट्रॉनीय अर्धसंवाहक : अर्धसंवाहक द्रव्याचे दोन प्रकार पडतात. आयनीय अर्धसंवाहकांमध्ये स्फटिक-जालकातील आयनांकरवी (विद्युत् भारित अणूंकरवी, → आयन) विद्युत् संवहन होते, तर इलेक्ट्रॉनीय अर्धसंवाहकांमध्ये इलेक्ट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉनाच्या अनुपस्थितीमुळे उत्पन्न झालेल्या धन पोकळ्या (होल) यांच्या करवी विद्युत् प्रवाह वाहतो. आयनीय अर्धसंवाहकांमधून ज्या वेळी विद्युत् प्रवाह वाहतो, त्या वेळी अर्धसंवाहक द्रव्य स्फटिकाच्या एका भागातून दुसऱ्‍या भागामध्ये नेले जाते आणि त्यामुळे स्फटिकरचना बदलते. याच कारणाने आयनीय अर्धसंवाहकांचा ट्रँझिस्टरसारख्या उपकरणामध्ये उपयोग करता येत नाही. याउलट इलेक्ट्रॉनीय अर्धसंवाहक द्रव्ये मात्र व्यावहारिक दृष्टीने फार महत्त्वाची आहेत.

अर्धसंवाहक द्रव्ये : रासायनिक दृष्ट्या अर्धसंवाहक द्रव्यांचे पुढीलप्रमाणे वर्गीकरण करता येते : (१) मूलद्रव्ये : B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, α-Sn, Sb, Te आणि I.

आ. १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे ही मूलद्रव्ये मेंडेलेव्ह यांच्या आवर्त सारणीमध्ये (मूलद्रव्यांच्या विशिष्ट पद्धतीने केलेल्या कोष्टकरूप मांडणीमध्ये, →आवर्त सारणी) एकत्र आढळतात. प्रत्येक मूलद्रव्याच्या उजव्या बाजूला वर्तुळामध्ये त्या मूलद्रव्याच्या निषिद्ध पट्टाची रुंदी दाखविलेली असून ती खालून वर आणि डावीकडून उजवीकडे वाढत असल्याचे दिसते.

खालील (२) ते (७) या वर्गीकरणांत अ आणि ब ही अक्षरे अर्धसंवाहक द्रव्यातील अनुक्रमे पहिली व दुसरी मूलद्रव्ये दर्शवितात. या अक्षरांच्या डोक्यावरील आकडे त्या मूलद्रव्यांचे आवर्त सारणीतील गटक्रमांक दर्शवितात. ही वर्गीकरणे I-VII अशी रोमन आकड्यांनी गटक्रमांक दर्शवून लिहिण्याचा सर्वसामान्य प्रघात आहे.

(२) अ^१ब^७ द्रव्ये : उदा., CuCl, AgBr. (३) अ^२ब^६ द्रव्ये: उदा., ZnS, CdS, ZnO. (४) अ^३ब^५ द्रव्ये: उदा., AlP, GaP, GaAs. (५) अ^४ब^४ द्रव्ये : उदा., SiC, GeSi. (६) अ^१ब^६ द्रव्ये : उदा., Cus, CuO. (७) अ^४ब^६ द्रव्ये : उदा., PbS. PbTe. (८) काही कार्बनी द्रव्ये : उदा., अँथ्रँसीन.

अंगभूत आणि अपद्रव्यमिश्रित अर्धसंवाहक : अर्धसंवाहकाचे तापमान वाढविले असता त्यातील काही इलेक्ट्रॉन संयुजी पट्टामधून संवाहक पट्टामध्ये जातात आणि त्यामुळे अर्धसंवाहकाला विद्युत् संवाहकता प्राप्त होते. या प्रकारच्या अर्धसंवाहकाला ‘अंगभूत अर्धसंवाहक’ म्हणतात. याउलट ज्या अर्धसंवाहकाला अपद्रव्यामुळे विद्युत् संवाहकता येते, त्या अर्धसंवाहकाला ‘अपद्रव्यमिश्रित अर्धसंवाहक’ म्हणतात. अपद्रव्य-मिश्रित अर्धसंवाहकाचे ‘इलेक्ट्रॉनीय’ व ‘पोकळीयुक्त’ असे आणखी दोन प्रकार पडतात. इलेक्ट्रॉनीय अर्धसंवाहकांमध्ये इलेक्ट्रॉन हेच प्रमुख विद्युत् संवाहक असतात. अपद्रव्यामधील जादा इलेक्ट्रॉन मोकळा झाल्याने तो विद्युत् भारवाहक बनतो. अशा रीतीने अपद्रव्याच्या अणूपासून मुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन अर्धसंवाहकाला दिले जातात, म्हणून अशा प्रकारच्या अपद्रव्याला ‘दाता अपद्रव्य’ असे म्हणतात. याउलट पोकळीयुक्त अर्धसंवाहकांमध्ये मुख्यतः धन पोकळ्यांमुळेच विद्युत् संवाहन होते. जेव्हा अर्धसंवाहकाच्या अणूंपासून अपद्रव्याच्या अणूंना इलेक्ट्रॉन दिले जातात, तेव्हा अर्धसंवाहकाच्या संयुजी पट्टामध्ये धन पोकळ्या निर्माण होतात. अशा प्रकारच्या अपद्रव्याला ‘स्वीकारक अपद्रव्य’ असे नाव आहे.

विद्यूत् संवाहनाची क्रिया : (१) अंगभूत अर्धसंवाहक : आवर्त सारणीमधील चतुर्थ वर्गाचे मूलद्रव्य जर्मेनियम (Ge) विचारात घेऊ. जर्मेनियमाच्या प्रत्येक अणूमध्ये चार संयुजी इलेक्ट्रॉन असतात.

      २ (अ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे जर्मेनियमाच्या स्फटिकामध्ये प्रत्येक अणू इलेक्ट्रॉन – इलेक्ट्रॉन सांध्यांनी नजीकच्या चार अणूंशी सांधलेला असतो. आ. २(आ) मध्ये जर्मेनियमाचा स्फटिक द्विमितीमध्ये दाखविला आहे. अशा स्फटिकांमधील अणू इलेक्ट्रॉनांची सारखी देवाणघेवाण करीत असतात. परंतु या क्रियेने वाहून नेला जाणारा परिणामी विद्युत् भार शून्य असल्याने विद्युत् प्रवाह वाहू शकत नाही.

जर्मेनियमाच्या या स्थितीतील स्फटिकामधील संयुजी पट्ट इलेक्ट्रॉनांनी संपूर्ण भरलेला असतो. त्याउलट संवाहक पट्ट अगदी मोकळा असतो [ पहा : आ. २ (इ)]. उष्णतेने होणारी स्फटिक जालकाची कंपने, प्रकाशकण किंवा किरणोत्सारी द्रव्यापासून निघणारे किरण यांनी दिलेली ऊर्जा संयुजी इलेक्ट्रॉनाला संयुजी पट्टातून संवाहक पट्टात नेण्यास पुरेशी असल्यास विद्युत् प्रवाह वाहू शकतो. म्हणजेच संयुजी पट्टामधून एक

इलेक्ट्रॉन संवाहक पट्टामध्ये जातो आणि संयुजी पट्टामध्ये एक पोकळी निर्माण होते व तिचा विद्युत् भार धन असतो. या स्फटिकाला बाह्य विद्युत् क्षेत्र लावल्यास इलेक्ट्रॉन विद्युत् क्षेत्राच्या विरुद्ध दिशेने जाऊ लागतात आणि त्याबरोबरच विद्युत् क्षेत्राच्या दिशेने धन पोकळीचे चलन होते. पोकळ्या धन विद्युत् भाराने युक्त असल्याने इलेक्ट्रॉन व पोकळी यांच्या हालचालीमुळे परिणामी विद्युत् प्रवाह एकाच दिशेने वाहू लागतो. अंगभूत संवाहकामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि पोकळ्या यांची संख्या समान असून ती वाढत्या तापमानानुसार वाढत जाते.

(२) दाता अपद्रव्यमिश्रित अर्धसंवाहक : जर्मेनियमाच्या स्फटिकामध्ये आवर्त सारणीतील पाचव्या वर्गाचे मूलद्रव्य (उदा., फॉस्फरस, आर्सेनिक अथवा अँटिमनी) मिश्रित केले आहे असे समजू. फॉस्फरसाच्या एका अणूमध्ये पाच संयुजी इलेक्ट्रॉन असतात. त्यांपैकी चार इलेक्ट्रॉन- इलेक्ट्रॉन सांध्यांनी नजीकच्या जर्मेनियम अणूशी सांधले जातात. परंतु फॉस्फरसाचा पाचवा इलेक्ट्रॉन मोकळाच राहतो आणि त्यामुळे या इलेक्ट्रॉनाची फॉस्फरसाच्या अणूबरोबर बांधली जाण्याची ऊर्जाε^२ या पटीने कमी होते. येथे ε हा अर्धसंवाहकाचा विद्युत् निरोधन स्थिरांक होय   [ पहा : आ. ३ (अ) ]. म्हणून हा पाचवा इलेक्ट्रॉन फॉस्फरसाच्या अणूपासून वेगळा करण्यासाठी अगदी थोडी ऊर्जा पुरेशी होते. ही ऊर्जा उष्णतेने होणाऱ्‍या कंपनांतून सहज मिळू शकते. अशा प्रकारे मुक्त झालेला हा पाचवा इलेक्ट्रॉन विद्युत् संवाहन घडवून आणतो. परंतु फॉस्फरसाच्या अणूवर उत्पन्न झालेली धन विद्युत् मात्र फॉस्फरसाच्या अणूवरच स्थिर राहते आणि विद्युत् संवहनाला तिचा उपयोग होत नाही. या स्फटिकाला बाहेरून विद्युत् क्षेत्र लावल्यास केवळ मुक्त इलेक्ट्रॉनाच्या साहाय्याने विद्युत् प्रवाह वाहू लागतो. म्हणून अशा अर्धसंवाहकाला ‘इलेक्ट्रॉनीय-‘ अथवा ‘n– प्रकारचा अर्धसंवाहक’ म्हणतात.

स्फटिकाचे तापमान ०^० के. पेक्षा जास्त असल्यास संयुजी पट्टामधून काही इलेक्ट्रॉन संवाहक पट्टामध्ये जातात. यामुळे जर्मेनियमामध्येही काही धन पोकळ्या निर्माण होतात. परंतु अशा पोकळ्या उत्पन्न होण्याकरिता त्या मानाने बरीच जास्त ऊर्जा लागते. म्हणून जोपर्यंत अर्धसंवाहकात अपद्रव्य शिल्लक असते, तोपर्यंत पोकळ्यांची संख्या इलेक्ट्रॉनांच्या संख्येपेक्षा अनेक पटींनी कमी असते. याच कारणाने इलेक्ट्रॉनीय अर्धसंवाहकामध्ये पोकळ्यांना ‘अल्पसंख्य विद्युत् संवाहक’ आणि इलेक्ट्रॉनांना ‘बहुसंख्य विद्युत् संवाहक’ म्हणतात. इलेक्ट्रॉनीय अर्धसंवाहकाची पट्टरचना आ. ३ (आ) मध्ये दाखविली आहे.

(३) स्वीकारक अपद्रव्यमिश्रित अर्धसंवाहक : जर्मेनियमाच्या स्फटिकामध्ये आवर्त-सारणीतील तिसऱ्‍या वर्गाचे मूलद्रव्य (उदा., बोरॉन, ॲल्युमिनियम, इंडियम अथवा गॅलियम) मिश्रित केले आहे असे समजू. बोरॉनाच्या प्रत्येक अणूमध्ये असणारे तीन संयुजी इलेक्ट्रॉन नजीकच्या तीन जर्मेनियम अणूंबरोबर इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन सांध्यांनी सांधलेले असतात [पहा : आ. ४ (अ)]. बोरॉनाचा जर्मेनियमाशी चौथा सांधा मात्र पूर्ण होत नाही आणि तो पूर्ण करण्यासाठी बोरॉन अणू नजीकच्या जर्मेनियम अणूकडून एक इलेक्ट्रॉन हस्तगत करतो. अशा रीतीने बोरॉनाचा अणू जर्मेनियमाच्या चार अणूंबरोबर सांधला जातो, पण त्यावरील विद्युत् भार मात्र ऋण बनतो. बोरॉन अणूवर ऋण विद्युत् स्थिर राहते आणि विद्युत् संवाहनामध्ये भाग घेऊ शकत नाही. वर वर्णन केलेला अपूरित सांधा किंवा धन पोकळी मात्र विद्युत् क्षेत्राच्या दिशेने जाऊ शकते म्हणजेच अर्धसंवाहकातून विद्युत् प्रवाह वाहू लागतो. स्वीकारक अपद्रव्यमिश्रित अर्धसंवाहकाला ‘पोकळीयुक्त-‘ किवा ‘p−प्रकारचा अर्धसंवाहक’ म्हणतात. पोकळीयुक्त अर्धसंवाहकाची पट्टरचना आ. ४ (आ) मध्ये दाखविली आहे. पूर्वी म्हटल्याप्रमाणे अशा अर्धसंवाहकामध्ये उष्णतेमुळे इलेक्ट्रॉन-पोकळी या जोड्या काही प्रमाणामध्ये नेहमीच निर्माण होत असतात. त्यामुळे p-प्रकारच्या अर्धसंवाहकामध्ये पोकळ्या या बहुसंख्य विद्युत् संवाहक आणि इलेक्ट्रॉन हे अल्पसंख्य विद्युत् संवाहक होत.

अपद्रव्यमिश्रित अर्धसंवाहकाच्या स्फटिकाचे तापमान पुरेसे वाढविल्यास अंगभूत इलेक्ट्रॉन-पोकळी जोड्यांची संख्या बरीच जास्त होते. सारांश, उच्च तापमानात सर्वच अर्धसंवाहक अंगभूत अर्धसंवाहक बनतात.

अर्धसंवाहकामधील इलेक्ट्रॉन आणि पोकळ्या यांची संख्याघनता n आणि p या अक्षरांनी दाखविल्यास ठराविक तापमानात n आणि p यांचा गुणाकार प्रत्येक अर्धसंवाहकापुरता स्थिरांक असतो.

हॉल परिणाम : जर एखाद्या अर्धसंवाहक स्फटिकामधून विद्युत् प्रवाह वाहत असेल, आणि विद्युत् प्रवाहाच्या दिशेला काटकोन करून कर्षुकीय क्षेत्र उपस्थित असेल, तर विद्युत् प्रवाह व कर्षुकीय क्षेत्र यांच्या दिशांच्या काटकोनात असणाऱ्‍या स्फटिकांच्या पृष्ठभागाकडे विद्युत् भार आकर्षित होतात. त्यामुळे निर्माण होणाऱ्‍या विद्युत् क्षेत्राला ‘हॉल विद्युत् क्षेत्र’ म्हणतात. n– आणि p- प्रकारच्या अर्धसंवाहकांमध्ये हॉल विद्युत् क्षेत्राची दिशा परस्परविरुद्ध असते. या दिशेवरून अर्धसंवाहकाचा प्रकार सांगता येतो. हॉल विद्युत् क्षेत्राच्या परिणामावरून विद्युत् संवाहकांची घनता समजते. याबरोबरच अर्धसंवाहक स्फटिकाची विद्यूत् संवाहकता माहीत असल्यास विद्युत् संवाहकांची गतिशीलतादेखील काढता येते.

अर्धसंवाहक स्फटिकाला बाहेरून विद्युत् क्षेत्र लावल्यास इलेक्ट्रॉन आणि धन पोकळ्या यांना विशिष्ट परिणामी वेग प्राप्त होतो. हा वेग विद्युत् क्षेत्राच्या तीव्रतेवर अवलंबून असतो. इलेक्ट्रॉन अथवा पोकळी यांच्या प्रति-एकक विद्युत् क्षेत्रामुळे उत्पन्न होणाऱ्‍या वेगांना त्यांच्या गतिशीलता ( μ_n अथवा μ_p) म्हणतात. वरील चिन्ह योजल्यास अर्धसंवाहकांची विद्युत् संवाहकता σ पुढील समीकरणाद्वारा काढता येते :

यात e हा इलेक्ट्रॉनाचा विद्युत् भार आहे. विसरण स्थिरांक (D_n किंवा D_p, ­­­­­­­­­→ विसरण) आणि गतिशीलता यांमधील परस्परसंबंध आइन्स्टाइन यांनी सिद्ध केले आहेत. ते असे :

यात k हा बोल्टस्‌मान स्थिरांक आहे.

फलकारक वस्तुमान ‌: इलेक्ट्रॉनाला विद्यूत् क्षेत्रामुळे प्राप्त झालेल्या प्रेरणेला, त्याला मिळालेल्या प्रवेगाने भागल्यास, येणाऱ्‍या उत्तराला ‘इलेक्ट्रॉनाचे फलकारक वस्तुमान’ म्हणतात. फलकारक वस्तुमान स्फटिकाच्या निरनिराळ्या दिशांत निरनिराळे असू शकते. त्याची दिशा आणि परिमाण, ऊर्जापट्टातील इलेक्ट्रॉनाच्या स्थानावर व त्या स्थानी होणाऱ्‍या स्फटिक जालकाच्या वर्चसाच्या (विद्युत् स्थितीच्या) परिमाणावर अवलंबून असतात. हे सर्व विवेचन धन पोकळ्यांच्या फलकारक वस्तुमानालाही लागू पडते. फलकारक वस्तुमान अधिक किंवा उणेही असू शकते. त्याचप्रमाणे क्षेत्रविरहित निर्वातातील स्थिर इलेक्ट्रॉनाच्या वस्तुमानापेक्षा ते कमी किंवा जास्त असते.

पुढील पृष्ठावरील कोष्टकामध्ये काही अर्धसंवाहक द्रव्यांचे गुणधर्म दिले आहेत.

इलेक्ट्रॉन व पोकळ्या यांची सांख्यिकी : ऊर्जापट्टामधील कोणतीही विशिष्ट ऊर्जापातळी इलेक्ट्रॉनाने व्यापली जाण्याची संभाव्यता P_e त्या उर्जापातळीच्या ऊर्जामूल्यावर (E) आणि स्पटिकाच्या तापमानावर (T) अवलंबून असते. फेर्मी आणि डिरॅक यांच्या सांख्यिकीनुसार [→सांख्यिकीय भौतिकी] P_e चे मूल्य पुढीलप्रमाणे असल्याचे दाखविता येते:

येथे F ही ऊर्जा फेर्मी पातळी म्हणून ओळखली जाते. E=F असल्यास P_e चे मूल्य १/२ मिळते. ऊर्जापातळी धन पोकळीने व्यापली जाण्याची संभाव्यता P_h पुढील समीकरणाने मिळते. P_h=1-P_e. अंगभूत अर्धसंवाहकाच्या संदर्भात फेर्मी पातळी निषिद्ध पट्टाच्या बरोबर मध्यभागी असते n-प्रकारच्या अर्धसंवाहकाकरता ती निषिद्ध पट्टाच्या वरील अर्ध्या भागात असते आणि p-प्रकारच्या अर्थसंवाहकामध्ये ती त्याच्या खालच्या अर्ध्या भागात असते.

अर्धसंवाहक स्फटिकांचे उत्पादन : अर्धसंवाहकाचे गुणधर्म त्यामध्ये मिश्रित केलेल्या अपद्रव्यांचे प्रमाण आणि गुणधर्म यांवर अवलंबून असतात. त्यामुळे अर्धसंवाहकाच्या उत्पादनाकरिता अतिशुद्ध (म्हणजे अर्धसंवाहकाच्या १०^९ ते १०^१० भागांमध्ये एक किंवा त्याहून कमी भाग इतकी अशुद्धता असल्यास) अर्धसंवाहक तयार करणे आणि त्यामध्ये इच्छित अपद्रव्याचे सूक्ष्म प्रमाणात मिश्रण करणे, या गोष्टींना महत्त्व आहे. अतिशुद्ध अर्धसंवाहक द्रव्य तयार करण्यासाठी विभागशुद्धीकरण पद्धती उपयुक्त ठरते. अर्धसंवाहक उपकरणामध्ये एकसंध स्फटिकाचा उपयोग करतात. Ge, Si आणि अ^३ब^५ द्रव्ये यांचे एकसंध स्फटिक एका विशिष्ट पद्धतीनुसार तयार करतात. Se, ZnS इत्यादींचे स्फटिक बाष्पावस्थेतून घनीभवन करून बनविले जातात. उच्च वितळबिंदूच्या द्रव्यांचे स्फटिकीकरण करण्यासाठी त्यांचे ज्योतीच्या साहाय्याने द्रवीकरण करतात. अपद्रव्याचे मिश्रण करण्यासाठी स्फटिक बनत असतानाच द्रव स्थितीतील अर्ध-संवाहकामध्ये आवश्यक प्रमाणात इच्छित अपद्रव्य मिसळतात किंवा उच्च तापमानात घन अथवा द्रव स्थितीतील अपद्रव्यांचे अर्धसंवाहक द्रव्याच्या पृष्ठभागातून विसरण (एकमेकांत मिसळविणे) करतात.

p-n संधी : p- आणि n- प्रकारचे अर्धसंवाहक स्फटिक एकत्र आणल्यास p-n संधी तयार होतो. मात्र स्फटिकांच्या पृष्ठभागावर ऑक्साइडाचे अथवा शोषित वायूंचे आवरण असणार नाही ही काळजी घ्यावी लागते आणि अणु-अणूंचा परस्परांशी p-n संधीच्या ठिकाणी स्पर्श होऊन स्फटिकाची रचना एकसंध होईल अशी योजना करावी लागते.

या सर्व गोष्टी साधण्याकरिता अंगभूत अर्धसंवाहकामध्ये स्फटिक बनत असतानाच प्रथम स्वीकारक अपद्रव्य आणि नंतर दाता अपद्रव्य योग्य प्रमाणात मिसळतात अथवा स्फटिकांमध्ये ती द्रव्ये नंतर विसरण पद्धतीने घालतात.

नुकत्याच तयार केलेल्या व ३००^० के. तापमानात असलेल्या स्फटिकात p-n संधीमधील विद्युत् भारांचे वाटप कसे असते, ते आ. ५ (अ) मध्ये दाखवले आहे. वर्तुळात दाखविलेला विद्युत् भार आयनांवर स्थिर असतो.

परंतु इतर विद्युत् भार स्फटिकामध्ये मुक्तपणे संचार करू शकतो. p-विभागामध्ये पोकळ्यांची घनता जास्त असल्याने विसरण होऊन काही पोकळ्या n-विभागामध्ये येतात आणि तेथील काही इलेक्ट्रॉन निर्विद्युत् करतात. तसेच काही मुक्त इलेक्ट्रॉन n-विभागातून p-विभागाकडे विसरण क्रियेमुळे जाऊन काही पोकळ्यांना निर्विद्युत् करतात. परिणामी, p-n संधीच्या मध्य भागी मुक्त इलेक्ट्रॉन किंवा पोकळ्या नसलेला १०^-४ ते १०^-६सेंमी. रुंदीचा पट्टा तयार होतो (पहा : आ. ५ आ). या पट्ट्यामध्ये आयनावरील परस्परविरोधी विद्युत् भारामुळे स्पर्शनिर्मित

विद्युत् क्षेत्र निर्माण होते. मुक्त विद्युत् भारांच्या विसरणाबरोबर स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्राची तीव्रता वाढत जाते आणि सु. १०^-९ सेकंदामध्ये मुक्त विद्युत् भारांचे विसरण थांबते. p- आणि n- विभागांतील बहुसंख्य विद्युत् भारांना (अनुक्रमे पोकळ्या व इलेक्ट्रॉन) आता स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्रामुळे उत्पन्न झालेली वर्चस् टेकडी ओलांडल्यावाचून एकीकडून दुसरीकडे जाता येत नाही. p-व n- विभागांतील अल्पसंख्य विद्युत् भार मात्र स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्रामुळे एका विभागातून दुसऱ्‍या विभागात सहजपणे जाऊ शकतात (पहा : आ. ५ इ).

p-n संधीमधील स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्राचा विद्युत् घटासारखा उपयोग होऊ शकत नाही, कारण बाह्य विद्युत् मंडलाला p-n संधी जोडताना इतर स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्रे निर्माण होतात आणि p-n संधीमधील स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्राचे निर्विद्युतीकरण करतात. परंतु जर p-n संधीवर प्रकाशकिरणांचा झोत टाकला, तर p- आणि n- या दोन्ही विभागांत इलेक्ट्रॉन व पोकळ्या यांच्या जोड्या तयार होतात. नवीन उत्पन्न झालेले दोन्ही बाजूंचे अल्पसंख्य विद्युत् भार वर्चस् टेकडी सहज ओलांडू शकतात (आ. ६). स्फटिकाच्या समोरासमोरील पृष्ठभागांवर आता परस्परविरोधी विद्युत् भार जमल्याने नवे विद्युत् क्षेत्र उत्पन्न होते. परिणामी, p-n संधीचा विद्युत् घटासारखा उपयोग होऊ शकतो.याच तत्त्वावर प्रकाशविद्युत् द्विप्रस्थाचे (फक्त दोनच विद्युत् अग्रे म्हणजे प्रस्थ असलेल्या इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्तीचे) कार्य चालते [→ प्रकाशविद्युत्].

एकदिशीकरण आणि p-n संधी :एकदिशीकरण म्हणजे उलटसुलट दिशेन वाहणाऱ्‍या (म्हणजे प्रत्यावर्ती विद्युत् प्रवाहाचे एकाच दिशेने वाहणाऱ्या  (म्हणजे एकदिशी) विद्युत् प्रवाहात रूपांतर करणे. विद्युत् घटाचे धन अग्र p-n संधीच्या n-विभागाला जोडल्यास स्पर्शनिर्मित विद्युत् क्षेत्र आणि घटाची विद्युत् चालक प्रेरणा (विद्युत् मंडलात प्रवाह वाहण्यास कारणीभूत होणारी प्रेरणा) यांची दिशा एकच होते [आ. ७ (अ)]. परिणामी, वर्चस् टेकडीची उंची वाढते. आता दोन्ही विभागांतील बहुसंख्य विद्युत् भार वर्चस् टेकडी ओलांडू शकत नाहीत परंतु अल्पसंख्य विद्युत् भारांमार्फत थोडासा विद्युत् प्रवाह (Is) वाहतोच. विद्युत् मंडल

आ. ७ (अ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे पूर्ण केले तर p-n संधीमधून उलट दिशेने विद्युत् प्रवाह वाहतो, असे म्हणतात.

p-n संधीचे तापमान वाढविल्यास p- वn– या दोन्ही विभागांचे अंगभूत अर्धसंवाहकामध्ये रूपांतर होते, वर्चस् टेकडी नष्ट होते आणि

त्यामुळे p-nसंधीचा एकदिशीकरणाचा गुणधर्मदेखील लोप पावतो. अर्धसंवाहकाच्या निषिद्ध पट्टांची रुंदी वाढेल त्या प्रमाणातील उच्च तापमानात ही गोष्ट घडून येते. म्हणूनच उच्च तापमानात सिलिकॉनाची उपकरणे जर्मेनियमाच्या उपकरणांपेक्षा जास्त सोयीस्कर ठरतात.

सुरंग-द्विप्रस्थ : पुंज सिद्धांताप्रमाणे वर्चस् टेकडीतून इलेक्ट्रॉन आरपार जाऊ शकतात. याला सुरंग-परिणाम म्हणतात. या परिणामावर आधारलेल्या व दोन प्रस्थ असलेल्या इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्तीला सुरंग-द्विप्रस्थ म्हणतात. वर्चस् टेकडीची पारगम्यता (आरपार जाण्याची क्षमता) टेकडीच्या उंचीवर व इलेक्ट्रॉनाच्या फलकारक वस्तुमानावर अवलंबून असते. म्हणून सुरंग-द्विप्रस्थामधील p-n संधीची रुंदी सु. १०० ते २०० अँगस्ट्रॉम ठेवतात आणि इलेक्ट्रॉनाचे फलकारक वस्तुमान कमी असणारी अ^३ब^५ अर्धसंवाहक द्रव्ये सुरंग-द्विप्रस्थांमध्ये वापरतात.

p-n संधीच्या p- आणि n-विभागांमध्ये मोठ्या प्रमाणात अपद्रव्य मिसळल्यास फेर्मी पातळ्या संवाहक पट्ट आणि संयुजी पट्ट यांच्या सीमांजवळ आढळतात. त्यामुळे p-विभागातील भरलेला संयुजी पट्ट आणिn-विभागातील मोकळा संवाहक पट्ट हे दोन्ही एकमेकांसमोर येतात [आ. ८ (अ)]. बाह्य विद्युत् क्षेत्र लावलेले नसल्यास परिणामी

विद्युत् प्रवाह शून्य भरतो. ही गोष्ट आ. ९ मध्ये अ या ठिकाणी दाखविली आहे.

आ. ८ (आ)मध्ये दाखविल्याप्रमाणे विद्युत् मंडल केल्यास आ. ९ मध्ये आ या ठिकाणी दाखविल्याप्रमाणे विद्युत् प्रवाह वाहू लागतो. परंतु बाह्य विद्युत् क्षेत्र सु. (F-E_c)/e इतक्याने वाढविल्यास p-विभागातील संयुजी पट्टाच्या मोकळ्या ऊर्जापातळ्यांची संख्या समोरच असणाऱ्‍या n-विभागातील भरलेल्या ऊर्जापातळ्यांच्या संख्येपेक्षा हळूहळू कमी होत जाते आणि त्यानुसार आ. ९ मध्ये इ या ठिकाणी दाखविल्याप्रमाणे विद्युत् प्रवाह कमी होऊ लागतो. ज्या वेळी n-विभागातील E_cपातळी p-विभागातील E_vपातळीच्या समोर येते, त्या वेळी सुरंग-परिणामानुसार होणारी इलेक्ट्रॉनांची हालचाल आ. ९ मध्ये ई या ठिकाणी दाखविल्याप्रमाणे पूर्णतः थांबते. विद्युत् क्षेत्र जास्त वाढविल्यास p-n संधीमध्ये नेहमीच्या क्रियेनुसार म्हणजे विद्युत् भारांच्या विसरणाद्वारे विद्युत् प्रवाह वाहू लागतो. ही गोष्ट आ. ९ मध्ये उ या ठिकाणी दाखविली आहे. आ. ८ (इ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे विद्युत् क्षेत्राची दिशा बदलल्यास आ. ९ मध्ये ऊ या ठिकाणी दाखविल्याप्रमाणे विद्युत् प्रवाह वाहू लागतो.

सुरंग-द्विप्रस्थाच्या ऋण विद्युत् रोधाचा उपयोग⇨इलेक्ट्रॉनीय विवर्धक आणि⇨आंदोलक यांच्या मंडलांमध्ये केला जातो. दर सेकंदास १०^१२ पर्यंत कंपन संख्या असलेले इलेक्ट्रॉनीय संकेत सुरंग-द्विप्रस्थाच्या साहाय्याने हाताळता येतात. सुरंग-द्विप्रस्थाची क्रिया त्यामधील बहुसंख्य विद्युत् संवाहकांच्या संख्येवरच अवलंबून असल्यामुळे तापमान, प्रकाश, दाब, अणुकेंद्रीय प्रारण, विद्युत् आणि कर्षुकीय क्षेत्र इ. बाह्य परिस्थितीतील बदलांनुसार सुरंग-द्विप्रस्थाचे गुणधर्म बदलत नाहीत. यामुळे सुरंग-द्विप्रस्थाचा उपयोग अंतरिक्ष-संशोधनामध्ये होण्याची शक्यता आहे.

एसाकी या जपानी शास्त्रज्ञांनी १९५८ साली सुरंग-द्विप्रस्थाची कल्पना मांडली. निरोधक द्रव्याचा सु. ४० ते १०० अँगस्ट्रॉम जाडीचा थर धातूच्या दोन पातळ थरांमध्ये बसवून सूक्ष्मपटल सुरंग-द्विप्रस्थ बनविण्याचे प्रयत्‍न चालू आहेत.

झेनर-द्विप्रस्थ : झेनर शास्त्रज्ञाच्या नावाने प्रसिद्ध असलेली एक अर्धसंवाहक प्रयुक्ती.

p-n संधीवरील विद्युत् क्षेत्र उलट दिशेने वाढवीत गेल्यास आ. ७ (आ) मध्ये झ या ठिकाणी दाखविल्याप्रमाणे विद्युत् प्रवाह एकदम वाढतो. या आविष्काराला ‘विद्युत् विभंग’ म्हणतात. त्याचे ‘ॲव्हॅलांश-विभंग’ व ‘झेनर-विभंग’ असे दोन प्रकार आढळतात.

विद्युत् क्षेत्रामध्ये इलेक्ट्रॉनाला पुरेशी गतिज ऊर्जा मिळाल्यास तो दुसऱ्‍या इलेक्ट्रॉनाला संयुजी पट्टामधून संवाहक पट्टामध्ये नेतो. त्यामुळे इलेक्ट्रॉन आणि पोकळी ही जोडी तयार होते. साखळी-प्रक्रियेद्वारा विद्युत् प्रवाह वाढतो आणि ‘ॲव्हॅलांश-विभंग’ घडून येतो.

ज्या वेळी विद्युत् क्षेत्राची तीव्रता इलेक्ट्रॉनांना मूळ अर्धसंवाहक द्रव्याच्या अणूपासून अलग करण्यास पुरेशी असते, त्यावेळी विद्युत् भारांची संख्या एकदम वाढते. या आविष्काराला ‘झेनर-विभंग’ म्हणतात. या आविष्काराचा ज्या अर्धसंवाहक प्रयुक्तीत उपयोग करण्यात येतो तिला झेनर-द्विप्रस्थ म्हणतात.

ॲव्हॅलांश-विभंगाकरता लागणाऱ्‍या विद्युत् क्षेत्राची तीव्रता प्रत्येक द्विप्रस्थापुरती अत्यंत स्थिर असते. म्हणूनच या विभंग-क्रियेचा उपयोग इलेक्ट्रॉनीय मंडलामध्ये विद्युत् दाब मिळविण्यासाठी केला जातो.

पहा : इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्ति ट्राँझिस्टर तंत्रविद्या.

संदर्भ : 1. Brophy, J. J. Buttrey, J. W., Ed., Organic Semi-conductors,New York, 1962.

2. Hannay, W. B. Semi-Conductors, New York,1959.

3. Iolfe, A. F. Physics of Semiconductors, London, 1960.

4. Spockley, W. Electrons and Holes in Semiconductors, Princeton,1950.

जावळेकर, श्री. रा.