CLASS 12 PHYSICS · CHAPTER 14 · READ

Semiconductor Electronics: Materials, Devices and Simple Circuitsअर्धचालक इलेक्ट्रॉनिकी: पदार्थ, युक्तियाँ तथा सरल परिपथSemiconductor Electronics: Materials, Devices and Simple Circuits

Why some solids conduct and others don’t → energy bands → pure (intrinsic) semiconductors, electrons and holes → doping: n-type and p-type → the p-n junction → the diode in forward and reverse bias → V–I characteristic → the diode as a rectifier.कुछ ठोस चालन क्यों करते हैं और कुछ क्यों नहीं → ऊर्जा बैंड → शुद्ध (नैज) अर्धचालक, इलेक्ट्रॉन और होल → मादन: n-प्रकार और p-प्रकार → p-n संधि → अग्रदिशिक और पश्चदिशिक बायस में डायोड → V–I अभिलक्षण → दिष्टकारी के रूप में डायोड।Kuch solids conduct kyun karte hain aur kuch kyun nahi → energy bands → pure (intrinsic) semiconductors, electrons aur holes → doping: n-type aur p-type → p-n junction → forward aur reverse bias mein diode → V–I characteristic → rectifier ke roop mein diode.

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Diagrams in this chapterइस अध्याय के चित्रIs chapter ke diagrams

Energy bands of a semiconductor at 0 K0 K पर अर्धचालक के ऊर्जा बैंडEnergy bands of a semiconductor at 0 KFig 14.1Energy bands: metal, insulator, semiconductorऊर्जा बैंड: धातु, विद्युतरोधी, अर्धचालकEnergy bands: metal, insulator, semiconductorFig 14.2Diamond-like crystal structure (Si, Ge, C)हीरे जैसी क्रिस्टल संरचना (Si, Ge, C)Diamond-like crystal structure (Si, Ge, C)Fig 14.3Covalent bonds in Si/Ge (2-D picture)Si/Ge में सहसंयोजक आबंध (2-D चित्र)Covalent bonds in Si/Ge (2-D picture)Fig 14.4Electron–hole pair and motion of a holeइलेक्ट्रॉन–होल युग्म और होल की गतिElectron–hole pair and motion of a holeFig 14.5Intrinsic semiconductor at T = 0 K and T > 0 KT = 0 K और T > 0 K पर नैज अर्धचालकIntrinsic semiconductor at T = 0 K and T > 0 KFig 14.6n-type semiconductor: pentavalent donorn-प्रकार अर्धचालक: पंचसंयोजी दाताn-type semiconductor: pentavalent donorFig 14.7p-type semiconductor: trivalent acceptorp-प्रकार अर्धचालक: त्रिसंयोजी ग्राहीp-type semiconductor: trivalent acceptorFig 14.8Donor and acceptor levels in the band diagramबैंड आरेख में दाता और ग्राही स्तरDonor and acceptor levels in the band diagramFig 14.9Formation of a p-n junctionp-n संधि का निर्माणFormation of a p-n junctionFig 14.10Unbiased p-n junction and barrier potentialबिना बायस p-n संधि और विभव प्राचीरUnbiased p-n junction and barrier potentialFig 14.11Semiconductor diode and its symbolअर्धचालक डायोड और उसका प्रतीकSemiconductor diode and its symbolFig 14.12p-n junction diode under forward biasअग्रदिशिक बायस में p-n संधि डायोडp-n junction diode under forward biasFig 14.13Forward bias: minority carrier injectionअग्रदिशिक बायस: अल्पसंख्यक वाहक अंतःक्षेपणForward bias: minority carrier injectionFig 14.14p-n junction diode under reverse biasपश्चदिशिक बायस में p-n संधि डायोडp-n junction diode under reverse biasFig 14.15Circuits to study the V–I characteristicV–I अभिलक्षण के अध्ययन के परिपथCircuits to study the V–I characteristicFig 14.16 (a), (b)V–I characteristic of a silicon diodeसिलिकॉन डायोड का V–I अभिलक्षणV–I characteristic of a silicon diodeFig 14.16 (c)Half-wave rectifierअर्ध-तरंग दिष्टकारीHalf-wave rectifierFig 14.18Full-wave (centre-tap) rectifierपूर्ण-तरंग (केंद्र-टैप) दिष्टकारीFull-wave (centre-tap) rectifierFig 14.19Rectifier with capacitor filterसंधारित्र फ़िल्टर सहित दिष्टकारीRectifier with capacitor filterFig 14.20

14.1IntroductionभूमिकाIntroduction

Devices in which a controlled flow of electrons can be obtained are the basic building blocks of all electronic circuits. Before the transistor was discovered in 1948, such devices were mostly vacuum tubes (valves): the vacuum diode with two electrodes — anode (plate) and cathode; the triode with three — cathode, plate and grid; the tetrode and pentode with 4 and 5 electrodes.वे युक्तियाँ जिनमें इलेक्ट्रॉनों का नियंत्रित प्रवाह मिल सके, सभी इलेक्ट्रॉनिक परिपथों की मूल इकाइयाँ हैं। 1948 में ट्रांज़िस्टर की खोज से पहले ऐसी युक्तियाँ प्रायः निर्वात नलिकाएँ (वाल्व) थीं: दो इलेक्ट्रोड — ऐनोड (प्लेट) और कैथोड — वाला निर्वात डायोड; तीन — कैथोड, प्लेट और ग्रिड — वाला ट्रायोड; 4 और 5 इलेक्ट्रोड वाले टेट्रोड और पेंटोड।Wo devices jinme electrons ka controlled flow mil sake, saare electronic circuits ke basic building blocks hain. 1948 mein transistor ki khoj se pehle aise devices zyaadatar vacuum tubes (valves) the: do electrodes — anode (plate) aur cathode — wala vacuum diode; teen — cathode, plate aur grid — wala triode; 4 aur 5 electrodes wale tetrode aur pentode.अ

In a vacuum tube, electrons come from a heated cathode and their flow through vacuum is controlled by the voltages between the electrodes. Vacuum is needed, otherwise the moving electrons lose energy in collisions with air molecules. Electrons can flow only from cathode to anode — in one direction — which is why these devices are called valves. They are bulky, consume high power, work at high voltages (~100 V), and have limited life and low reliability.निर्वात नलिका में इलेक्ट्रॉन गर्म कैथोड से आते हैं और इलेक्ट्रोडों के बीच की वोल्टता से निर्वात में उनका प्रवाह नियंत्रित होता है। निर्वात आवश्यक है, वरना गतिमान इलेक्ट्रॉन वायु अणुओं से टकराकर ऊर्जा खो देंगे। इलेक्ट्रॉन केवल कैथोड से ऐनोड की ओर — एक ही दिशा में — बह सकते हैं, इसीलिए इन्हें वाल्व कहते हैं। ये भारी-भरकम होते हैं, अधिक शक्ति लेते हैं, ऊँची वोल्टता (~100 V) पर चलते हैं, इनकी आयु सीमित और विश्वसनीयता कम होती है।Vacuum tube mein electrons garam cathode se aate hain aur electrodes ke beech ke voltage se vacuum mein unka flow control hota hai. Vacuum zaroori hai, warna chalte electrons air molecules se takra kar energy kho denge. Electrons sirf cathode se anode ki taraf — ek hi direction mein — beh sakte hain, isiliye inhe valves kehte hain. Ye bhaari hote hain, zyaada power lete hain, high voltage (~100 V) par chalte hain, inki life limited aur reliability kam hoti hai.अ

From the 1930s it was realised that solid-state semiconductors and their junctions can control both the number and the direction of flow of charge carriers. Light, heat or a small voltage can change the number of mobile charges in a semiconductor. Here the charges are supplied and flow inside the solid itself — no heated cathode, no vacuum. So semiconductor devices are small, use little power, work at low voltages, and have long life and high reliability. Even CRT displays have given way to LCD screens driven by solid-state electronics. Long before all this was understood, a natural crystal of galena (lead sulphide, PbS) with a metal point contact was used to detect radio waves.1930 के दशक से यह समझा गया कि ठोस अवस्था अर्धचालक और उनकी संधियाँ आवेश वाहकों की संख्या और प्रवाह की दिशा दोनों नियंत्रित कर सकती हैं। प्रकाश, ऊष्मा या थोड़ी वोल्टता अर्धचालक में गतिशील आवेशों की संख्या बदल सकती है। यहाँ आवेश ठोस के भीतर ही मिलते और बहते हैं — न गर्म कैथोड, न निर्वात। इसलिए अर्धचालक युक्तियाँ छोटी होती हैं, कम शक्ति लेती हैं, कम वोल्टता पर चलती हैं, लंबी आयु और उच्च विश्वसनीयता वाली होती हैं। CRT डिस्प्ले की जगह भी ठोस अवस्था इलेक्ट्रॉनिकी वाले LCD आ गए। यह सब समझे जाने से बहुत पहले, धातु के नुकीले संपर्क वाला गैलेना (लेड सल्फ़ाइड, PbS) का प्राकृतिक क्रिस्टल रेडियो तरंगों के संसूचक के रूप में प्रयोग होता था।1930s se ye samjha gaya ki solid-state semiconductors aur unke junctions charge carriers ki sankhya aur flow ki direction dono control kar sakte hain. Light, heat ya thoda voltage semiconductor mein mobile charges ki sankhya badal sakta hai. Yahan charges solid ke andar hi milte aur behte hain — na garam cathode, na vacuum. Isliye semiconductor devices chhote hote hain, kam power lete hain, kam voltage par chalte hain, lambi life aur high reliability wale hote hain. CRT displays ki jagah bhi solid-state electronics wale LCD aa gaye. Ye sab samajhne se bahut pehle, metal point contact wala galena (lead sulphide, PbS) ka natural crystal radio waves detect karne mein use hota tha.अ

In this chapter we study the basic physics of semiconductors, the junction diode (a two-electrode device) and its use as a rectifier.इस अध्याय में हम अर्धचालकों की मूल भौतिकी, संधि डायोड (दो-इलेक्ट्रोड युक्ति) और दिष्टकारी के रूप में उसका उपयोग पढ़ेंगे।Is chapter mein hum semiconductors ki basic physics, junction diode (do-electrode device) aur rectifier ke roop mein uska use padhenge.अ

14.2Classification of metals, conductors and semiconductorsधातुओं, चालकों और अर्धचालकों का वर्गीकरणMetals, conductors aur semiconductors ka classification

On the basis of conductivityचालकता के आधार परConductivity ke aadhaar par

Using the electrical conductivity σ or the resistivity ρ = 1/σ, solids are broadly classified as:विद्युत चालकता σ या प्रतिरोधकता ρ = 1/σ के आधार पर ठोसों को मोटे तौर पर इस प्रकार बाँटा जाता है:Electrical conductivity σ ya resistivity ρ = 1/σ ke aadhaar par solids ko mote taur par aise baanta jaata hai:अ

• Metals: very low resistivity, ρ ~ 10⁻² – 10⁻⁸ Ω m; σ ~ 10² – 10⁸ S m⁻¹.धातुएँ: बहुत कम प्रतिरोधकता, ρ ~ 10⁻² – 10⁻⁸ Ω m; σ ~ 10² – 10⁸ S m⁻¹।Metals: bahut kam resistivity, ρ ~ 10⁻² – 10⁻⁸ Ω m; σ ~ 10² – 10⁸ S m⁻¹.अ
• Semiconductors: in between, ρ ~ 10⁻⁵ – 10⁶ Ω m; σ ~ 10⁵ – 10⁻⁶ S m⁻¹.अर्धचालक: बीच में, ρ ~ 10⁻⁵ – 10⁶ Ω m; σ ~ 10⁵ – 10⁻⁶ S m⁻¹।Semiconductors: beech mein, ρ ~ 10⁻⁵ – 10⁶ Ω m; σ ~ 10⁵ – 10⁻⁶ S m⁻¹.अ
• Insulators: very high resistivity, ρ ~ 10¹¹ – 10¹⁹ Ω m; σ ~ 10⁻¹¹ – 10⁻¹⁹ S m⁻¹.विद्युतरोधी: बहुत अधिक प्रतिरोधकता, ρ ~ 10¹¹ – 10¹⁹ Ω m; σ ~ 10⁻¹¹ – 10⁻¹⁹ S m⁻¹।Insulators: bahut zyaada resistivity, ρ ~ 10¹¹ – 10¹⁹ Ω m; σ ~ 10⁻¹¹ – 10⁻¹⁹ S m⁻¹.अ

These values only indicate the order of magnitude and can lie outside these ranges. Resistivity is also not the only way to tell metals, semiconductors and insulators apart — the other differences appear as we go along (for example, a semiconductor’s resistance falls when it is heated).ये मान केवल परिमाण की कोटि बताते हैं और इन सीमाओं के बाहर भी हो सकते हैं। धातु, अर्धचालक और विद्युतरोधी को पहचानने का प्रतिरोधकता एकमात्र आधार भी नहीं है — दूसरे अंतर आगे दिखेंगे (जैसे गर्म करने पर अर्धचालक का प्रतिरोध घटता है)।Ye values sirf order of magnitude batati hain aur in ranges ke bahar bhi ho sakti hain. Metal, semiconductor aur insulator ko pehchaanne ka resistivity akela criterion bhi nahi hai — baaki differences aage dikhenge (jaise garam karne par semiconductor ka resistance ghatta hai).अ

Semiconductors can be elemental (Si, Ge) or compound: inorganic (CdS, GaAs, CdSe, InP …), organic (anthracene, doped phthalocyanines …) and organic polymers (polypyrrole, polyaniline, polythiophene …). Most devices today use Si, Ge and inorganic compounds; since 1990 a few devices using organic semiconductors and polymers have appeared — the start of polymer- and molecular-electronics. We study mainly Si and Ge; the same ideas largely apply to compound semiconductors.अर्धचालक तात्विक (Si, Ge) या यौगिक हो सकते हैं: अकार्बनिक (CdS, GaAs, CdSe, InP …), कार्बनिक (ऐन्थ्रासीन, मादित थैलोसायनीन …) और कार्बनिक बहुलक (पॉलीपाइरोल, पॉलीऐनिलीन, पॉलीथायोफ़ीन …)। आज अधिकांश युक्तियाँ Si, Ge और अकार्बनिक यौगिकों से बनती हैं; 1990 के बाद कार्बनिक अर्धचालकों और बहुलकों वाली कुछ युक्तियाँ भी आईं — बहुलक और आण्विक इलेक्ट्रॉनिकी की शुरुआत। हम मुख्यतः Si और Ge पढ़ेंगे; यही विचार यौगिक अर्धचालकों पर भी काफ़ी हद तक लागू होते हैं।Semiconductors elemental (Si, Ge) ya compound ho sakte hain: inorganic (CdS, GaAs, CdSe, InP …), organic (anthracene, doped phthalocyanines …) aur organic polymers (polypyrrole, polyaniline, polythiophene …). Aaj zyaadatar devices Si, Ge aur inorganic compounds se bante hain; 1990 ke baad organic semiconductors aur polymers wale kuch devices bhi aaye — polymer aur molecular electronics ki shuruaat. Hum mainly Si aur Ge padhenge; yahi ideas compound semiconductors par bhi kaafi had tak laagu hote hain.अ

On the basis of energy bandsऊर्जा बैंडों के आधार परEnergy bands ke aadhaar par

In an isolated atom, an electron’s energy is fixed by its orbit (Bohr model). In a solid the atoms are so close that the outer orbits of neighbours come very close or even overlap. Each electron then sees a slightly different pattern of surrounding charges, so it has a slightly different energy. These closely spaced levels with continuous energy variation form energy bands. The band containing the energy levels of the valence electrons is the valence band; the band above it is the conduction band.एकल परमाणु में इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा उसकी कक्षा से तय होती है (बोर मॉडल)। ठोस में परमाणु इतने पास होते हैं कि पड़ोसियों की बाहरी कक्षाएँ बहुत पास आ जाती हैं या अतिव्यापित हो जाती हैं। तब हर इलेक्ट्रॉन आसपास के आवेशों का थोड़ा अलग पैटर्न देखता है, इसलिए उसकी ऊर्जा थोड़ी अलग होती है। सतत रूप से बदलती ऊर्जा वाले ये पास-पास के स्तर ऊर्जा बैंड बनाते हैं। संयोजकता इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों वाला बैंड संयोजकता बैंड है; उसके ऊपर वाला बैंड चालन बैंड है।Isolated atom mein electron ki energy uski orbit se tay hoti hai (Bohr model). Solid mein atoms itne paas hote hain ki padosiyon ki outer orbits bahut paas aa jaati hain ya overlap ho jaati hain. Tab har electron aaspaas ke charges ka thoda alag pattern dekhta hai, isliye uski energy thodi alag hoti hai. Continuous energy wale ye paas-paas ke levels energy bands banate hain. Valence electrons ke levels wala band valence band hai; uske upar wala band conduction band hai.अ

Take a Si or Ge crystal of N atoms. The outermost orbit is n = 3 for Si and n = 4 for Ge, with 4 electrons in it (two s and two p electrons), so the crystal has 4N outer electrons. The outer orbit could hold at most 8 (2 s + 6 p), so there are 8N available states. At the actual atomic spacing in Si and Ge, these 8N states split into two bands separated by an energy gap Eg: the lower valence band (4N states, completely filled by the 4N valence electrons at 0 K) and the upper conduction band (4N states, completely empty at 0 K).N परमाणुओं वाला Si या Ge क्रिस्टल लें। सबसे बाहरी कक्षा Si में n = 3 और Ge में n = 4 है, जिसमें 4 इलेक्ट्रॉन (दो s और दो p) हैं, इसलिए क्रिस्टल में 4N बाहरी इलेक्ट्रॉन हैं। बाहरी कक्षा में अधिकतम 8 (2 s + 6 p) आ सकते हैं, इसलिए 8N अवस्थाएँ उपलब्ध हैं। Si और Ge के वास्तविक परमाणु-अंतराल पर ये 8N अवस्थाएँ ऊर्जा अंतराल Eg से अलग दो बैंडों में बँट जाती हैं: निचला संयोजकता बैंड (4N अवस्थाएँ, 0 K पर 4N संयोजकता इलेक्ट्रॉनों से पूरा भरा) और ऊपरी चालन बैंड (4N अवस्थाएँ, 0 K पर पूरा खाली)।N atoms wala Si ya Ge crystal lijiye. Sabse bahari orbit Si mein n = 3 aur Ge mein n = 4 hai, jisme 4 electrons (do s aur do p) hain, isliye crystal mein 4N outer electrons hain. Outer orbit mein maximum 8 (2 s + 6 p) aa sakte hain, isliye 8N states available hain. Si aur Ge ki actual atomic spacing par ye 8N states energy gap Eg se alag do bands mein bant jaati hain: neeche valence band (4N states, 0 K par 4N valence electrons se poora bhara) aur upar conduction band (4N states, 0 K par bilkul khaali).अ

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The lowest level of the conduction band is EC and the highest level of the valence band is EV. The gap between them is the energy band gap, Eg = EC − EV. It may be large, small or zero depending on the material — and that decides whether the solid is an insulator, a semiconductor or a metal.चालन बैंड का सबसे निचला स्तर EC और संयोजकता बैंड का सबसे ऊँचा स्तर EV है। इनके बीच का अंतर ऊर्जा बैंड अंतराल Eg = EC − EV है। पदार्थ के अनुसार यह बड़ा, छोटा या शून्य हो सकता है — और यही तय करता है कि ठोस विद्युतरोधी है, अर्धचालक या धातु।Conduction band ka sabse neeche ka level EC aur valence band ka sabse upar ka level EV hai. Inke beech ka gap energy band gap Eg = EC − EV hai. Material ke hisaab se ye bada, chhota ya zero ho sakta hai — aur yahi tay karta hai ki solid insulator hai, semiconductor ya metal.अ

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• Case I — metals: the conduction band is partly filled (and the valence band partly empty), or the two bands overlap. Electrons move easily into the conduction band, so many are available for conduction: low resistance, high conductivity.स्थिति I — धातुएँ: चालन बैंड आंशिक भरा (और संयोजकता बैंड आंशिक खाली) होता है, या दोनों बैंड अतिव्यापित होते हैं। इलेक्ट्रॉन आसानी से चालन बैंड में जाते हैं, इसलिए चालन के लिए बहुत से उपलब्ध: कम प्रतिरोध, अधिक चालकता।Case I — metals: conduction band partly bhara (aur valence band partly khaali) hota hai, ya dono bands overlap karte hain. Electrons aasaani se conduction band mein jaate hain, isliye conduction ke liye bahut saare available: kam resistance, zyaada conductivity.अ
• Case II — insulators: a large gap, Eg > 3 eV. The conduction band is empty and thermal energy cannot lift electrons across, so no conduction is possible.स्थिति II — विद्युतरोधी: बड़ा अंतराल, Eg > 3 eV। चालन बैंड खाली है और ऊष्मीय ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को पार नहीं करा सकती, इसलिए चालन संभव नहीं।Case II — insulators: bada gap, Eg > 3 eV. Conduction band khaali hai aur thermal energy electrons ko paar nahi kara sakti, isliye conduction possible nahi.अ
• Case III — semiconductors: a finite but small gap, Eg < 3 eV. At room temperature some valence electrons gain enough energy to cross into the conduction band and move there. They are few, so the resistance is lower than an insulator’s but much higher than a metal’s.स्थिति III — अर्धचालक: सीमित पर छोटा अंतराल, Eg < 3 eV। कमरे के ताप पर कुछ संयोजकता इलेक्ट्रॉन पर्याप्त ऊर्जा पाकर चालन बैंड में पहुँचते हैं और वहाँ चल सकते हैं। ये कम होते हैं, इसलिए प्रतिरोध विद्युतरोधी से कम पर धातु से बहुत अधिक।Case III — semiconductors: finite par chhota gap, Eg < 3 eV. Room temperature par kuch valence electrons kaafi energy paa kar conduction band mein pahunchte hain aur wahan chal sakte hain. Ye kam hote hain, isliye resistance insulator se kam par metal se bahut zyaada.अ

14.3Intrinsic semiconductorनैज अर्धचालकIntrinsic semiconductor

Ge and Si have the diamond-like crystal structure: every atom is surrounded by four nearest neighbours at the corners of a tetrahedron. The cubic cell edge (lattice spacing a) is 3.56 Å for C, 5.43 Å for Si and 5.66 Å for Ge.Ge और Si की क्रिस्टल संरचना हीरे जैसी है: हर परमाणु एक समचतुष्फलक के कोनों पर स्थित चार निकटतम पड़ोसियों से घिरा है। घनीय सेल की कोर (जालक अंतराल a) C के लिए 3.56 Å, Si के लिए 5.43 Å और Ge के लिए 5.66 Å है।Ge aur Si ka crystal structure diamond jaisa hai: har atom ek tetrahedron ke corners par baithe chaar nearest neighbours se ghira hai. Cubic cell ka edge (lattice spacing a) C ke liye 3.56 Å, Si ke liye 5.43 Å aur Ge ke liye 5.66 Å hai.अ

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Si and Ge have four valence electrons. Each atom shares one of its four valence electrons with each of its four neighbours, and takes a share of one electron from each. Such a shared pair is a covalent bond (valence bond); the two electrons shuttle back and forth between the two atoms and hold them together strongly. The 2-D picture below exaggerates the bonds; it shows the ideal case with all bonds intact, as at low temperature. The symbol +4 marks the inner core of each Si or Ge atom.Si और Ge में चार संयोजकता इलेक्ट्रॉन होते हैं। हर परमाणु अपने चार पड़ोसियों में से प्रत्येक के साथ अपना एक संयोजकता इलेक्ट्रॉन साझा करता है और प्रत्येक से एक इलेक्ट्रॉन का हिस्सा लेता है। ऐसा साझा युग्म सहसंयोजक आबंध (संयोजकता आबंध) है; दोनों इलेक्ट्रॉन दोनों परमाणुओं के बीच आते-जाते हैं और उन्हें मज़बूती से जोड़े रखते हैं। नीचे का 2-D चित्र आबंधों को बढ़ा-चढ़ाकर दिखाता है; यह सभी आबंध पूरे वाली आदर्श स्थिति है, जैसी निम्न ताप पर होती है। +4 चिह्न हर Si या Ge परमाणु का आंतरिक क्रोड है।Si aur Ge mein chaar valence electrons hote hain. Har atom apne chaar padosiyon mein se har ek ke saath apna ek valence electron share karta hai aur har ek se ek electron ka hissa leta hai. Aisa shared pair covalent bond (valence bond) hai; dono electrons dono atoms ke beech aate-jaate hain aur unhe mazbooti se jode rakhte hain. Neeche ki 2-D picture bonds ko badha-chadha kar dikhati hai; ye saare bonds intact wali ideal situation hai, jaisi low temperature par hoti hai. +4 symbol har Si ya Ge atom ka inner core hai.अ

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As the temperature rises, some electrons gain enough thermal energy to break away from their bonds and become free (conduction) electrons. Thermal energy ionises only a few atoms. The site that the electron (charge −q) left now has a vacancy with an effective charge +q. This vacancy is called a hole (विवर). The hole behaves like an apparent free particle with positive charge.ताप बढ़ने पर कुछ इलेक्ट्रॉन पर्याप्त ऊष्मीय ऊर्जा पाकर अपने आबंधों से टूटकर मुक्त (चालन) इलेक्ट्रॉन बन जाते हैं। ऊष्मीय ऊर्जा केवल कुछ परमाणुओं को आयनित करती है। जिस स्थान को इलेक्ट्रॉन (आवेश −q) छोड़ता है, वहाँ प्रभावी आवेश +q वाली रिक्ति बनती है। इस रिक्ति को होल (विवर) कहते हैं। होल धनावेशित एक आभासी मुक्त कण की तरह व्यवहार करता है।Temperature badhne par kuch electrons kaafi thermal energy paa kar apne bonds se toot kar free (conduction) electrons ban jaate hain. Thermal energy sirf kuch atoms ko ionise karti hai. Jis jagah ko electron (charge −q) chhodta hai, wahan effective charge +q wali vacancy banti hai. Is vacancy ko hole kehte hain. Hole ek positive charge wale apparent free particle ki tarah behave karta hai.अ

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In an intrinsic (pure) semiconductor the number of free electrons equals the number of holes:नैज (शुद्ध) अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या होलों की संख्या के बराबर होती है:Intrinsic (pure) semiconductor mein free electrons ki sankhya holes ki sankhya ke barabar hoti hai:अ

A semiconductor is special because holes also move. Suppose there is a hole at site 1. An electron from the covalent bond at site 2 may jump into the vacant site 1. Now site 1 has an electron and the hole is at site 2 — the hole has apparently moved from 1 to 2. The free electron released earlier takes no part in this; it moves independently and gives the electron current Ie. In an electric field, holes move towards the negative potential and give the hole current Ih. The total current isअर्धचालक इसलिए विशेष है कि इसमें होल भी चलते हैं। मान लीजिए स्थल 1 पर होल है। स्थल 2 के सहसंयोजक आबंध का एक इलेक्ट्रॉन खाली स्थल 1 में कूद सकता है। अब स्थल 1 पर इलेक्ट्रॉन है और होल स्थल 2 पर — होल 1 से 2 पर चलता प्रतीत होता है। पहले मुक्त हुआ इलेक्ट्रॉन इसमें भाग नहीं लेता; वह स्वतंत्र रूप से चलता है और इलेक्ट्रॉन धारा Ie देता है। विद्युत क्षेत्र में होल ऋण विभव की ओर चलते हैं और होल धारा Ih देते हैं। कुल धारा हैSemiconductor isliye special hai ki isme holes bhi chalte hain. Maan lijiye site 1 par hole hai. Site 2 ke covalent bond ka ek electron khaali site 1 mein kood sakta hai. Ab site 1 par electron hai aur hole site 2 par — hole 1 se 2 par chalta hua lagta hai. Pehle free hua electron isme hissa nahi leta; wo independently chalta hai aur electron current Ie deta hai. Electric field mein holes negative potential ki taraf chalte hain aur hole current Ih dete hain. Total current haiअ

Along with the generation of electrons and holes, recombination goes on: an electron collides with a hole and both disappear. In equilibrium, the rate of generation equals the rate of recombination.इलेक्ट्रॉन और होलों के जनन के साथ-साथ पुनर्संयोजन भी चलता है: इलेक्ट्रॉन किसी होल से टकराता है और दोनों मिट जाते हैं। साम्यावस्था में जनन की दर पुनर्संयोजन की दर के बराबर होती है।Electrons aur holes ke generation ke saath-saath recombination bhi chalta hai: electron kisi hole se takrata hai aur dono khatam ho jaate hain. Equilibrium mein generation ki rate recombination ki rate ke barabar hoti hai.अ

At T = 0 K an intrinsic semiconductor behaves like an insulator — no electron is in the conduction band. At T > 0 K thermal energy excites some electrons from the valence band into the conduction band, where they partially occupy it, leaving an equal number of holes in the valence band.T = 0 K पर नैज अर्धचालक विद्युतरोधी जैसा व्यवहार करता है — चालन बैंड में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं। T > 0 K पर ऊष्मीय ऊर्जा कुछ इलेक्ट्रॉनों को संयोजकता बैंड से चालन बैंड में उत्तेजित करती है, जहाँ वे उसे आंशिक रूप से भरते हैं और संयोजकता बैंड में उतने ही होल छोड़ते हैं।T = 0 K par intrinsic semiconductor insulator jaisa behave karta hai — conduction band mein koi electron nahi. T > 0 K par thermal energy kuch electrons ko valence band se conduction band mein excite karti hai, jahan wo use partly bharte hain aur valence band mein utne hi holes chhodte hain.अ

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14.4Extrinsic semiconductorबाह्य अर्धचालकExtrinsic semiconductor

The conductivity of an intrinsic semiconductor depends on temperature, but at room temperature it is very low — no important device can be made from it. When a small amount (say a few parts per million, ppm) of a suitable impurity is added, the conductivity increases manyfold. Such materials are extrinsic (impurity) semiconductors. Deliberately adding a desirable impurity is doping; the impurity atoms are dopants; the material is a doped semiconductor. The dopant must not distort the lattice — it occupies only a very few of the original atom sites — so its atom must be nearly the same size as Si or Ge.नैज अर्धचालक की चालकता ताप पर निर्भर है, पर कमरे के ताप पर बहुत कम है — इससे कोई महत्वपूर्ण युक्ति नहीं बन सकती। उपयुक्त अपद्रव्य की थोड़ी मात्रा (जैसे कुछ भाग प्रति दस लाख, ppm) मिलाने पर चालकता कई गुना बढ़ जाती है। ऐसे पदार्थ बाह्य (अपद्रव्यी) अर्धचालक हैं। वांछित अपद्रव्य को जानबूझकर मिलाना मादन (डोपिंग) है; अपद्रव्य परमाणु मादक (डोपेंट) हैं; पदार्थ मादित अर्धचालक है। मादक जालक को विकृत न करे — वह मूल परमाणुओं के बहुत कम स्थल लेता है — इसलिए उसका परमाणु Si या Ge के लगभग बराबर आकार का होना चाहिए।Intrinsic semiconductor ki conductivity temperature par depend karti hai, par room temperature par bahut kam hai — isse koi important device nahi ban sakta. Suitable impurity ki thodi si quantity (jaise kuch parts per million, ppm) milaane par conductivity kai guna badh jaati hai. Aise materials extrinsic (impurity) semiconductors hain. Desired impurity ko jaan-boojh kar milaana doping hai; impurity atoms dopants hain; material doped semiconductor hai. Dopant lattice ko bigaade nahi — wo original atoms ki bahut kam sites leta hai — isliye uska atom Si ya Ge ke lagbhag barabar size ka hona chahiye.अ

Si and Ge are in group 14 (IV), so dopants are chosen from the neighbouring groups:Si और Ge समूह 14 (IV) में हैं, इसलिए मादक पड़ोसी समूहों से चुने जाते हैं:Si aur Ge group 14 (IV) mein hain, isliye dopants padosi groups se chune jaate hain:अ

• Pentavalent (valency 5): arsenic (As), antimony (Sb), phosphorus (P) … → n-type.पंचसंयोजी (संयोजकता 5): आर्सेनिक (As), ऐन्टिमनी (Sb), फ़ॉस्फ़ोरस (P) … → n-प्रकार।Pentavalent (valency 5): arsenic (As), antimony (Sb), phosphorus (P) … → n-type.अ
• Trivalent (valency 3): indium (In), boron (B), aluminium (Al) … → p-type.त्रिसंयोजी (संयोजकता 3): इंडियम (In), बोरॉन (B), ऐलुमिनियम (Al) … → p-प्रकार।Trivalent (valency 3): indium (In), boron (B), aluminium (Al) … → p-type.अ

(i) n-type semiconductor(i) n-प्रकार अर्धचालक(i) n-type semiconductor

When a pentavalent atom takes the place of a Si atom, four of its electrons bond with the four Si neighbours, while the fifth remains very weakly bound to its parent atom. (The four bonding electrons look like part of the atom’s effective core to the fifth one.) So only about 0.01 eV (Ge) or 0.05 eV (Si) is needed to free it — compared with the ~0.72 eV (Ge) or ~1.1 eV (Si) needed to cross the forbidden band. Even at room temperature it is free to move. The dopant donates one electron, so it is called a donor impurity.जब कोई पंचसंयोजी परमाणु Si परमाणु का स्थान लेता है, तो उसके चार इलेक्ट्रॉन चार Si पड़ोसियों से आबंध बनाते हैं, जबकि पाँचवाँ अपने मूल परमाणु से बहुत कमज़ोरी से बँधा रहता है। (पाँचवें इलेक्ट्रॉन के लिए चार आबंधी इलेक्ट्रॉन परमाणु के प्रभावी क्रोड का भाग लगते हैं।) इसलिए इसे मुक्त करने में केवल लगभग 0.01 eV (Ge) या 0.05 eV (Si) लगती है — जबकि वर्जित बैंड पार करने में ~0.72 eV (Ge) या ~1.1 eV (Si)। कमरे के ताप पर भी यह चलने को मुक्त है। मादक एक इलेक्ट्रॉन दान करता है, इसलिए इसे दाता अपद्रव्य कहते हैं।Jab koi pentavalent atom Si atom ki jagah leta hai, to uske chaar electrons chaar Si padosiyon se bond banate hain, jabki paanchwa apne parent atom se bahut kamzori se bandha rehta hai. (Paanchwe electron ke liye chaar bonding electrons atom ke effective core ka hissa lagte hain.) Isliye ise free karne mein sirf lagbhag 0.01 eV (Ge) ya 0.05 eV (Si) lagti hai — jabki forbidden band paar karne mein ~0.72 eV (Ge) ya ~1.1 eV (Si). Room temperature par bhi ye chalne ke liye free hai. Dopant ek electron donate karta hai, isliye ise donor impurity kehte hain.अ

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The number of electrons given by the donors depends strongly on the doping level and is independent of temperature, whereas the electron–hole pairs made by the Si atoms themselves increase only weakly with temperature. The holes come only from the intrinsic source, and because there are now many more electrons, holes recombine faster — the number of holes drops even further. So electrons are the majority carriers and holes the minority carriers: an n-type semiconductor, withदाताओं द्वारा दिए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या मादन स्तर पर दृढ़ता से निर्भर करती है और ताप पर निर्भर नहीं करती, जबकि Si परमाणुओं से बने इलेक्ट्रॉन–होल युग्म ताप के साथ थोड़ा ही बढ़ते हैं। होल केवल नैज स्रोत से आते हैं, और अब इलेक्ट्रॉन बहुत अधिक होने से होल तेज़ी से पुनर्संयोजित होते हैं — होलों की संख्या और घट जाती है। इसलिए इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक वाहक और होल अल्पसंख्यक वाहक हैं: यह n-प्रकार अर्धचालक है, जिसमेंDonors se mile electrons ki sankhya doping level par strongly depend karti hai aur temperature par depend nahi karti, jabki Si atoms se bane electron–hole pairs temperature ke saath thoda hi badhte hain. Holes sirf intrinsic source se aate hain, aur ab electrons bahut zyaada hone se holes tezi se recombine hote hain — holes ki sankhya aur ghat jaati hai. Isliye electrons majority carriers aur holes minority carriers hain: ye n-type semiconductor hai, jismeअ

(ii) p-type semiconductor(ii) p-प्रकार अर्धचालक(ii) p-type semiconductor

Doping Si or Ge with a trivalent impurity (Al, B, In …) gives a p-type semiconductor. The dopant has one valence electron fewer than Si, so it forms covalent bonds with only three Si neighbours; the bond with the fourth neighbour has a vacancy — a hole. An electron from a neighbouring atom can jump in to fill it, leaving a hole at its own site, so the hole is available for conduction. Once the trivalent atom shares this fourth electron it becomes effectively negatively charged — a core of one negative charge with its associated hole. One acceptor atom gives one hole.Si या Ge में त्रिसंयोजी अपद्रव्य (Al, B, In …) मिलाने से p-प्रकार अर्धचालक बनता है। मादक में Si से एक संयोजकता इलेक्ट्रॉन कम है, इसलिए यह केवल तीन Si पड़ोसियों से सहसंयोजक आबंध बनाता है; चौथे पड़ोसी के आबंध में रिक्ति — एक होल रहता है। पड़ोसी परमाणु का इलेक्ट्रॉन कूदकर इसे भर सकता है और अपने स्थान पर होल छोड़ता है, इसलिए होल चालन के लिए उपलब्ध है। चौथा इलेक्ट्रॉन साझा करने पर त्रिसंयोजी परमाणु प्रभावी रूप से ऋणावेशित हो जाता है — एक ऋण आवेश वाला क्रोड और उससे जुड़ा होल। एक ग्राही परमाणु एक होल देता है।Si ya Ge mein trivalent impurity (Al, B, In …) milaane se p-type semiconductor banta hai. Dopant mein Si se ek valence electron kam hai, isliye ye sirf teen Si padosiyon se covalent bonds banata hai; chauthe padosi ke bond mein vacancy — ek hole rehta hai. Padosi atom ka electron kood kar ise bhar sakta hai aur apni jagah hole chhodta hai, isliye hole conduction ke liye available hai. Chautha electron share karne par trivalent atom effectively negatively charged ho jaata hai — ek negative charge wala core aur usse juda hole. Ek acceptor atom ek hole deta hai.अ

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These holes add to the intrinsic holes, while electrons come only from intrinsic generation — and recombination reduces their number from ni to ne. So in a p-type semiconductor holes are the majority carriers and electrons the minority carriers:ये होल नैज होलों में जुड़ते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन केवल नैज जनन से आते हैं — और पुनर्संयोजन इनकी संख्या ni से घटाकर ne कर देता है। इसलिए p-प्रकार अर्धचालक में होल बहुसंख्यक और इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक वाहक हैं:Ye holes intrinsic holes mein jud jaate hain, jabki electrons sirf intrinsic generation se aate hain — aur recombination unki sankhya ni se ghata kar ne kar deta hai. Isliye p-type semiconductor mein holes majority aur electrons minority carriers hain:अ

Because majority carriers are so plentiful, the thermally produced minority carriers have more chance of meeting a majority carrier and being destroyed. So the dopant, by adding many carriers of one type, indirectly reduces the concentration of the other type.बहुसंख्यक वाहक बहुत अधिक होने से ऊष्मीय रूप से बने अल्पसंख्यक वाहकों के किसी बहुसंख्यक वाहक से मिलकर नष्ट होने की संभावना अधिक होती है। इसलिए मादक, एक प्रकार के बहुत से वाहक जोड़कर, दूसरे प्रकार की सांद्रता को अप्रत्यक्ष रूप से घटा देता है।Majority carriers bahut zyaada hone se thermally bane minority carriers ke kisi majority carrier se mil kar khatam hone ka chance zyaada hota hai. Isliye dopant, ek type ke bahut saare carriers jod kar, doosre type ki concentration ko indirectly ghata deta hai.अ

Doping also changes the band diagram. In n-type Si a donor level ED appears slightly below EC; with very little energy its electrons move into the conduction band. At room temperature most donor atoms are ionised but very few (~10¹²) Si atoms are, so most conduction electrons come from the donors. In p-type Si an acceptor level EA appears slightly above EV; with very little energy an electron from the valence band jumps to EA and ionises the acceptor negatively — equivalently, the hole “sinks down” from EA into the valence band. (Electrons rise up and holes fall down when they gain energy.)मादन बैंड आरेख भी बदलता है। n-प्रकार Si में EC से थोड़ा नीचे एक दाता स्तर ED बनता है; बहुत कम ऊर्जा से इसके इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में चले जाते हैं। कमरे के ताप पर अधिकांश दाता परमाणु आयनित होते हैं पर बहुत कम (~10¹²) Si परमाणु, इसलिए अधिकांश चालन इलेक्ट्रॉन दाताओं से आते हैं। p-प्रकार Si में EV से थोड़ा ऊपर एक ग्राही स्तर EA बनता है; बहुत कम ऊर्जा से संयोजकता बैंड का इलेक्ट्रॉन EA पर कूदकर ग्राही को ऋणात्मक आयनित करता है — यानी होल EA से संयोजकता बैंड में “नीचे” आ जाता है। (ऊर्जा पाने पर इलेक्ट्रॉन ऊपर उठते हैं और होल नीचे गिरते हैं।)Doping band diagram bhi badalta hai. n-type Si mein EC se thoda neeche ek donor level ED banta hai; bahut kam energy se iske electrons conduction band mein chale jaate hain. Room temperature par zyaadatar donor atoms ionised hote hain par bahut kam (~10¹²) Si atoms, isliye zyaadatar conduction electrons donors se aate hain. p-type Si mein EV se thoda upar ek acceptor level EA banta hai; bahut kam energy se valence band ka electron EA par kood kar acceptor ko negatively ionise karta hai — yaani hole EA se valence band mein “neeche” aa jaata hai. (Energy paane par electrons upar uthte hain aur holes neeche girte hain.)अ

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In thermal equilibrium, for any semiconductor (intrinsic or extrinsic), the electron and hole concentrations obeyतापीय साम्य में किसी भी अर्धचालक (नैज या बाह्य) के लिए इलेक्ट्रॉन और होल सांद्रताएँ इस संबंध का पालन करती हैंThermal equilibrium mein kisi bhi semiconductor (intrinsic ya extrinsic) ke liye electron aur hole concentrations is relation ko follow karti hainअ

This band picture is approximate, but it explains clearly the difference between metals, insulators and semiconductors. The resistivities of C, Si and Ge differ because of their gaps: 5.4 eV (diamond), 1.1 eV (Si) and 0.7 eV (Ge). Tin (Sn) is also a group-IV element, but it is a metal because its energy gap is 0 eV.यह बैंड चित्र अनुमानित है, पर धातु, विद्युतरोधी और अर्धचालक का अंतर स्पष्ट समझाता है। C, Si और Ge की प्रतिरोधकताएँ उनके अंतरालों के कारण अलग हैं: 5.4 eV (हीरा), 1.1 eV (Si) और 0.7 eV (Ge)। टिन (Sn) भी समूह-IV का तत्व है, पर इसका ऊर्जा अंतराल 0 eV होने से यह धातु है।Ye band picture approximate hai, par metal, insulator aur semiconductor ka difference saaf samjhati hai. C, Si aur Ge ki resistivities unke gaps ki wajah se alag hain: 5.4 eV (diamond), 1.1 eV (Si) aur 0.7 eV (Ge). Tin (Sn) bhi group-IV ka element hai, par iska energy gap 0 eV hone se ye metal hai.अ

14.5p-n junctionp-n संधिp-n junction

A p-n junction is the basic building block of semiconductor devices such as diodes and transistors. We now see how a junction forms and how it behaves when an external voltage (bias) is applied.p-n संधि डायोड और ट्रांज़िस्टर जैसी अर्धचालक युक्तियों की मूल इकाई है। अब देखते हैं संधि कैसे बनती है और बाहरी वोल्टता (बायस) लगाने पर कैसा व्यवहार करती है।p-n junction diodes aur transistors jaise semiconductor devices ka basic building block hai. Ab dekhte hain junction kaise banta hai aur bahari voltage (bias) lagaane par kaisa behave karta hai.अ

14.5.1p-n junction formationp-n संधि का निर्माणp-n junction formation

Take a thin p-type silicon wafer and add a small, precise amount of pentavalent impurity to part of it, converting that part into n-Si. The wafer now has a p-region, an n-region and a metallurgical junction between them. Two processes happen during formation: diffusion and drift.एक पतला p-प्रकार सिलिकॉन वेफ़र लें और उसके एक भाग में पंचसंयोजी अपद्रव्य की थोड़ी, सटीक मात्रा मिलाकर उस भाग को n-Si बना दें। अब वेफ़र में p-क्षेत्र, n-क्षेत्र और उनके बीच धातुकर्मीय संधि है। निर्माण के समय दो प्रक्रम होते हैं: विसरण और अपवाह।Ek patla p-type silicon wafer lijiye aur uske ek hisse mein pentavalent impurity ki thodi, precise quantity milaa kar us hisse ko n-Si bana dijiye. Ab wafer mein p-region, n-region aur unke beech metallurgical junction hai. Banne ke samay do process hote hain: diffusion aur drift.अ

Diffusion: the n-side has many electrons and the p-side many holes. Because of this concentration gradient, holes diffuse p → n and electrons diffuse n → p, giving a diffusion current. Each electron that leaves the n-side leaves behind an ionised donor (+), immobile because it is bonded in the lattice; so a layer of positive space charge builds up on the n-side. Likewise each hole that leaves the p-side leaves an ionised acceptor (−), building a negative space-charge layer on the p-side. Together these layers form the depletion region — emptied of free carriers — about one-tenth of a micrometre thick.विसरण: n-ओर बहुत इलेक्ट्रॉन और p-ओर बहुत होल हैं। इस सांद्रता प्रवणता के कारण होल p → n और इलेक्ट्रॉन n → p विसरित होते हैं, जिससे विसरण धारा बनती है। n-ओर से जाने वाला हर इलेक्ट्रॉन पीछे एक आयनित दाता (+) छोड़ता है, जो जालक में बँधा होने से अचल है; इसलिए n-ओर धन आकाश-आवेश की परत बनती है। इसी तरह p-ओर से जाने वाला हर होल एक आयनित ग्राही (−) छोड़ता है और p-ओर ऋण आकाश-आवेश की परत बनती है। ये दोनों परतें मिलकर अवक्षय क्षेत्र बनाती हैं — मुक्त वाहकों से रिक्त — जिसकी मोटाई लगभग माइक्रोमीटर का दसवाँ भाग है।Diffusion: n-side par bahut electrons aur p-side par bahut holes hain. Is concentration gradient ki wajah se holes p → n aur electrons n → p diffuse hote hain, jisse diffusion current banta hai. n-side se jaane wala har electron peeche ek ionised donor (+) chhodta hai, jo lattice mein bandha hone se immobile hai; isliye n-side par positive space charge ki layer banti hai. Isi tarah p-side se jaane wala har hole ek ionised acceptor (−) chhodta hai aur p-side par negative space-charge layer banti hai. Ye dono layers milkar depletion region banati hain — free carriers se khaali — jiski motaai lagbhag micrometre ka dasva hissa hai.अ

Drift: the positive space charge on the n-side and the negative one on the p-side produce an electric field directed from n to p (from + charge to − charge). This field pushes an electron on the p-side of the junction over to the n-side, and a hole on the n-side over to the p-side. Motion of carriers due to the field is drift, and the drift current is opposite to the diffusion current. At first diffusion is large and drift small; as the space-charge layers grow, the field and the drift current grow, until diffusion current = drift current. The junction has formed, and in equilibrium there is no net current.अपवाह: n-ओर का धन और p-ओर का ऋण आकाश-आवेश एक n से p की ओर विद्युत क्षेत्र बनाते हैं (+ आवेश से − आवेश की ओर)। यह क्षेत्र संधि के p-ओर के इलेक्ट्रॉन को n-ओर और n-ओर के होल को p-ओर धकेलता है। क्षेत्र के कारण वाहकों की गति अपवाह है, और अपवाह धारा विसरण धारा के विपरीत है। शुरू में विसरण अधिक और अपवाह कम होता है; आकाश-आवेश परतें बढ़ने पर क्षेत्र और अपवाह धारा बढ़ते हैं, जब तक विसरण धारा = अपवाह धारा न हो जाए। संधि बन गई, और साम्य में कोई नेट धारा नहीं बहती।Drift: n-side ka positive aur p-side ka negative space charge ek n se p ki taraf electric field banate hain (+ charge se − charge ki taraf). Ye field junction ke p-side wale electron ko n-side aur n-side wale hole ko p-side dhakelta hai. Field ki wajah se carriers ki motion drift hai, aur drift current diffusion current ke opposite hai. Shuru mein diffusion zyaada aur drift kam hota hai; space-charge layers badhne par field aur drift current badhte hain, jab tak diffusion current = drift current na ho jaaye. Junction ban gaya, aur equilibrium mein koi net current nahi behta.अ

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The n-region has lost electrons and the p-region has gained them, so a potential difference appears across the junction: the n-side is positive relative to the p-side. Its polarity opposes further flow of electrons from n to p (and holes from p to n), keeping equilibrium — so it is called the barrier potential V0.n-क्षेत्र ने इलेक्ट्रॉन खोए हैं और p-क्षेत्र ने पाए हैं, इसलिए संधि के आर-पार विभवांतर बनता है: n-ओर, p-ओर की तुलना में धनात्मक है। इसकी ध्रुवता n से p इलेक्ट्रॉनों (और p से n होलों) के आगे प्रवाह का विरोध करती है और साम्य बनाए रखती है — इसलिए इसे विभव प्राचीर V0 कहते हैं।n-region ne electrons khoye hain aur p-region ne paaye hain, isliye junction ke aar-paar potential difference banta hai: n-side, p-side ke comparison mein positive hai. Iski polarity n se p electrons (aur p se n holes) ke aage flow ko rokti hai aur equilibrium banaye rakhti hai — isliye ise barrier potential V0 kehte hain.अ

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14.6Semiconductor diodeअर्धचालक डायोडSemiconductor diode

A semiconductor diode is basically a p-n junction with metallic contacts at the ends for applying an external voltage — a two-terminal device. In its symbol the arrow points from p to n: the direction of conventional current when the diode is forward biased. An external voltage V across the diode changes the equilibrium barrier potential.अर्धचालक डायोड मूलतः सिरों पर धात्विक संपर्क वाली p-n संधि है, जिससे बाहरी वोल्टता लगाई जा सके — एक दो-टर्मिनल युक्ति। इसके प्रतीक में तीर p से n की ओर है: अग्रदिशिक बायस में परंपरागत धारा की दिशा। डायोड पर बाहरी वोल्टता V साम्य विभव प्राचीर को बदल देती है।Semiconductor diode basically metallic contacts wala p-n junction hai, jisse bahari voltage lagaya ja sake — ek do-terminal device. Iske symbol mein arrow p se n ki taraf hai: forward bias mein conventional current ki direction. Diode par bahari voltage V equilibrium barrier potential ko badal deta hai.अ

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14.6.1p-n junction diode under forward biasअग्रदिशिक बायस में p-n संधि डायोडForward bias mein p-n junction diode

When the p-side is connected to the positive terminal of a battery and the n-side to the negative terminal, the diode is forward biased. The applied voltage drops mostly across the depletion region (it has no free charges, so its resistance is very high compared with the p and n sides). The applied V is opposite to the built-in potential V0, so the depletion layer becomes narrower and the effective barrier height falls to (V0 − V).जब बैटरी के धन टर्मिनल से p-ओर और ऋण टर्मिनल से n-ओर जोड़ा जाता है, तो डायोड अग्रदिशिक बायस में होता है। लगाई गई वोल्टता अधिकतर अवक्षय क्षेत्र पर गिरती है (इसमें मुक्त आवेश नहीं, इसलिए p और n भागों की तुलना में इसका प्रतिरोध बहुत अधिक है)। लगाई गई V अंतर्निर्मित विभव V0 के विपरीत है, इसलिए अवक्षय परत पतली हो जाती है और प्रभावी प्राचीर ऊँचाई घटकर (V0 − V) रह जाती है।Jab battery ke positive terminal se p-side aur negative terminal se n-side joda jaata hai, to diode forward bias mein hota hai. Lagaya gaya voltage zyaadatar depletion region par girta hai (isme free charges nahi, isliye p aur n parts ke comparison mein iska resistance bahut zyaada hai). Lagaya V built-in potential V0 ke opposite hai, isliye depletion layer patli ho jaati hai aur effective barrier height ghat kar (V0 − V) reh jaati hai.अ

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If V is small, the barrier is lowered only slightly and only the few carriers in the uppermost energy levels can cross — the current is small. As V increases significantly, the barrier drops further, many more carriers have enough energy, and the current increases sharply.यदि V कम है तो प्राचीर थोड़ा ही घटता है और केवल सबसे ऊपरी ऊर्जा स्तरों के कुछ वाहक पार कर पाते हैं — धारा कम रहती है। V काफ़ी बढ़ाने पर प्राचीर और घटता है, बहुत अधिक वाहकों के पास पर्याप्त ऊर्जा होती है, और धारा तेज़ी से बढ़ती है।Agar V kam hai to barrier thoda hi ghatta hai aur sirf sabse upar ke energy levels ke kuch carriers paar kar paate hain — current kam rehta hai. V kaafi badhaane par barrier aur ghatta hai, bahut zyaada carriers ke paas kaafi energy hoti hai, aur current tezi se badhta hai.अ

Electrons from the n-side cross the depletion region into the p-side, where they are minority carriers; holes from the p-side cross into the n-side, where they too are minority carriers. This is minority carrier injection. Near each junction edge the minority concentration rises far above its value far away; because of this gradient, the injected electrons diffuse through the p-side and the injected holes through the n-side. The total forward current — the sum of the hole diffusion current and the (conventional) current due to electron diffusion — is usually in mA.n-ओर के इलेक्ट्रॉन अवक्षय क्षेत्र पार कर p-ओर पहुँचते हैं, जहाँ वे अल्पसंख्यक वाहक हैं; p-ओर के होल n-ओर पहुँचते हैं, जहाँ वे भी अल्पसंख्यक हैं। यही अल्पसंख्यक वाहक अंतःक्षेपण है। हर संधि-किनारे के पास अल्पसंख्यक सांद्रता दूर के मान से बहुत बढ़ जाती है; इस प्रवणता के कारण अंतःक्षेपित इलेक्ट्रॉन p-ओर में और होल n-ओर में विसरित होते हैं। कुल अग्र धारा — होल विसरण धारा और इलेक्ट्रॉन विसरण की (परंपरागत) धारा का योग — प्रायः mA में होती है।n-side ke electrons depletion region paar karke p-side pahunchte hain, jahan wo minority carriers hain; p-side ke holes n-side pahunchte hain, jahan wo bhi minority hain. Yahi minority carrier injection hai. Har junction edge ke paas minority concentration door ki value se bahut badh jaati hai; is gradient ki wajah se injected electrons p-side mein aur holes n-side mein diffuse hote hain. Total forward current — hole diffusion current aur electron diffusion ka (conventional) current — aksar mA mein hota hai.अ

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14.6.2p-n junction diode under reverse biasपश्चदिशिक बायस में p-n संधि डायोडReverse bias mein p-n junction diode

When the n-side is made positive and the p-side negative, the diode is reverse biased. The voltage again drops mostly across the depletion region, but now it is in the same direction as the barrier potential. The barrier rises to (V0 + V) and the depletion region widens. This suppresses the flow of electrons n → p and holes p → n, so the diffusion current falls enormously.जब n-ओर धनात्मक और p-ओर ऋणात्मक किया जाता है, तो डायोड पश्चदिशिक बायस में होता है। वोल्टता फिर अधिकतर अवक्षय क्षेत्र पर गिरती है, पर अब यह प्राचीर विभव की ही दिशा में है। प्राचीर बढ़कर (V0 + V) हो जाता है और अवक्षय क्षेत्र चौड़ा हो जाता है। इससे n → p इलेक्ट्रॉनों और p → n होलों का प्रवाह रुकता है, और विसरण धारा बहुत घट जाती है।Jab n-side positive aur p-side negative kiya jaata hai, to diode reverse bias mein hota hai. Voltage phir zyaadatar depletion region par girta hai, par ab ye barrier potential ki hi direction mein hai. Barrier badh kar (V0 + V) ho jaata hai aur depletion region chauda ho jaata hai. Isse n → p electrons aur p → n holes ka flow rukta hai, aur diffusion current bahut ghat jaata hai.अ

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The junction field still sweeps any electron on the p-side or hole on the n-side that wanders close to it over to its majority side. This drift of minority carriers gives a current of only a few µA — small because minority carriers are few. (Under forward bias this drift current also exists but is negligible, µA, compared with the injected current in mA.) The reverse current hardly depends on the voltage: even a small voltage sweeps all available minority carriers across, so the current is limited by their concentration, not by V.संधि क्षेत्र अब भी p-ओर के किसी इलेक्ट्रॉन या n-ओर के होल को, जो पास आ जाए, उसके बहुसंख्यक भाग में बहा ले जाता है। अल्पसंख्यक वाहकों का यह अपवाह केवल कुछ µA धारा देता है — कम, क्योंकि अल्पसंख्यक वाहक कम हैं। (अग्रदिशिक बायस में भी यह अपवाह धारा होती है पर mA वाली अंतःक्षेपित धारा के सामने नगण्य, µA।) पश्च धारा वोल्टता पर लगभग निर्भर नहीं: थोड़ी वोल्टता भी सभी उपलब्ध अल्पसंख्यक वाहकों को पार करा देती है, इसलिए धारा V से नहीं, उनकी सांद्रता से सीमित है।Junction field ab bhi p-side ke kisi electron ya n-side ke hole ko, jo paas aa jaaye, uske majority side mein baha le jaata hai. Minority carriers ka ye drift sirf kuch µA current deta hai — kam, kyunki minority carriers kam hain. (Forward bias mein bhi ye drift current hota hai par mA wale injected current ke saamne negligible, µA.) Reverse current voltage par lagbhag depend nahi karta: thoda voltage bhi saare available minority carriers ko paar kara deta hai, isliye current V se nahi, unki concentration se limited hai.अ

This reverse current stays almost constant up to a critical reverse voltage, the breakdown voltage Vbr. At V = Vbr the reverse current increases sharply; a slight increase in voltage causes a large change in current. If the current is not limited by the external circuit below the rated value (given by the manufacturer), the junction is destroyed by overheating. The same can happen in forward bias if the forward current exceeds its rated value.यह पश्च धारा एक क्रांतिक पश्च वोल्टता, भंजन वोल्टता Vbr, तक लगभग स्थिर रहती है। V = Vbr पर पश्च धारा अचानक बढ़ जाती है; वोल्टता में थोड़ी वृद्धि से धारा में बड़ा परिवर्तन। यदि बाहरी परिपथ धारा को निर्धारित मान (निर्माता द्वारा दिया) से नीचे सीमित न करे, तो संधि अति-ताप से नष्ट हो जाती है। अग्रदिशिक बायस में भी अग्र धारा निर्धारित मान से अधिक होने पर ऐसा हो सकता है।Ye reverse current ek critical reverse voltage, breakdown voltage Vbr, tak lagbhag constant rehta hai. V = Vbr par reverse current achaanak badh jaata hai; voltage mein thode increase se current mein bada change. Agar bahari circuit current ko rated value (manufacturer dwara di) se neeche limit na kare, to junction overheating se destroy ho jaata hai. Forward bias mein bhi forward current rated value se zyaada hone par aisa ho sakta hai.अ

Measuring the V–I characteristic. The battery is connected to the diode through a potentiometer (or rheostat) so that the voltage can be varied; for each voltage the current is noted. A milliammeter is used in forward bias (large current) and a microammeter in reverse bias.V–I अभिलक्षण मापना। बैटरी को डायोड से विभवमापी (या धारा-नियंत्रक) के माध्यम से जोड़ा जाता है ताकि वोल्टता बदली जा सके; हर वोल्टता पर धारा नोट की जाती है। अग्रदिशिक बायस में मिलीऐमीटर (बड़ी धारा) और पश्चदिशिक बायस में माइक्रोऐमीटर प्रयोग होता है।V–I characteristic naapna. Battery ko diode se potentiometer (ya rheostat) ke through joda jaata hai taaki voltage badla ja sake; har voltage par current note kiya jaata hai. Forward bias mein milliammeter (bada current) aur reverse bias mein microammeter use hota hai.अ

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In forward bias the current at first increases very slowly, almost negligibly, until the voltage crosses a certain value — the threshold or cut-in voltage (~0.2 V for Ge, ~0.7 V for Si). After that the current rises significantly (exponentially) even for a very small increase in voltage. In reverse bias the current is very small (~µA) and almost constant: the reverse saturation current. At very high reverse bias (breakdown) the current suddenly increases; general-purpose diodes are not used beyond the reverse saturation region.अग्रदिशिक बायस में धारा पहले बहुत धीरे, लगभग नगण्य, बढ़ती है जब तक वोल्टता एक निश्चित मान — देहली या कट-इन वोल्टता (Ge के लिए ~0.2 V, Si के लिए ~0.7 V) — पार न कर ले। उसके बाद वोल्टता की बहुत छोटी वृद्धि पर भी धारा काफ़ी (चरघातांकी रूप से) बढ़ती है। पश्चदिशिक बायस में धारा बहुत छोटी (~µA) और लगभग स्थिर रहती है: उत्क्रम संतृप्त धारा। बहुत अधिक पश्च बायस (भंजन) पर धारा अचानक बढ़ती है; सामान्य डायोड उत्क्रम संतृप्त क्षेत्र से आगे प्रयोग नहीं किए जाते।Forward bias mein current pehle bahut dheere, lagbhag negligible, badhta hai jab tak voltage ek certain value — threshold ya cut-in voltage (Ge ke liye ~0.2 V, Si ke liye ~0.7 V) — paar na kar le. Uske baad voltage ke bahut chhote increase par bhi current kaafi (exponentially) badhta hai. Reverse bias mein current bahut chhota (~µA) aur lagbhag constant rehta hai: reverse saturation current. Bahut high reverse bias (breakdown) par current achaanak badhta hai; general-purpose diodes reverse saturation region se aage use nahi kiye jaate.अ

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So a p-n junction diode allows current mainly in one direction (forward bias): its forward resistance is low and its reverse resistance very high. This property is used to rectify ac. For a diode we define the dynamic resistance as the ratio of a small change in voltage to the small change in current it causes:इस प्रकार p-n संधि डायोड मुख्यतः एक दिशा (अग्रदिशिक बायस) में धारा जाने देता है: इसका अग्र प्रतिरोध कम और पश्च प्रतिरोध बहुत अधिक है। इसी गुण से ac का दिष्टकरण होता है। डायोड के लिए गतिक प्रतिरोध वोल्टता के छोटे परिवर्तन और उससे होने वाले धारा के छोटे परिवर्तन का अनुपात है:Is tarah p-n junction diode mainly ek direction (forward bias) mein current jaane deta hai: iska forward resistance kam aur reverse resistance bahut zyaada hai. Isi property se ac ka rectification hota hai. Diode ke liye dynamic resistance voltage ke chhote change aur usse hone wale current ke chhote change ka ratio hai:अ

Solved example 14.4हल उदाहरण 14.4Solved example 14.4 NCERT Example 14.4

The V–I characteristic of a silicon diode is shown in the figure. Calculate the resistance of the diode at (a) ID = 15 mA and (b) VD = −10 V.चित्र में एक सिलिकॉन डायोड का V–I अभिलक्षण दिखाया गया है। डायोड का प्रतिरोध ज्ञात करें (a) ID = 15 mA पर और (b) VD = −10 V पर।Figure mein ek silicon diode ka V–I characteristic dikhaya gaya hai. Diode ka resistance nikaaliye (a) ID = 15 mA par aur (b) VD = −10 V par.अ

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Treat the characteristic as a straight line between I = 10 mA and I = 20 mA and use Ohm’s law over that small range.I = 10 mA और I = 20 mA के बीच अभिलक्षण को सीधी रेखा मानें और उस छोटे परास में ओम नियम लगाएँ।I = 10 mA aur I = 20 mA ke beech characteristic ko seedhi line maaniye aur us chhote range mein Ohm’s law lagaaiye.अ

(a) From the curve: at I = 20 mA, V = 0.8 V; at I = 10 mA, V = 0.7 V. So rfb = ΔV/ΔI = 0.1 V / 10 mA = 10 Ω.(a) वक्र से: I = 20 mA पर V = 0.8 V; I = 10 mA पर V = 0.7 V। इसलिए rfb = ΔV/ΔI = 0.1 V / 10 mA = 10 Ω।(a) Curve se: I = 20 mA par V = 0.8 V; I = 10 mA par V = 0.7 V. Isliye rfb = ΔV/ΔI = 0.1 V / 10 mA = 10 Ω.अ

(b) From the curve: at V = −10 V, I = −1 µA. So rrb = 10 V / 1 µA = 1.0 × 10⁷ Ω — a million times larger than in forward bias.(b) वक्र से: V = −10 V पर I = −1 µA। इसलिए rrb = 10 V / 1 µA = 1.0 × 10⁷ Ω — अग्र बायस से दस लाख गुना अधिक।(b) Curve se: V = −10 V par I = −1 µA. Isliye rrb = 10 V / 1 µA = 1.0 × 10⁷ Ω — forward bias se das lakh guna zyaada.अ

14.7Application of junction diode as a rectifierदिष्टकारी के रूप में संधि डायोड का अनुप्रयोगJunction diode ka rectifier ke roop mein use

A diode passes current only when forward biased. So if an alternating voltage is applied across a diode, current flows only in the part of the cycle in which the diode is forward biased. This property is used to rectify alternating voltages, and the circuit is called a rectifier.डायोड केवल अग्रदिशिक बायस में धारा जाने देता है। इसलिए यदि डायोड पर प्रत्यावर्ती वोल्टता लगाई जाए, तो धारा चक्र के केवल उस भाग में बहती है जिसमें डायोड अग्रदिशिक बायस में हो। इस गुण से प्रत्यावर्ती वोल्टताओं का दिष्टकरण होता है, और इस परिपथ को दिष्टकारी कहते हैं।Diode sirf forward bias mein current jaane deta hai. Isliye agar diode par alternating voltage lagaya jaaye, to current cycle ke sirf us hisse mein behta hai jisme diode forward bias mein ho. Is property se alternating voltages ka rectification hota hai, aur is circuit ko rectifier kehte hain.अ

Half-wave rectifierअर्ध-तरंग दिष्टकारीHalf-wave rectifier

The secondary of a transformer supplies the desired ac voltage across A and B, and a diode is put in series with the load RL. When A is positive, the diode is forward biased and conducts; when A is negative, it is reverse biased and does not conduct (the reverse saturation current is negligible — practically zero). So the output across RL appears only in the positive half-cycles: still varying, but restricted to one direction — rectified. Since only half of each input wave gets through, it is a half-wave rectifier.ट्रांसफ़ॉर्मर की द्वितीयक कुंडली A और B के बीच वांछित ac वोल्टता देती है, और लोड RL के साथ श्रेणी में एक डायोड लगा है। जब A धनात्मक हो, डायोड अग्रदिशिक बायस में होकर चालन करता है; जब A ऋणात्मक हो, वह पश्चदिशिक बायस में होकर चालन नहीं करता (उत्क्रम संतृप्त धारा नगण्य — व्यवहार में शून्य)। इसलिए RL के पार आउटपुट केवल धन अर्ध-चक्रों में आता है: अब भी बदलता हुआ, पर एक दिशा तक सीमित — दिष्टकृत। हर इनपुट तरंग का केवल आधा भाग निकलता है, इसलिए यह अर्ध-तरंग दिष्टकारी है।Transformer ki secondary A aur B ke beech desired ac voltage deti hai, aur load RL ke saath series mein ek diode laga hai. Jab A positive ho, diode forward bias mein hokar conduct karta hai; jab A negative ho, wo reverse bias mein hokar conduct nahi karta (reverse saturation current negligible — practically zero). Isliye RL ke aar-paar output sirf positive half-cycles mein aata hai: ab bhi badalta hua, par ek direction tak limited — rectified. Har input wave ka sirf aadha hissa nikalta hai, isliye ye half-wave rectifier hai.अ

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Full-wave rectifierपूर्ण-तरंग दिष्टकारीFull-wave rectifier

The circuit with two diodes gives rectified output in both halves of the ac cycle — a full-wave rectifier. The p-sides of the two diodes go to the two ends A and B of the transformer secondary; their n-sides are joined, and the output is taken between this common point and the midpoint (centre tap) of the secondary — hence a centre-tap transformer. Each diode rectifies only half the total secondary voltage, and the two do so in alternate half-cycles.दो डायोड वाला परिपथ ac चक्र के दोनों अर्धों में दिष्टकृत आउटपुट देता है — पूर्ण-तरंग दिष्टकारी। दोनों डायोडों के p-ओर ट्रांसफ़ॉर्मर द्वितीयक के दोनों सिरों A और B से जुड़े हैं; उनके n-ओर आपस में जुड़े हैं, और आउटपुट इस उभयनिष्ठ बिंदु और द्वितीयक के मध्य बिंदु (केंद्र-टैप) के बीच लिया जाता है — इसलिए केंद्र-निष्कासित (सेंटर-टैप) ट्रांसफ़ॉर्मर। हर डायोड कुल द्वितीयक वोल्टता का केवल आधा दिष्टकृत करता है, और दोनों बारी-बारी अर्ध-चक्रों में ऐसा करते हैं।Do diodes wala circuit ac cycle ke dono halves mein rectified output deta hai — full-wave rectifier. Dono diodes ke p-sides transformer secondary ke dono ends A aur B se jude hain; unke n-sides aapas mein jude hain, aur output is common point aur secondary ke midpoint (centre tap) ke beech liya jaata hai — isliye centre-tap transformer. Har diode total secondary voltage ka sirf aadha rectify karta hai, aur dono baari-baari half-cycles mein aisa karte hain.अ

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Suppose at some instant A is positive with respect to the centre tap; then B, being out of phase, is negative. D1 is forward biased and conducts while D2 does not, giving output during this half-cycle. When A becomes negative, B becomes positive: now D2 conducts and D1 does not, giving output in the other half-cycle too — in the same direction through RL. So we get output in both halves; clearly this is a more efficient way of getting rectified voltage than the half-wave rectifier. (Another full-wave circuit, the bridge rectifier, needs no centre-tap but uses four diodes.)मान लीजिए किसी क्षण A, केंद्र-टैप के सापेक्ष धनात्मक है; तब B, विपरीत कला में होने से, ऋणात्मक है। D1 अग्रदिशिक बायस में चालन करता है जबकि D2 नहीं, जिससे इस अर्ध-चक्र में आउटपुट मिलता है। जब A ऋणात्मक होता है, B धनात्मक हो जाता है: अब D2 चालन करता है और D1 नहीं, जिससे दूसरे अर्ध-चक्र में भी — RL में उसी दिशा में — आउटपुट मिलता है। इस प्रकार दोनों अर्धों में आउटपुट मिलता है; स्पष्टतः यह अर्ध-तरंग दिष्टकारी से अधिक दक्ष है। (एक अन्य पूर्ण-तरंग परिपथ, सेतु दिष्टकारी, को केंद्र-टैप नहीं चाहिए पर उसमें चार डायोड लगते हैं।)Maan lijiye kisi instant A, centre tap ke relative positive hai; tab B, opposite phase mein hone se, negative hai. D1 forward bias mein conduct karta hai jabki D2 nahi, jisse is half-cycle mein output milta hai. Jab A negative hota hai, B positive ho jaata hai: ab D2 conduct karta hai aur D1 nahi, jisse doosre half-cycle mein bhi — RL mein usi direction mein — output milta hai. Is tarah dono halves mein output milta hai; saaf hai ki ye half-wave rectifier se zyaada efficient hai. (Ek aur full-wave circuit, bridge rectifier, ko centre tap nahi chahiye par usme chaar diodes lagte hain.)अ

Filtersफ़िल्टरFilters

The rectified voltage is a series of pulses shaped like half sine waves: one-directional but not steady. To get a steady dc, a capacitor is usually connected across the output (parallel to RL); an inductor in series with RL can also be used. Since these circuits filter out the ac ripple, they are called filters.दिष्टकृत वोल्टता अर्ध ज्या-तरंगों जैसे स्पंदों की श्रृंखला है: एक दिशा में पर स्थिर नहीं। स्थिर dc पाने के लिए प्रायः आउटपुट के पार (RL के समांतर) एक संधारित्र जोड़ा जाता है; RL के साथ श्रेणी में प्रेरक भी प्रयोग हो सकता है। ये परिपथ ac उर्मिका (रिपल) को छान देते हैं, इसलिए इन्हें फ़िल्टर कहते हैं।Rectified voltage half sine waves jaise pulses ki series hai: ek direction mein par steady nahi. Steady dc paane ke liye aksar output ke aar-paar (RL ke parallel) ek capacitor joda jaata hai; RL ke saath series mein inductor bhi use ho sakta hai. Ye circuits ac ripple ko filter kar dete hain, isliye inhe filters kehte hain.अ

How the capacitor filters: while the voltage across it is rising, it charges. With no load it would stay charged to the peak voltage. With a load, it discharges through RL and its voltage begins to fall, until the next half-cycle charges it to the peak again. The rate of fall depends inversely on the product C·RL, the time constant. To make the time constant large, C should be large — so capacitor-input filters use large capacitors. The output is close to the peak of the rectified voltage. This filter is the most widely used in power supplies.संधारित्र कैसे छानता है: जब इस पर वोल्टता बढ़ रही होती है, यह आवेशित होता है। लोड न हो तो यह शिखर वोल्टता पर आवेशित रहता। लोड होने पर यह RL से निरावेशित होता है और इसकी वोल्टता गिरने लगती है, जब तक अगला अर्ध-चक्र इसे फिर शिखर तक आवेशित न कर दे। गिरने की दर गुणनफल C·RL, यानी समय-नियतांक, के व्युत्क्रमानुपाती है। समय-नियतांक बड़ा करने के लिए C बड़ा होना चाहिए — इसलिए संधारित्र-इनपुट फ़िल्टर में बड़े संधारित्र लगते हैं। आउटपुट दिष्टकृत वोल्टता के शिखर के पास रहता है। बिजली आपूर्ति (पावर सप्लाई) में यही फ़िल्टर सबसे अधिक प्रयुक्त है।Capacitor kaise filter karta hai: jab ispar voltage badh raha hota hai, ye charge hota hai. Load na ho to ye peak voltage par charged rehta. Load hone par ye RL se discharge hota hai aur iska voltage girne lagta hai, jab tak agla half-cycle ise phir peak tak charge na kar de. Girne ki rate product C·RL, yaani time constant, ke inversely proportional hai. Time constant bada karne ke liye C bada hona chahiye — isliye capacitor-input filters mein bade capacitors lagte hain. Output rectified voltage ke peak ke paas rehta hai. Power supplies mein yahi filter sabse zyaada use hota hai.अ

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★Formula sheetसूत्र सूचीFormula sheet

★Quick revisionझटपट दोहरावQuick revision

• Metals ρ ~ 10⁻²–10⁻⁸ Ω m, semiconductors 10⁻⁵–10⁶ Ω m, insulators 10¹¹–10¹⁹ Ω m. Semiconductors: elemental (Si, Ge) and compound (GaAs, CdS …).धातुएँ ρ ~ 10⁻²–10⁻⁸ Ω m, अर्धचालक 10⁻⁵–10⁶ Ω m, विद्युतरोधी 10¹¹–10¹⁹ Ω m। अर्धचालक: तात्विक (Si, Ge) और यौगिक (GaAs, CdS …)।Metals ρ ~ 10⁻²–10⁻⁸ Ω m, semiconductors 10⁻⁵–10⁶ Ω m, insulators 10¹¹–10¹⁹ Ω m. Semiconductors: elemental (Si, Ge) aur compound (GaAs, CdS …).अ
• Valence band (full) and conduction band (empty at 0 K) are separated by Eg = EC − EV. Metal: overlap; insulator: Eg > 3 eV; semiconductor: Eg < 3 eV (Si 1.1, Ge 0.7, diamond 5.4 eV).संयोजकता बैंड (भरा) और चालन बैंड (0 K पर खाली) के बीच Eg = EC − EV। धातु: अतिव्यापन; विद्युतरोधी: Eg > 3 eV; अर्धचालक: Eg < 3 eV (Si 1.1, Ge 0.7, हीरा 5.4 eV)।Valence band (bhara) aur conduction band (0 K par khaali) ke beech Eg = EC − EV. Metal: overlap; insulator: Eg > 3 eV; semiconductor: Eg < 3 eV (Si 1.1, Ge 0.7, diamond 5.4 eV).अ
• Intrinsic: thermal energy breaks bonds → electron–hole pairs, ne = nh = ni. A hole (+q) moves when bound electrons hop into it. I = Ie + Ih.नैज: ऊष्मीय ऊर्जा आबंध तोड़ती है → इलेक्ट्रॉन–होल युग्म, ne = nh = ni। बँधे इलेक्ट्रॉनों के कूदने से होल (+q) चलता है। I = Ie + Ih।Intrinsic: thermal energy bonds todti hai → electron–hole pairs, ne = nh = ni. Bound electrons ke koodne se hole (+q) chalta hai. I = Ie + Ih.अ
• n-type: pentavalent donors (As, Sb, P), ED just below EC, ne ≫ nh. p-type: trivalent acceptors (B, Al, In), EA just above EV, nh ≫ ne. Both are electrically neutral; ne nh = ni².n-प्रकार: पंचसंयोजी दाता (As, Sb, P), ED, EC से ठीक नीचे, ne ≫ nh। p-प्रकार: त्रिसंयोजी ग्राही (B, Al, In), EA, EV से ठीक ऊपर, nh ≫ ne। दोनों विद्युत उदासीन; ne nh = ni²।n-type: pentavalent donors (As, Sb, P), ED, EC se theek neeche, ne ≫ nh. p-type: trivalent acceptors (B, Al, In), EA, EV se theek upar, nh ≫ ne. Dono electrically neutral; ne nh = ni².अ
• p-n junction: diffusion (holes p→n, electrons n→p) leaves fixed ions → depletion region (~0.1 µm) and field n→p → drift opposes diffusion; equilibrium: no net current; n-side is at higher potential (barrier V0).p-n संधि: विसरण (होल p→n, इलेक्ट्रॉन n→p) से स्थिर आयन → अवक्षय क्षेत्र (~0.1 µm) और n→p क्षेत्र → अपवाह विसरण का विरोध; साम्य: नेट धारा शून्य; n-ओर ऊँचे विभव पर (प्राचीर V0)।p-n junction: diffusion (holes p→n, electrons n→p) se fixed ions → depletion region (~0.1 µm) aur field n→p → drift diffusion ko oppose karta hai; equilibrium: net current zero; n-side high potential par (barrier V0).अ
• Forward bias (p to +): barrier V0 − V, depletion narrows, minority carrier injection, current in mA after threshold (0.7 V Si, 0.2 V Ge).अग्रदिशिक बायस (p को +): प्राचीर V0 − V, अवक्षय पतला, अल्पसंख्यक वाहक अंतःक्षेपण, देहली (Si 0.7 V, Ge 0.2 V) के बाद mA धारा।Forward bias (p ko +): barrier V0 − V, depletion patla, minority carrier injection, threshold (Si 0.7 V, Ge 0.2 V) ke baad mA current.अ
• Reverse bias (n to +): barrier V0 + V, depletion widens, only minority drift current (µA), nearly independent of V up to breakdown Vbr.पश्चदिशिक बायस (n को +): प्राचीर V0 + V, अवक्षय चौड़ा, केवल अल्पसंख्यक अपवाह धारा (µA), भंजन Vbr तक V से लगभग स्वतंत्र।Reverse bias (n ko +): barrier V0 + V, depletion chauda, sirf minority drift current (µA), breakdown Vbr tak V se lagbhag independent.अ
• Dynamic resistance rd = ΔV/ΔI: small in forward bias (Ex 14.4: 10 Ω), huge in reverse (1.0 × 10⁷ Ω).गतिक प्रतिरोध rd = ΔV/ΔI: अग्र बायस में छोटा (उदा. 14.4: 10 Ω), पश्च में बहुत बड़ा (1.0 × 10⁷ Ω)।Dynamic resistance rd = ΔV/ΔI: forward bias mein chhota (Ex 14.4: 10 Ω), reverse mein bahut bada (1.0 × 10⁷ Ω).अ
• Half-wave rectifier: one diode, output in positive half-cycles only (50 Hz from 50 Hz). Full-wave (centre-tap): two diodes conduct in alternate halves, output in both halves (100 Hz).अर्ध-तरंग दिष्टकारी: एक डायोड, केवल धन अर्ध-चक्रों में आउटपुट (50 Hz से 50 Hz)। पूर्ण-तरंग (केंद्र-टैप): दो डायोड बारी-बारी चालन करते हैं, दोनों अर्धों में आउटपुट (100 Hz)।Half-wave rectifier: ek diode, sirf positive half-cycles mein output (50 Hz se 50 Hz). Full-wave (centre-tap): do diodes baari-baari conduct karte hain, dono halves mein output (100 Hz).अ
• Capacitor filter (C parallel to RL): charges to the peak, discharges slowly; larger C·RL → smaller ripple, output near the peak voltage.संधारित्र फ़िल्टर (RL के समांतर C): शिखर तक आवेशित, धीरे निरावेशित; बड़ा C·RL → कम रिपल, आउटपुट शिखर वोल्टता के पास।Capacitor filter (RL ke parallel C): peak tak charge, dheere discharge; bada C·RL → kam ripple, output peak voltage ke paas.अ

★Quick check — test yourselfख़ुद को परखेंQuick check — khud ko test kijiye

These are Simple Learning Hub’s own study notes written to follow the current (rationalised) NCERT Class 12 Physics textbook section by section; read them with the official NCERT chapter. Diagrams and simulations are original SLH work based on the NCERT figures they name. Report a mistake