குறை கடத்திகளின் வகைகள்

உள்ளார்ந்த குறை கடத்திகள்#

மாசு எதுவும் சேர்க்காத தூய்மையான குறை கடத்தியானது உள்ளார்ந்த குறைகடத்தி எனப்படும். இங்கு மாசு என்பது, படிக அணிக்கோவையில் பிற வெளி அணுக்கள் இடம்பெறுவது ஆகும். படம் 10.3 (அ) இல் சிலிக்கானின் படிக அணிக்கோவை காட்டப்பட்டுள்ளது. ஒவ்வொரு சிலிக்கான் அணுவின் வெளிச்சுற்றுப்பாதையிலும் நான்கு எலக்ட்ரான்கள் அருகிலுள்ள நான்கு அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்பில் ஈடுபட்டு அணிக்கோவையை உருவாக்கியுள்ளன. படம் 10.3 (ஆ) இல் இந்த நிலைக்கான ஆற்றல்பட்டைப்படம் காட்டப்பட்டுள்ளது.

குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் சில சகப்பிணைப்புகள் முறிக்க போதுமானதாக அமைந்து எலக்ட்ரான்கள் அணிக்கோவையிலிருந்து வெளியேற்றப்படுகின்றன (படம் 10.4 (அ)). இதன் விளைவாக இணைதிறன் பட்டையில் ஒரு சில நிலைகள் காலியானதாக மாறிவிடும் மற்றும் கடத்துப் பட்டையில் ஒரு சில நிலைகளில் எலக்ட்ரான்கள் இடம்பெறும். இதனை படம் 10.4 (ஆ)இல் காணலாம். இணைதிறன் பட்டையில் காணப்படும் காலியிடம் துளைகள் எனப்படும். துளைகள் என்பதில் எலக்ட்ரான்கள் இல்லாமல் இருப்பதால் அவை நேர்மின் துகளாகக் கருதப்படுகின்றன. எனவே குறை கடத்திகளில் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் துளைகள் என இரு வகை மின்னூட்ட ஊர்திகள் உள்ளன.

உள்ளார்ந்த குறைகத்திகளில், கடத்து பட்டையிலுள்ள எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கையும், இணைதிறன் பட்டையிலுள்ள துளைகளின் எண்ணிக்கையும் சமமாக அமையும். கடத்துப் பட்டையில் மின்கடத்தல் எலக்ட்ரான்கள் மூலமும், இணைதிறன் பட்டையில் மின்கடத்தல் துளைகள் மூலமும் ஏற்படும். இதனுடன் தொடர்புடைய மின்னோட்டங்கள் முறையே $I_e$ மற்றும் $I_h$ எனக் குறிக்கப்படும். மொத்த மின்னோட்டம் $I$ ஆனது எப்போதும் எலக்ட்ரான் மின்னோட்டம் மற்றும் துளை மின்னோட்டம் ஆகியவற்றின் கூட்டுகையே அமையும். அதாவது $I = I_e + I_h$.

துளை என்பதின் வரையறை: எலக்ட்ரான் கிளர்ச்சி அடையும் போது, சகப்பிணைப்பு முறியும். எனவே, கிளர்ச்சி அடைந்த எலக்ட்ரான் பிணைப்பினை முழுமையாக விட்டு காலியிடத்தை ஏற்படுத்தும். இந்த எலக்ட்ரான் பற்றாக்குறை துளை எனப் பெயரிடப்பட்டுள்ளது.

$0 K$ வெப்பநிலையில் உள்ளார்ந்த குறை- கடத்திகள் காப்பான்களாகவே செயல்படும். வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது மின்னூட்ட ஊர்திகளும் (எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் துளைகள்) அதிகரிக்கும். உள்ளார்ந்த குறைகடத்திகளின் ஆற்றல் மட்டப் படம் (10.4 ஆ) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. உள்ளார்ந்த குறைகடத்திகளில் மின்னூட்ட ஊர்திகளின் செறிவு என்பது கடத்துப் பட்டையில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை அல்லது இணைதிறன் பட்டையில் உள்ள துளைகளின் எண்ணிக்கைக்குச் சமமாகும்.

புறவியலான குறைகடத்திகள்#

உள்ளார்ந்த குறைகடத்திகளில் உள்ள மின்னூட்ட ஊர்திகளின் செறிவு அதிக திறனுள்ள எலக்ட்ரானியல் கருவிகளை உருவாக்க போதுமானதாக இருக்காது. உள்ளார்ந்த குறைகடத்திகளில் மாசு அணுக்களைச் சேர்ப்பது மின்னூட்ட ஊர்திகளின் செறிவை அதிகரிக்க ஒரு வழியாக அமைகிறது.

உள்ளார்ந்த குறைகடத்திகளுடன் மாசுகளைச் சேர்த்தல் நிகழ்வு மாசூட்டுதல் எனப்படும். இம்முறை குறைகடத்திகளில் மின்னூட்ட ஊர்திகளின் (எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் துளைகள்) செறிவினை அதிகரித்து, அதன் மின் கடத்துதிறனையும் அதிகரிக்கிறது. இந்த மாசு அணுக்கள் மாசூட்டிகள் எனப்படும். மாசூட்டலின் அளவு 100ppm (மில்லியனில் ஒரு பங்கு) ஆக இருக்கும்.

சேர்க்கப்படும் மாசு வகைகளை அடிப்படையாக கொண்டு புறவியலான குறைகடத்திகள்

i) n-வகை குறைகடத்தி

ஒரு தூய சிலிக்கான் (அல்லது ஜெர்மானியம்) படிகத்துடன் ஐந்து இணைதிறன் மாசு அணுக்களான பாஸ்பரஸ், ஆர்சனிக் மற்றும் ஆண்டிமனி (தனிமவரிசை அட்டவணையில் தொகுதி Vலிருந்து பெறப்படும்) ஆகியவற்றை மாசூட்டும்போது n-வகை குறைகடத்திகள் பெறப்படுகின்றன. இது படம் 10.5 (அ) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. இந்த மாசூட்டிகள் ஐந்து இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டவை; ஆனால், சிலிக்கான் நான்கு இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களை கொண்டது. மாசூட்டல் செயல்முறையின்போது சில சிலிக்கான் அணுக்களுக்குப் பதிலாக ஐந்து இணைதிறன் மாசூட்டிகள் சேர்க்கப்படுகின்றன. மாசு அணுவின் ஐந்து இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களில் நான்கு எலக்ட்ரான்கள் அருகிலுள்ள நான்கு சிலிக்கான் அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்பில் இணைக்கப்படுகின்றன. ஐந்தாவது எலக்ட்ரான் சகப்பிணைப்பு உருவாகப் பயன்படவில்லை ஆதலால், அது அணுக்கருவுடன் தளர்வாக பிணைக்கப்பட்டுள்ளது.

மாசூட்டி அணுவில் தளர்வாக இணைக்கப்பட்டுள்ள ஐந்தாவது எலக்ட்ரானின் ஆற்றல்நிலை ஆனது, கடத்தும் பட்டையின் விளிம்புக்கு சற்று கீழே அமைந்துள்ளது. இது கொடையாளி ஆற்றல் நிலை எனப்படும். இதனை படம் 10.5 (ஆ) இல் காணலாம். அறை வெப்பநிலையில் இந்த எலக்ட்ரான்கள் வெப்ப ஆற்றலை உட்கவர்ந்து கொண்டு கடத்துப்பட்டையை அடையும். இது படம் 10.6 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. மேலும் புற மின்புலத்தினால்கூட தளர்வாகப் பிணைக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்கள் கட்டுறா நிலைக்கு மாற்றப்பட்டு மின்கடத்தல் ஏற்படும்.

உள்ளார்ந்த குறைகடத்தியில் இணைதிறன் பட்டையிலிருந்து எலக்ட்ரானை, கடத்து பட்டைக்கு மாற்ற தேவைப்படும் ஆற்றல் ஜெர்மானியம் மற்றும் சிலிக்கானில் முறையே 0.7eV மற்றும் 1.1eV ஆகும், ஆனால், கொடையாளி எலக்ட்ரானைக் கட்டுறா நிலைக்குக் கொண்டு செல்ல தேவைப்படும் ஆற்றல் ஜெர்மானியம் மற்றும் சிலிக்கானுக்கு முறையே 0.01 eV மற்றும் 0.05 eV மட்டுமே என்பதை முக்கியமாகக் கவனிக்க வேண்டும்.

தொகுதி V ல் உள்ள ஐந்து இணைதிறன் மாசு அணுக்கள் கடத்து பட்டைக்கு ஓர் எலக்ட்ரானை அளிப்பதால், அவை கொடையாளி மாசுகள் எனப்படும். எனவே, கடத்து பட்டையில் வெப்ப அதிர்வின் காரணமாக உள்ள எலக்ட்ரான்களுடன் கூடுதலாக ஒவ்வொரு மாசு அணுவும் ஓர் எலக்ட்ரானை அளிக்கும். வெப்பத்தினால் உண்டாக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்கள் இணைதிறன் பட்டையில் துளையை உண்டாக்கும். எனவே n-வகை குறைகடத்தியில் எலக்ட்ரான்கள் பெரும்பான்மை மின்னோட்ட ஊர்திகளாகவும், துளைகள் சிறுபான்மை ஊர்திகளாகவும் அமைந்துள்ளன. ஐந்து இணைதிறன் கொண்ட மாசு சேர்க்கப்பட்டுள்ள இந்த குறைகடத்தி n-வகை குறைகடத்தி எனப்படும்.

ii) p-வகை குறைகடத்தி

p வகை குறைகடத்தியில், மூன்று இணைதிறன் மாசு அணுக்களான (தனிம வரிசை அட்டவணையில் தொகுதி IIIல் இருந்து) போரான், அலுமினியம், கேலியம் மற்றும் இண்டியம் ஆகியவை சிலிக்கான் (அல்லது ஜெர்மானியம்) படிகத்துடன் சேர்க்கப்படுகின்றன. மூன்று இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட மாசூட்டி ஆனது மூன்று சிலிக்கான் அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்பை உருவாக்குகின்றன. நான்கு சகப்பிணைப்புகளில் மூன்று பிணைப்புகள் நிறைவு பெற்றும்; ஒன்று ஒரு எலக்ட்ரானுடன் நிறைவு பெறாமல் அமையும். இந்த நான்காவது சகப்பிணைப்பில் உள்ள எலக்ட்ரான் இல்லாத காலி இடமானது துளை என குறிக்கப்படுகிறது.

அருகிலுள்ள நான்கு அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்பினை நிறைவு செய்ய மாசு அணுவிற்குக் கூடுதலாக ஓர் எலக்ட்ரான் தேவைப்படுகிறது. இந்த மாசு அணுக்கள் அருகிலுள்ள உள்ள அணுக்களிலிருந்து எலக்ட்ரானை ஏற்றுக் கொள்ளும். எனவே, இவ்வகை மாசு ஏற்பான் மாசு எனப்படும். ஒவ்வொரு மாசு அணுவினால் தோற்றுவிக்கப்படும் துளைகளின் ஆற்றல் மட்டம் இணைதிறன் பட்டைக்குச் சற்று மேலே அமையும். இதனை ஏற்பான் ஆற்றல் நிலை என்கிறோம். இதனைப் படம் 10.7 (ஆ) இல் காணலாம்.

ஒவ்வோர் ஏற்பான் அணுவிற்கும் இணைதிறன் பட்டையில் ஒரு துளை இருக்கும். மேலும், வெப்பத்தினால் உருவாகும் எலக்ட்ரான்கள் விட்டுச் சென்ற துளைகளும் இருக்கும். இந்தப் புறவியலான குறைகடத்திகளில், துளைகள் பெரும்பான்மை ஊர்திகளாகவும், வெப்பத்தினால் உருவாக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்கள் சிறுபான்மை ஊர்திகளாகவும் செயல்படும் என்பதைப் படம் 10.8 இல் காணலாம். இம்முறையில் உருவாக்கப்பட்ட புறவியலான குறைகடத்தி p-வகை குறைகடத்தி எனப்படும்.

குறிப்பு: உள்ளார்ந்த குறைகடத்தியில் நடுநிலை அணுக்களையே நாம் மாசுகளாக சேர்ப்பதன் விளைவாக n-வகை மற்றும் p-வகை குறைகடத்திகள் மின் சமநிலை மாறாமல் நடுநிலையாகவே இருக்கும்.