આંતરિક અને બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સ: તફાવતો અને એપ્લિકેશન્સ

સેમિકન્ડક્ટર એ આજની ટેક્નોલોજીમાં સૌથી આવશ્યક ઘટકોમાંનું એક છે, જે આપણે આપણા રોજિંદા જીવનમાં સ્માર્ટફોનથી લઈને કમ્પ્યુટર્સ સુધીના વિવિધ પ્રકારના ઉપકરણોમાં હાજર છે. વીજળીના પ્રવાહને કાર્યક્ષમ અને આર્થિક રીતે નિયંત્રિત કરવાની ક્ષમતાને કારણે આ પ્રકારની સામગ્રીએ વર્ષોથી ઉદ્યોગોમાં ક્રાંતિ લાવી છે. જો કે, બધા સેમિકન્ડક્ટર એકસરખા હોતા નથી, અને અહીં બે શબ્દો દેખાય છે જે આ ક્ષેત્રથી પરિચિત ન હોય તેવા લોકો માટે ગૂંચવણમાં મૂકે છે: આંતરિક અને બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર.

ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં, આ બે પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચેના તફાવતને જાણવું એ ઉપકરણો કેવી રીતે કાર્ય કરે છે અને શા માટે અમુક એપ્લિકેશનો એકને બીજા કરતાં વધુ પસંદ કરે છે તે સમજવા માટે નિર્ણાયક છે. આ લેખમાં, અમે બંને પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર્સની લાક્ષણિકતાઓ અને તેમની રચના તેમની વર્તણૂકને કેવી રીતે પ્રભાવિત કરે છે તે વિશે સંપૂર્ણ રીતે તોડી પાડીશું. તમારા ચેતાકોષોને તૈયાર કરો કારણ કે અમે સામગ્રી ભૌતિકશાસ્ત્ર અને આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સના સ્તંભોમાંના એકમાં ડૂબકી મારવાના છીએ!

આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર શું છે?

આ આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર તેમની પાસે શુદ્ધ માળખું છે, એટલે કે તેઓ ડોપિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા રજૂ કરાયેલ કોઈપણ અશુદ્ધિઓ ધરાવતા નથી. આ પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરને સામગ્રીની 'ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ' ગણવામાં આવે છે, કારણ કે તેના વિદ્યુત ગુણધર્મો ફક્ત સામગ્રીની આંતરિક લાક્ષણિકતાઓ પર આધાર રાખે છે. સિલિકોન (Si) અને જર્મેનિયમ (Ge) એ સૌથી સામાન્ય આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર છે, કારણ કે તેમના ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો તેમને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના ઉત્પાદનમાં ઉપયોગ માટે આદર્શ બનાવે છે.

ઓરડાના તાપમાને, આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર્સમાં નબળી વિદ્યુત વાહકતા હોય છે. જેમ જેમ તાપમાન વધે છે, તેમ છતાં, તેમના વેલેન્સ શેલમાં ઇલેક્ટ્રોન વહન બેન્ડમાં કૂદકો મારવા માટે પૂરતી ઊર્જા મેળવે છે, આમ પ્રવાહ વહેવા દે છે. આ ઘટના આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર્સને એપ્લિકેશન માટે ખૂબ જ રસપ્રદ સામગ્રી બનાવે છે જ્યાં ગરમી દ્વારા વાહકતાનું સખત નિયંત્રણ જરૂરી છે.

એ નોંધવું અગત્યનું છે કે શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટરમાં, વહન બેન્ડમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા અને વેલેન્સ બેન્ડમાં છિદ્રોની સંખ્યા સમાન હોય છે. આના પરિણામે બંને ચાર્જ કેરિયર્સ વચ્ચે સંપૂર્ણ સંતુલન પ્રાપ્ત થાય છે, જે સૂચવે છે કે આંતરિક સામગ્રીમાં વાહકતા ખૂબ જ સ્વચ્છ અને વ્યવસ્થિત ઘટના છે.

બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર શું છે?

આંતરિક સેમિકન્ડક્ટરથી વિપરીત, બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર તેઓ તે છે કે જેઓ તેમની ડ્રાઇવિંગ ક્ષમતાને સુધારવા માટે અશુદ્ધિઓ સાથે ડોપ કરવામાં આવ્યા છે. આ અશુદ્ધિઓ સામાન્ય રીતે ત્રિસંયોજક (જેમ કે એલ્યુમિનિયમ) અથવા પેન્ટાવેલેન્ટ (જેમ કે ફોસ્ફરસ) તત્વોમાંથી આવે છે, અને જ્યારે નિયંત્રિત માત્રામાં ઉમેરવામાં આવે છે, ત્યારે તે બેઝ સેમિકન્ડક્ટરના ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મોને બદલે છે. આ ડોપિંગ ઇલેક્ટ્રોન સુપરસેચ્યુરેશન (એન-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર) અથવા હોલ સુપરસેચ્યુરેશન (પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર) બનાવે છે.

એન-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર એ એવા તત્વો છે જેમાં સામગ્રીને તેના સહસંયોજક બોન્ડ્સ માટે સેમિકન્ડક્ટરની જરૂરિયાત કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન હોય તેવા તત્વો સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે. આ વધારાનું ઇલેક્ટ્રોન ખસેડવા માટે મુક્ત છે, જે સામગ્રીની વાહકતામાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે. ફોસ્ફરસ, એન્ટિમોની અને આર્સેનિક એ એન-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા ડોપેન્ટ્સના સામાન્ય ઉદાહરણો છે.

બીજી બાજુ, પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર્સ એવા છે જ્યાં સામગ્રીને એવા તત્વો સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે કે જેમાં સહસંયોજક બોન્ડ્સ બનાવવા માટે ઓછા ઈલેક્ટ્રોન ઉપલબ્ધ હોય છે, જે છિદ્રોનું નિર્માણ કરે છે. આ છિદ્રો મોબાઇલ પોઝિટિવ ચાર્જની જેમ વર્તે છે જે વર્તમાનને પસાર થવા દે છે. બોરોન, ગેલિયમ અને ઇન્ડિયમ પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર બનાવવા માટે વપરાતા ડોપન્ટ તત્વોના ઉદાહરણો છે.

આંતરિક અને બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચે સરખામણી

બંને આંતરિક અને બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં મૂળભૂત ભૂમિકા ભજવે છે, પરંતુ તેમના તફાવતો તેમની રાસાયણિક રચના અને અમુક પરિસ્થિતિઓમાં તેઓ કેવી રીતે વર્તે છે તેમાં રહેલ છે. આગળ, અમે બંને પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચેની મુખ્ય લાક્ષણિકતાઓની સંપૂર્ણ સરખામણી કરવા જઈ રહ્યા છીએ:

• સામગ્રી શુદ્ધતા: આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર સંપૂર્ણપણે શુદ્ધ હોય છે, જ્યારે બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સની વાહકતા સુધારવા માટે અશુદ્ધિઓ સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે.
• ઇલેક્ટ્રિક વાહકતા: આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર્સમાં બહારની સરખામણીમાં ઘણી ઓછી વાહકતા હોય છે. આંતરિક વાહકતા માત્ર તાપમાનના ફેરફારો પર આધારિત છે.
• લોડ કેરિયર્સ: આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર્સમાં, ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા અને છિદ્રોની સંખ્યા સમાન હોય છે. બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સમાં, આ સમાનતા ડોપિંગને કારણે તૂટી જાય છે, જેના પરિણામે વધારાના ઇલેક્ટ્રોન (એન-ટાઇપ) અથવા છિદ્રો (પી-ટાઇપ) થાય છે.
• ટેકનોલોજી અને એપ્લિકેશન્સ: બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સ તેમની વીજળીનું સંચાલન કરવાની વધુ ક્ષમતાને કારણે વ્યવહારિક એપ્લિકેશન માટે વધુ ઉપયોગી છે. તેઓ ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને ડાયોડ સહિત વર્ચ્યુઅલ રીતે તમામ આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સનો આધાર છે.

પી-ટાઈપ અને એન-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર

બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટરના બે મુખ્ય પ્રકારોમાંથી, ધ એન-પ્રકાર સેમિકન્ડક્ટર વધુ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ધરાવે છે, જ્યારે પી-પ્રકાર સેમિકન્ડક્ટર તેમાં વધુ છિદ્રો છે. એન-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર્સમાં ઈલેક્ટ્રોન વીજળીનું સંચાલન કરવા માટે મુખ્ય ચાર્જ થયેલા કણો તરીકે કામ કરે છે, જ્યારે પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર્સમાં, છિદ્રો (પોઝિટિવલી ચાર્જ્ડ કણો) એ વિદ્યુત પ્રવાહને સક્ષમ કરે છે.

બંને પ્રકારો વચ્ચેનો સૌથી મહત્વપૂર્ણ તફાવત એ છે કે જ્યારે તેઓ બાહ્ય પાવર સ્ત્રોત સાથે જોડાયેલા હોય ત્યારે તેઓ કેવી રીતે વર્તે છે. જ્યારે બે પ્રદેશો (PN) વચ્ચે સંભવિત તફાવત લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આપણે જેને જાણીએ છીએ PN જંકશન, ડાયોડ જેવા ઉપકરણોના સંચાલન માટે નિર્ણાયક માળખું. જ્યારે જંકશન એક દિશામાં "ધ્રુવીકરણ" થાય છે, ત્યારે તે વર્તમાનને પસાર થવા દે છે; જો ધ્રુવીયતા ઉલટી હોય, તો તે ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કામ કરે છે.

બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સમાં ડોપિંગનું મહત્વ

બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સમાં, ડોપિંગ પ્રક્રિયા તેના કુદરતી સંતુલનને બદલવા અને તેની વહન ક્ષમતા વધારવા માટે સેમિકન્ડક્ટર ક્રિસ્ટલમાં અશુદ્ધિઓ દાખલ કરે છે. એન-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર્સ બનાવવા માટે, પાંચ વેલેન્સ ઈલેક્ટ્રોનવાળા ડોપન્ટ્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જ્યારે પી-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર્સ માટે, બેઝ મટિરિયલ એવા તત્વો સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે જેમાં માત્ર ત્રણ વેલેન્સ ઈલેક્ટ્રોન હોય છે. આ પ્રક્રિયા સામગ્રીના વિદ્યુત ગુણધર્મોને સીધી અસર કરે છે, એપ્લિકેશનમાં તેની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે જ્યાં વર્તમાનનું ચોક્કસ નિયંત્રણ આવશ્યક છે.

આ ડોપિંગ આધુનિક ઈલેક્ટ્રોનિક્સના અન્ય આવશ્યક ઘટકોમાં બાયપોલર ટ્રાંઝિસ્ટર અને ઈન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટની રચના જેવા વિવિધ ઉપયોગોમાં અનુવાદ કરે છે.

બાહ્ય અને આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર્સની એપ્લિકેશનો

આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર્સમાં તેમની ઓછી વાહકતાને કારણે મર્યાદિત એપ્લિકેશન હોય છે. જો કે, તેઓ એવા વાતાવરણમાં ઉપયોગી છે જ્યાં તાપમાનના ફેરફારો માટે ચોક્કસ પ્રતિભાવ જરૂરી છે, જેમ કે તાપમાન સેન્સરમાં. તેમના ભાગ માટે, બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર્સ, તેમની વધુ સારી વાહક ક્ષમતાઓને લીધે, ટ્રાંઝિસ્ટરથી ડાયોડ અને સંકલિત સર્કિટ સુધીના વિવિધ પ્રકારના ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે.

ઉદાહરણ તરીકે, માઇક્રોપ્રોસેસર્સમાં, બાહ્ય એન-ટાઇપ અને પી-ટાઇપ સેમિકન્ડક્ટર્સની વાહક અને બિન-સંવાહક સ્થિતિઓ વચ્ચે સ્વિચ કરવાની ક્ષમતા કમ્પ્યુટર્સને તાર્કિક કામગીરી કરવા, માહિતીને કાર્યક્ષમ રીતે સંગ્રહિત અને પ્રક્રિયા કરવાની મંજૂરી આપે છે.

ઉલ્લેખનીય છે કે સેમિકન્ડક્ટર્સનું ક્ષેત્ર સતત વિકસિત થઈ રહ્યું છે, અને સિલિકોન કાર્બાઈડ (SiC) અને ગેલિયમ આર્સેનાઈડ (GaAs) જેવી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાં તાજેતરની પ્રગતિ સાથે, વધુને વધુ ઝડપી અને વધુ કાર્યક્ષમ ઉપકરણો વિકસાવવામાં આવી રહ્યાં છે.

ઇજનેરો અને વૈજ્ઞાનિકો માટે, આંતરિક અને બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચેના તફાવતોને સમજવું એ માત્ર વધુ કાર્યક્ષમ ઉપકરણોને ડિઝાઇન કરવા માટે જ નહીં, પરંતુ હાલની તકનીકોને સુધારવા માટે પણ જરૂરી છે.