चार्ज वाहक घनत्व

This article is about यह लेख प्रति आयतन में व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों की संख्या के बारे में है। प्रति आयतन विद्युत आवेश के लिए, आवेश घनत्व देखें। प्रति ऊर्जा सीमा में संभावित अवस्थाओं की संख्या के लिए, अवस्थाओं का घनत्व देखें।. For other uses, see चार्ज वाहक घनत्व (disambiguation).

आवेश वाहक घनत्व, जिसे वाहक सांद्रता के रूप में भी जाना जाता है, प्रति आयतन में आवेश वाहकों की संख्या को दर्शाता है।SI इकाइयों में, इसे m−3 में मापा जाता है। किसी भी घनत्व की तरह, सिद्धांत रूप में यह स्थिति पर निर्भर हो सकता है। यद्यपि, प्रायः वाहक सांद्रता को एक एकल संख्या के रूप में दर्शाया जाता है, और यह संपूर्ण सामग्री पर औसत वाहक घनत्व का प्रतिनिधित्व करता है।

चार्ज वाहक घनत्व में विद्युत चालकता, तापीय चालकता जैसी संबंधित घटनाएं और सहसंयोजक बंधन जैसे रासायनिक बंधन से संबंधित समीकरण सम्मिलित होते हैं।

गणना

वाहक घनत्व प्रायः सामग्री में आवेश वाहकों की ऊर्जा सीमा पर अवस्थाओं के घनत्व को एकीकृत करके सैद्धांतिक रूप से प्राप्त किया जाता है (उदाहरण के लिए इलेक्ट्रॉनों के लिए चालन बंध पर एकीकृत करना, छिद्रों के लिए संयोजक बंध पर एकीकृत करना)।

यदि आवेश वाहकों की कुल संख्या ज्ञात है, तो वाहक घनत्व को केवल आयतन से विभाजित करके पाया जा सकता है। इसे गणितीय रूप से दर्शाने के लिए, आवेश वाहक घनत्व एक कण घनत्व है, इसलिए इसे एक आयतन पर एकीकृत किया जाता है $N$ उस मात्रा में $V$ आवेश वाहकों की संख्या देता है

$$N=\int _{V}n(\mathbf {r} )\,dV.$$

जहाँ $n(\mathbf {r} )$ स्थिति-निर्भर आवेश वाहक घनत्व है।

यदि घनत्व स्थिति पर निर्भर नहीं करता है और $n_{0}$ इसके एक स्थिरांक के बराबर है तब यह समीकरण सरल हो जाता है

$$N=V\cdot n_{0}.$$

अर्धचालक

वाहक घनत्व अर्धचालकों के लिए महत्वपूर्ण है, जहां यह रासायनिक डोपिंग की प्रक्रिया के लिए एक महत्वपूर्ण मात्रा है। बंध सिद्धांत का उपयोग करते हुए, इलेक्ट्रॉन घनत्व,$n_{0}$ चालन बैंड में प्रति इकाई आयतन इलेक्ट्रॉनों की संख्या है। छेद के लिए, $p_{0}$ वैलेंस बैंड में प्रति इकाई आयतन छिद्रों की संख्या है। इलेक्ट्रॉनों के लिए इस संख्या की गणना करने के लिए, हम इस विचार करते हैं कि चालन-बैंड इलेक्ट्रॉनों का कुल घनत्व, $n_{0}$, बैंड के नीचे से, $E_{c}$ बैंड के शीर्ष पर $E_{\text{top}}$बैंड में विभिन्न ऊर्जाओं में चालन इलेक्ट्रॉन घनत्व को जोड़ रहा है .

$$n_{0}=\int _{E_{c}}^{E_{\text{top}}}N(E)\,dE$$

चूँकि इलेक्ट्रॉन फर्मियन हैं, किसी विशेष ऊर्जा पर चालन इलेक्ट्रॉनों का घनत्व, $N(E)$ अवस्थाओं के घनत्व का उत्पाद है, $g(E)$ या फर्मी-डिराक वितरण के साथ कितनी संवाहक अवस्थाएँ संभव हैं, $f(E)$ जो हमें उन अवस्थाओं का वह भाग बताता है जिनमें वास्तव में इलेक्ट्रॉन होंगे

$$N(E)=g(E)f(E)$$

गणना को सरल बनाने के लिए, फ़र्मी-डिराक वितरण के अनुसार, इलेक्ट्रॉनों को फ़र्मियन के रूप में मानने के बजाय, हम उन्हें एक गैर-अंतःक्रियात्मक गैस के रूप में मानते हैं, जो मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण द्वारा दिया गया है। परिमाण होने पर इस सन्निकटन का प्रभाव नगण्य होता है $|E-E_{f}|\gg k_{\text{B}}T$, जो कमरे के तापमान के निकट अर्धचालकों के लिए सत्य है। यह अनुमान बहुत कम तापमान या बेहद छोटे बैंड-अंतराल पर अमान्य है।

$$f(E)={\frac {1}{1+e^{\frac {E-E_{f}}{k_{\text{B}}T}}}}\approx e^{-{\frac {E-E_{f}}{k_{\text{B}}T}}}$$

अवस्थाओं का त्रि-आयामी घनत्व है:

$$g(E)={\frac {1}{2\pi ^{2}}}\left({\frac {2m^{*}}{\hbar ^{2}}}\right)^{\frac {3}{2}}{\sqrt {E-E_{0}}}$$

संयोजन और सरलीकरण के बाद, ये अभिव्यक्तियाँ इस प्रकार बनती हैं:

$$n_{0}=2\left({\frac {m^{*}k_{\text{B}}T}{2\pi \hbar ^{2}}}\right)^{3/2}e^{-{\frac {E_{c}-E_{f}}{k_{\text{B}}T}}}$$

यहाँ $m^{*}$ उस विशेष अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों का प्रभावी द्रव्यमान (ठोस-अवस्था भौतिकी) और मात्रा है $E_{c}-E_{f}$ चालन बैंड और फर्मी स्तर के बीच ऊर्जा का अंतर $E_{g}$: है, जो बैंड अंतराल का आधा है, $E_{g}$:

$$E_{g}=2(E_{c}-E_{f})$$

छिद्रों के लिए एक समान अभिव्यक्ति प्राप्त की जा सकती है। वाहक सांद्रता की गणना रसायन शास्त्र से एक प्रतिवर्ती अभिक्रिया के संतुलन की तरह बैंडगैप में आगे और पीछे जाने वाले इलेक्ट्रॉनों का उपचार करके की जा सकती है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक द्रव्यमान क्रिया कानून बनता है। सामूहिक कार्रवाई कानून एक मात्रा को परिभाषित करता है $n_{i}$ को आंतरिक वाहक सांद्रता कहा जाता है, जो कि अघोषित सामग्री के लिए:

$$n_{i}=n_{0}=p_{0}$$

निम्न तालिका बढ़ते बैंड अंतराल के क्रम में, आंतरिक अर्धचालकों के लिए आंतरिक वाहक सांद्रता के कुछ मूल्यों को सूचीबद्ध करती है।

पदार्थ	300K पर वाहक घनत्व (1/सेमी3)।
जर्मेनियम	2.33×1013
सिलिकॉन	9.65×109
गैलियम आर्सेनाइड	2.1×106
3C-SiC	10
6H-SiC	2.3×10−6
4H-SiC	8.2×10−9
गैलियम नाइट्राइड	1.9×10−10
हीरा	1.6×10−27

यदि इन सामग्रियों को डोप किया जाता है तो ये वाहक सांद्रता बदल जाएगी। उदाहरण के लिए, फॉस्फोरस की थोड़ी मात्रा के साथ शुद्ध सिलिकॉन को मिलाने से इलेक्ट्रॉनों के वाहक घनत्व में nवृद्धि होगी। फिर, चूँकि n > p, डोप्ड सिलिकॉन एक n-प्रकार का बाह्य अर्धचालक होगा। शुद्ध सिलिकॉन को बोरान की थोड़ी मात्रा के साथ मिलाने से छिद्रों का वाहक घनत्व बढ़ जाएगा, इसलिए फिर P> n, और यह एक pप्रकार का बाह्य अर्धचालक होगा।

धातु

वाहक घनत्व धातुओं पर भी लागू होता है, जहां इसका अनुमान सरल ड्रूड मॉडल से लगाया जा सकता है। इस मामले में, वाहक घनत्व (इस संदर्भ में, इसे मुक्त इलेक्ट्रॉन घनत्व भी कहा जाता है) का अनुमान लगाया जा सकता है

$$n={\frac {N_{\text{A}}Z\rho _{m}}{m_{a}}}$$

कहाँ $N_{\text{A}}$ एवोगैड्रो स्थिरांक है, Z रासायनिक संयोजन इलेक्ट्रॉन की संख्या है, $\rho _{m}$ सामग्री का घनत्व है, और $m_{a}$ परमाणु द्रव्यमान है. चूंकि धातुएं कई ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित कर सकती हैं, इसलिए किसी तत्व में मौलिक रूप में कितने वैलेंस इलेक्ट्रॉन होने चाहिए इसकी सटीक परिभाषा कुछ हद तक मनमानी है, लेकिन निम्न तालिका एशक्रॉफ्ट और मर्मिन में दिए गए मुक्त इलेक्ट्रॉन घनत्व को सूचीबद्ध करती है, जिनकी गणना ऊपर दिए गए सूत्र का उपयोग करके की गई थी। संयोजकता के बारे में उचित धारणाओं के आधार पर, $Z$, और द्रव्यमान घनत्व के साथ, $\rho _{m}$ प्रयोगात्मक क्रिस्टलोग्राफी आंकड़े से गणना की गई।

पदार्थ	वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या	300K पर वाहक घनत्व (1/सेमी3)
ताँबा	1	8.47×1022
चाँदी	1	5.86×1022
सोना	1	5.90×1022
फीरोज़ा	2	2.47×1023
मैगनीशियम	2	8.61×1022
कैल्शियम	2	4.61×1022
स्ट्रोंटियम	2	3.55×1022
बेरियम	2	3.15×1022
नाइओबियम	1	5.56×1022
लोहा	2	1.70×1023
मैंगनीज	2	1.65×1023
जस्ता	2	1.32×1023
कैडमियम	2	9.27×1022
एल्युमीनियम	3	1.81×1023
गैलियम	3	1.54×1023
ईण्डीयुम	3	1.15×1023
थालियम	3	1.05×1023
टिन	4	1.48×1023
लेड	4	1.32×1023
बिस्मथ	5	1.41×1023
एंटीमनी	5	1.65×1023

उदाहरण के लिए, हॉल प्रभाव द्वारा अनुमानित धातुओं के बीच n के मान परिमाण के समान क्रम पर होते हैं, लेकिन यह सरल मॉडल बहुत उच्च सटीकता के साथ वाहक घनत्व की भविष्यवाणी नहीं कर सकता है।

माप

आवेश वाहकों का घनत्व कई मामलों में हॉल प्रभाव का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है, जिसका वोल्टेज वाहक घनत्व पर विपरीत रूप से निर्भर करता है।