क्षेत्र प्रभाव (अर्धचालक): Difference between revisions
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[[File:Semiconductor band-bending-en.svg|thumb|250px|क्षेत्र प्रभाव: शीर्ष पैनल: एक प्रयुक्त वोल्टेज बैंड को मोड़ता है, सतह से घटते छेद ([[बैंड आरेख]], बाएं)। झुकने को प्रेरित करने वाला आवेश ऋणात्मक स्वीकर्ता-आयन आवेश (दाएं) की एक परत द्वारा संतुलित होता है। निचला पैनल: एक बड़ा प्रयुक्त वोल्टेज छेदों को और कम कर देता है किंतु व्युत्क्रम परत को आबाद करने के लिए चालन बैंड ऊर्जा में पर्याप्त रूप से कम हो जाता है।]]भौतिकी में, क्षेत्र प्रभाव बाहरी [[विद्युत क्षेत्र]] के अनुप्रयोग द्वारा पदार्थ की विद्युत चालकता के मॉडुलन को संदर्भित करता है। | [[File:Semiconductor band-bending-en.svg|thumb|250px|क्षेत्र प्रभाव: शीर्ष पैनल: एक प्रयुक्त वोल्टेज बैंड को मोड़ता है, सतह से घटते छेद ([[बैंड आरेख]], बाएं)। झुकने को प्रेरित करने वाला आवेश ऋणात्मक स्वीकर्ता-आयन आवेश (दाएं) की एक परत द्वारा संतुलित होता है। निचला पैनल: एक बड़ा प्रयुक्त वोल्टेज छेदों को और कम कर देता है किंतु व्युत्क्रम परत को आबाद करने के लिए चालन बैंड ऊर्जा में पर्याप्त रूप से कम हो जाता है।]]भौतिकी में, क्षेत्र प्रभाव बाहरी [[विद्युत क्षेत्र]] के अनुप्रयोग द्वारा पदार्थ की विद्युत चालकता के मॉडुलन को संदर्भित करता है। | ||
एक [[धातु]] में | एक [[धातु]] में प्रयुक्त क्षेत्रों पर प्रतिक्रिया करने वाला [[इलेक्ट्रॉन]] घनत्व इतना बड़ा होता है कि एक बाहरी विद्युत क्षेत्र पदार्थ में बहुत कम दूरी तक ही प्रवेश कर सकता है। चूँकि एक [[अर्धचालक]] में इलेक्ट्रॉनों का कम घनत्व (और संभवतः इलेक्ट्रॉन छिद्र) जो एक प्रयुक्त क्षेत्र का उत्तर दे सकता है पर्याप्त रूप से छोटा है कि क्षेत्र पदार्थ में अधिक दूर तक प्रवेश कर सकता है। यह क्षेत्र पैठ उसकी सतह के निकट अर्धचालक की चालकता को बदल देती है और इसे ''क्षेत्र प्रभाव'' कहा जाता है। क्षेत्र प्रभाव शोट्की डायोड और क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर विशेष रूप से [[MOSFET|मोसफेट]], [[JFET|जेएफईटी]] और [[MESFET|मेसफेट]] के संचालन को रेखांकित करता है।<ref name=Acronyms>The acronyms stand for ''M''etal ''O''xide ''S''emiconductor ''F''ield ''E''ffect ''T''ransistor, ''J''unction ''F''ield ''E''ffect ''T''ransistor, and ''ME''tal ''S''emiconductor ''F''ield ''E''ffect ''T''ransistor. For a discussion see, for example, {{cite book |title=Fundamentals of semiconductor devices |author=M K Achuthan K N Bhat |year=2007 |publisher=Tata McGraw-Hill |isbn=978-0070612204 |chapter-url=https://books.google.com/books?id=REQkwBF4cVoC&pg=PA475 |pages=475 ''ff'' |chapter=Chapter 10: Metal semiconductor contacts: Metal semiconductor and junction field effect transistors}}</ref> | ||
== भूतल चालन और बैंड बेंडिंग == | == भूतल चालन और बैंड बेंडिंग == | ||
सतह के चालन में परिवर्तन इसलिए होता है क्योंकि प्रयुक्त क्षेत्र सतह से अधिक गहराई तक इलेक्ट्रॉनों के लिए उपलब्ध ऊर्जा स्तरों को बदल देता है | सतह के चालन में परिवर्तन इसलिए होता है क्योंकि प्रयुक्त क्षेत्र सतह से अधिक गहराई तक इलेक्ट्रॉनों के लिए उपलब्ध ऊर्जा स्तरों को बदल देता है और बदले में सतह क्षेत्र में ऊर्जा स्तरों के अधिभोग को बदल देता है। इस तरह के प्रभावों का एक विशिष्ट उपचार पदार्थ में गहराई के कार्य के रूप में बैंड किनारों की ऊर्जा में स्थिति दिखाते हुए एक बैंड-झुकने वाले आरेख पर आधारित है । | ||
एक उदाहरण बैंड-बेंडिंग आरेख चित्र में दिखाया गया है। सुविधा के लिए | एक उदाहरण बैंड-बेंडिंग आरेख चित्र में दिखाया गया है। सुविधा के लिए ऊर्जा को [[इलेक्ट्रॉनवोल्ट]] में व्यक्त किया जाता है और वोल्टेज को वोल्ट में व्यक्त किया जाता है, प्राथमिक आवेश के लिए कारक q की आवश्यकता से बचा जाता है। चित्र में एक दो-परत संरचना को दिखाया गया है, जिसमें बाएं हाथ की परत के रूप में एक [[इन्सुलेटर (बिजली)|इन्सुलेटर]] और दाएं हाथ की परत के रूप में अर्धचालक सम्मिलित है। इस तरह की संरचना का एक उदाहरण [[एमओएस कैपेसिटर]] है, एक मेटल गेट कॉन्टैक्ट से बना एक दो-टर्मिनल संरचना निकाय कॉन्टैक्ट के साथ एक अर्धचालक निकाय (जैसे सिलिकॉन) और एक इंटरवेनिंग इंसुलेटिंग परत (जैसे [[सिलिकॉन डाइऑक्साइड]], इसलिए पदनाम ओ) बाएं पैनल चालन बैंड का निम्नतम ऊर्जा स्तर और वैलेंस और चालन बैंड का उच्चतम ऊर्जा स्तर दिखाते हैं। ये स्तर एक सकारात्मक वोल्टेज V के अनुप्रयोग से मुड़े हुए हैं। सम्मेलन द्वारा इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को दिखाया गया है, इसलिए सतह को भेदने वाला एक सकारात्मक वोल्टेज चालन बढ़त को कम करता है। एक धराशायी रेखा अधिभोग की स्थिति को दर्शाती है: इस [[फर्मी स्तर]] के नीचे स्थितियों पर अधिकृत होने की अधिक संभावना है, चालन बैंड फर्मी स्तर के समीप जाता है, यह दर्शाता है कि अधिक इलेक्ट्रॉन इन्सुलेटर के पास संचालन बैंड में हैं। | ||
=== बल्क क्षेत्र === | |||
चित्र में उदाहरण बल्क पदार्थ में फर्मी स्तर को प्रयुक्त क्षेत्र की सीमा से परे वैलेंस बैंड किनारे के समीप झूठ बोलने के रूप में दिखाता है। अधिभोग स्तर के लिए यह स्थिति अर्धचालक में अशुद्धियों को प्रस्तुत करके व्यवस्थित की जाती है। इस स्थिति में अशुद्धियाँ तथाकथित स्वीकर्ता हैं जो वैलेंस बैंड से इलेक्ट्रॉनों को ऋणात्मक रूप से आवेशित कर लेती हैं अर्धचालक पदार्थ में स्थिर आयन होते हैं। हटाए गए इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड स्तरों से खींचा जाता है, जो वैलेंस बैंड में रिक्त स्थान या छेद छोड़ते हैं। आवेश तटस्थता क्षेत्र-मुक्त क्षेत्र में प्रबल होती है क्योंकि एक ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन होस्ट पदार्थ में सकारात्मक कमी उत्पन्न करता है एक छेद एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति है यह एक सकारात्मक आवेश की तरह व्यवहार करता है। जहां कोई क्षेत्र उपस्थित नहीं है तटस्थता प्राप्त की जाती है क्योंकि ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन सकारात्मक छिद्रों को ठीक से संतुलित करते हैं। | |||
=== भूतल क्षेत्र === | |||
अगला बैंड झुकने का वर्णन किया गया है। इन्सुलेटर के बाएं चेहरे पर एक सकारात्मक आवेश रखा जाता है (उदाहरण के लिए मेटल गेट इलेक्ट्रोड का उपयोग करना) इन्सुलेटर में कोई आवेश नहीं होता है इसलिए विद्युत क्षेत्र स्थिर होता है जिससे इस पदार्थ में वोल्टेज का एक रैखिक परिवर्तन होता है। परिणाम स्वरुप इन्सुलेटर चालन और वैलेंस बैंड इसलिए आंकड़े में सीधी रेखाएं हैं, जो बड़े इन्सुलेटर ऊर्जा अंतर से अलग होती हैं। | |||
शीर्ष पैनल में दिखाए गए छोटे वोल्टेज पर अर्धचालक में, इन्सुलेटर के बाएं चेहरे पर रखा गया सकारात्मक आवेश वैलेंस बैंड एज की ऊर्जा को कम करता है। परिणाम स्वरुप इन स्थितियों को पूरी तरह से एक तथाकथित कमी की गहराई पर अधिकृत कर लिया गया है, जहां थोक अधिभोग खुद को पुन: स्थापित करता है क्योंकि क्षेत्र आगे नहीं घुस सकता है। क्योंकि इन स्तरों के कम होने के कारण सतह के पास वैलेंस बैंड का स्तर पूरी तरह से भर जाता है, सतह के पास केवल स्थिर ऋणात्मक स्वीकर्ता-आयन आवेश उपस्थित होते हैं जो छिद्रों के बिना विद्युत रूप से इन्सुलेट क्षेत्र बन जाते हैं (कमी परत) इस प्रकार क्षेत्र पैठ को गिरफ्तार किया जाता है जब विवर्त ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन आवेश इन्सुलेटर सतह पर रखे सकारात्मक आवेश को संतुलित करता है: शुद्ध ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन आवेश को गेट पर सकारात्मक आवेश को संतुलित करने के लिए कमी परत इसकी गहराई को समायोजित करती है। | |||
=== | === व्युत्क्रम === | ||
कंडक्शन बैंड एज को भी कम किया जाता है इन स्थितियों के इलेक्ट्रॉन अधिभोग में वृद्धि होती है किंतु कम वोल्टेज पर यह वृद्धि महत्वपूर्ण नहीं होती है। बड़े प्रयुक्त वोल्टेज पर चूँकि नीचे के पैनल के रूप में चालन बैंड किनारे को एक संकीर्ण सतह परत में इन स्तरों की महत्वपूर्ण जनसंख्या का कारण बनने के लिए पर्याप्त रूप से कम किया जाता है जिसे व्युत्क्रम परत कहा जाता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन मूल रूप से पॉप्युलेटिंग छिद्रों के विपरीत ध्रुवीयता में होते हैं। अर्धचालक व्युत्क्रम परत में इलेक्ट्रॉन आवेश की प्रारंभिक एक प्रयुक्त थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर बहुत महत्वपूर्ण हो जाती है, और एक बार प्रयुक्त वोल्टेज इस मान से अधिक हो जाने पर तटस्थता लगभग पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों को व्युत्क्रम परत में जोड़कर प्राप्त की जाती है, अतिरिक्त स्वीकर्ता आयन आवेश में वृद्धि के कमी परत का विस्तार इस बिंदु पर अर्धचालक में आगे की क्षेत्र पैठ को रोका जाता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन घनत्व थ्रेशोल्ड वोल्टेज से परे बैंड-झुकने के साथ तेजी से बढ़ता है प्रभावी रूप से थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर इसके मान पर कमी परत की गहराई को कम करता है। | |||
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Latest revision as of 14:53, 23 May 2023
भौतिकी में, क्षेत्र प्रभाव बाहरी विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा पदार्थ की विद्युत चालकता के मॉडुलन को संदर्भित करता है।
एक धातु में प्रयुक्त क्षेत्रों पर प्रतिक्रिया करने वाला इलेक्ट्रॉन घनत्व इतना बड़ा होता है कि एक बाहरी विद्युत क्षेत्र पदार्थ में बहुत कम दूरी तक ही प्रवेश कर सकता है। चूँकि एक अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों का कम घनत्व (और संभवतः इलेक्ट्रॉन छिद्र) जो एक प्रयुक्त क्षेत्र का उत्तर दे सकता है पर्याप्त रूप से छोटा है कि क्षेत्र पदार्थ में अधिक दूर तक प्रवेश कर सकता है। यह क्षेत्र पैठ उसकी सतह के निकट अर्धचालक की चालकता को बदल देती है और इसे क्षेत्र प्रभाव कहा जाता है। क्षेत्र प्रभाव शोट्की डायोड और क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर विशेष रूप से मोसफेट, जेएफईटी और मेसफेट के संचालन को रेखांकित करता है।[1]
भूतल चालन और बैंड बेंडिंग
सतह के चालन में परिवर्तन इसलिए होता है क्योंकि प्रयुक्त क्षेत्र सतह से अधिक गहराई तक इलेक्ट्रॉनों के लिए उपलब्ध ऊर्जा स्तरों को बदल देता है और बदले में सतह क्षेत्र में ऊर्जा स्तरों के अधिभोग को बदल देता है। इस तरह के प्रभावों का एक विशिष्ट उपचार पदार्थ में गहराई के कार्य के रूप में बैंड किनारों की ऊर्जा में स्थिति दिखाते हुए एक बैंड-झुकने वाले आरेख पर आधारित है ।
एक उदाहरण बैंड-बेंडिंग आरेख चित्र में दिखाया गया है। सुविधा के लिए ऊर्जा को इलेक्ट्रॉनवोल्ट में व्यक्त किया जाता है और वोल्टेज को वोल्ट में व्यक्त किया जाता है, प्राथमिक आवेश के लिए कारक q की आवश्यकता से बचा जाता है। चित्र में एक दो-परत संरचना को दिखाया गया है, जिसमें बाएं हाथ की परत के रूप में एक इन्सुलेटर और दाएं हाथ की परत के रूप में अर्धचालक सम्मिलित है। इस तरह की संरचना का एक उदाहरण एमओएस कैपेसिटर है, एक मेटल गेट कॉन्टैक्ट से बना एक दो-टर्मिनल संरचना निकाय कॉन्टैक्ट के साथ एक अर्धचालक निकाय (जैसे सिलिकॉन) और एक इंटरवेनिंग इंसुलेटिंग परत (जैसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड, इसलिए पदनाम ओ) बाएं पैनल चालन बैंड का निम्नतम ऊर्जा स्तर और वैलेंस और चालन बैंड का उच्चतम ऊर्जा स्तर दिखाते हैं। ये स्तर एक सकारात्मक वोल्टेज V के अनुप्रयोग से मुड़े हुए हैं। सम्मेलन द्वारा इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को दिखाया गया है, इसलिए सतह को भेदने वाला एक सकारात्मक वोल्टेज चालन बढ़त को कम करता है। एक धराशायी रेखा अधिभोग की स्थिति को दर्शाती है: इस फर्मी स्तर के नीचे स्थितियों पर अधिकृत होने की अधिक संभावना है, चालन बैंड फर्मी स्तर के समीप जाता है, यह दर्शाता है कि अधिक इलेक्ट्रॉन इन्सुलेटर के पास संचालन बैंड में हैं।
बल्क क्षेत्र
चित्र में उदाहरण बल्क पदार्थ में फर्मी स्तर को प्रयुक्त क्षेत्र की सीमा से परे वैलेंस बैंड किनारे के समीप झूठ बोलने के रूप में दिखाता है। अधिभोग स्तर के लिए यह स्थिति अर्धचालक में अशुद्धियों को प्रस्तुत करके व्यवस्थित की जाती है। इस स्थिति में अशुद्धियाँ तथाकथित स्वीकर्ता हैं जो वैलेंस बैंड से इलेक्ट्रॉनों को ऋणात्मक रूप से आवेशित कर लेती हैं अर्धचालक पदार्थ में स्थिर आयन होते हैं। हटाए गए इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड स्तरों से खींचा जाता है, जो वैलेंस बैंड में रिक्त स्थान या छेद छोड़ते हैं। आवेश तटस्थता क्षेत्र-मुक्त क्षेत्र में प्रबल होती है क्योंकि एक ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन होस्ट पदार्थ में सकारात्मक कमी उत्पन्न करता है एक छेद एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति है यह एक सकारात्मक आवेश की तरह व्यवहार करता है। जहां कोई क्षेत्र उपस्थित नहीं है तटस्थता प्राप्त की जाती है क्योंकि ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन सकारात्मक छिद्रों को ठीक से संतुलित करते हैं।
भूतल क्षेत्र
अगला बैंड झुकने का वर्णन किया गया है। इन्सुलेटर के बाएं चेहरे पर एक सकारात्मक आवेश रखा जाता है (उदाहरण के लिए मेटल गेट इलेक्ट्रोड का उपयोग करना) इन्सुलेटर में कोई आवेश नहीं होता है इसलिए विद्युत क्षेत्र स्थिर होता है जिससे इस पदार्थ में वोल्टेज का एक रैखिक परिवर्तन होता है। परिणाम स्वरुप इन्सुलेटर चालन और वैलेंस बैंड इसलिए आंकड़े में सीधी रेखाएं हैं, जो बड़े इन्सुलेटर ऊर्जा अंतर से अलग होती हैं।
शीर्ष पैनल में दिखाए गए छोटे वोल्टेज पर अर्धचालक में, इन्सुलेटर के बाएं चेहरे पर रखा गया सकारात्मक आवेश वैलेंस बैंड एज की ऊर्जा को कम करता है। परिणाम स्वरुप इन स्थितियों को पूरी तरह से एक तथाकथित कमी की गहराई पर अधिकृत कर लिया गया है, जहां थोक अधिभोग खुद को पुन: स्थापित करता है क्योंकि क्षेत्र आगे नहीं घुस सकता है। क्योंकि इन स्तरों के कम होने के कारण सतह के पास वैलेंस बैंड का स्तर पूरी तरह से भर जाता है, सतह के पास केवल स्थिर ऋणात्मक स्वीकर्ता-आयन आवेश उपस्थित होते हैं जो छिद्रों के बिना विद्युत रूप से इन्सुलेट क्षेत्र बन जाते हैं (कमी परत) इस प्रकार क्षेत्र पैठ को गिरफ्तार किया जाता है जब विवर्त ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन आवेश इन्सुलेटर सतह पर रखे सकारात्मक आवेश को संतुलित करता है: शुद्ध ऋणात्मक स्वीकर्ता आयन आवेश को गेट पर सकारात्मक आवेश को संतुलित करने के लिए कमी परत इसकी गहराई को समायोजित करती है।
व्युत्क्रम
कंडक्शन बैंड एज को भी कम किया जाता है इन स्थितियों के इलेक्ट्रॉन अधिभोग में वृद्धि होती है किंतु कम वोल्टेज पर यह वृद्धि महत्वपूर्ण नहीं होती है। बड़े प्रयुक्त वोल्टेज पर चूँकि नीचे के पैनल के रूप में चालन बैंड किनारे को एक संकीर्ण सतह परत में इन स्तरों की महत्वपूर्ण जनसंख्या का कारण बनने के लिए पर्याप्त रूप से कम किया जाता है जिसे व्युत्क्रम परत कहा जाता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन मूल रूप से पॉप्युलेटिंग छिद्रों के विपरीत ध्रुवीयता में होते हैं। अर्धचालक व्युत्क्रम परत में इलेक्ट्रॉन आवेश की प्रारंभिक एक प्रयुक्त थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर बहुत महत्वपूर्ण हो जाती है, और एक बार प्रयुक्त वोल्टेज इस मान से अधिक हो जाने पर तटस्थता लगभग पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों को व्युत्क्रम परत में जोड़कर प्राप्त की जाती है, अतिरिक्त स्वीकर्ता आयन आवेश में वृद्धि के कमी परत का विस्तार इस बिंदु पर अर्धचालक में आगे की क्षेत्र पैठ को रोका जाता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन घनत्व थ्रेशोल्ड वोल्टेज से परे बैंड-झुकने के साथ तेजी से बढ़ता है प्रभावी रूप से थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर इसके मान पर कमी परत की गहराई को कम करता है।
संदर्भ
- ↑ The acronyms stand for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Junction Field Effect Transistor, and MEtal Semiconductor Field Effect Transistor. For a discussion see, for example, M K Achuthan K N Bhat (2007). "Chapter 10: Metal semiconductor contacts: Metal semiconductor and junction field effect transistors". Fundamentals of semiconductor devices. Tata McGraw-Hill. pp. 475 ff. ISBN 978-0070612204.
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