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

• Forward bias: p-side to + terminal, n-side to − terminal of the battery.
• In forward bias the barrier height falls to (V₀ − V), the depletion layer becomes thinner, and a large current (mA) flows due to majority carriers.
• Current is very small until the threshold (cut-in or knee) voltage — about 0.7 V for silicon and 0.2 V for germanium — then rises sharply.
• Reverse bias: p-side to −, n-side to +. Barrier height rises to (V₀ + V), the depletion layer becomes wider, and only a tiny current (μA) flows due to minority carriers.
• Reverse current stays almost constant with voltage until the breakdown voltage, where it rises suddenly (avalanche breakdown).
• Dynamic resistance r_d = ΔV/ΔI (from the V-I graph).
• An ideal diode has zero resistance in forward bias and infinite resistance in reverse bias.

• अग्र बायस: p-भाग बैटरी के + सिरे से, n-भाग − सिरे से।
• अग्र बायस में रोधिका ऊँचाई घटकर (V₀ − V) हो जाती है, ह्रासी परत पतली होती है तथा बहुसंख्यक वाहकों के कारण अधिक धारा (mA) बहती है।
• देहली (अंतः-कटन या घुटना) वोल्टता तक धारा बहुत कम — सिलिकॉन हेतु लगभग 0.7 V, जर्मेनियम हेतु 0.2 V — फिर तेज़ी से बढ़ती है।
• पश्च बायस: p-भाग − से, n-भाग + से। रोधिका ऊँचाई बढ़कर (V₀ + V), ह्रासी परत चौड़ी तथा अल्पसंख्यक वाहकों के कारण केवल अत्यल्प धारा (μA)।
• भंजन वोल्टता तक पश्च धारा लगभग नियत रहती है, फिर अचानक बढ़ती है (ऐवेलांश भंजन)।
• गतिक प्रतिरोध r_d = ΔV/ΔI (V-I ग्राफ से)।
• आदर्श डायोड का प्रतिरोध अग्र बायस में शून्य तथा पश्च बायस में अनंत।

• Forward bias: p-side battery ke + se, n-side − se.
• Forward bias mein barrier height ghat kar (V₀ − V), depletion layer patli, aur majority carriers se zyada current (mA).
• Threshold (cut-in ya knee) voltage tak current bahut kam — silicon ke liye lagbhag 0.7 V, germanium ke liye 0.2 V — phir tezi se badhta hai.
• Reverse bias: p-side − se, n-side + se. Barrier height badh kar (V₀ + V), depletion layer chaudi, minority carriers se sirf bahut chhota current (μA).
• Breakdown voltage tak reverse current lagbhag constant, phir achanak badhta hai (avalanche breakdown).
• Dynamic resistance r_d = ΔV/ΔI (V-I graph se).
• Ideal diode ka resistance forward mein zero, reverse mein infinite.

💡 Mark different scales on the graph axes: mA and V in forward, μA and V in reverse.ग्राफ के अक्षों पर भिन्न पैमाने अंकित कीजिए: अग्र में mA व V, पश्च में μA व V।Graph ke axes par alag scale likhiye: forward mein mA aur V, reverse mein μA aur V.

• Rectifier: a circuit that converts alternating current (AC) into direct current (DC). A diode can do this because it conducts in one direction only.
• Circuit: centre-tap transformer, two diodes D1 and D2, load resistance R_L between the joined diode outputs and the centre tap.
• First half cycle: end A is positive, D1 is forward biased and conducts; D2 is reverse biased.
• Second half cycle: end B is positive, D2 conducts; D1 is off.
• In both halves current flows through R_L in the same direction, so output is obtained for the full cycle (pulsating DC).
• Output frequency = twice the input frequency (50 Hz in → 100 Hz ripple).
• A capacitor filter across R_L smooths the ripples into nearly steady DC.

• दिष्टकारी: प्रत्यावर्ती धारा (AC) को दिष्ट धारा (DC) में बदलने वाला परिपथ। डायोड एक ही दिशा में चालन करता है, इसलिए यह कार्य कर सकता है।
• परिपथ: केंद्र-निष्कासित ट्रांसफ़ॉर्मर, दो डायोड D1 व D2, डायोडों के जुड़े निर्गम तथा केंद्र-निष्कास के बीच लोड प्रतिरोध R_L।
• प्रथम अर्ध-चक्र: सिरा A धनात्मक, D1 अग्र बायस में चालन करता है; D2 पश्च बायस में।
• द्वितीय अर्ध-चक्र: सिरा B धनात्मक, D2 चालन करता है; D1 बंद।
• दोनों अर्ध-चक्रों में R_L से धारा एक ही दिशा में, अतः पूरे चक्र में निर्गम मिलता है (स्पंदमान DC)।
• निर्गम आवृत्ति = निवेश आवृत्ति की दोगुनी (50 Hz निवेश → 100 Hz ऊर्मिका)।
• R_L के सिरों पर संधारित्र फ़िल्टर ऊर्मिकाओं को लगभग स्थिर DC में बदल देता है।

• Rectifier: AC ko DC mein badalne wala circuit. Diode sirf ek direction mein current chalata hai, isliye yeh kaam kar sakta hai.
• Circuit: centre-tap transformer, do diodes D1 aur D2, diodes ke jude output aur centre tap ke beech load R_L.
• Pehla half cycle: end A positive, D1 forward bias mein chalta hai; D2 reverse bias mein.
• Doosra half cycle: end B positive, D2 chalta hai; D1 band.
• Dono halves mein R_L se current ek hi direction mein, isliye poore cycle mein output (pulsating DC).
• Output frequency = input ki double (50 Hz in → 100 Hz ripple).
• R_L ke across capacitor filter ripples ko lagbhag steady DC bana deta hai.

💡 Draw the output humps all on the same side of the axis and touching it — examiners check this.निर्गम के सभी उभार अक्ष के एक ही ओर तथा अक्ष को छूते हुए बनाइए — परीक्षक इसे देखते हैं।Output ke saare humps axis ke ek hi taraf aur axis ko chhoote hue banaiye — examiner yeh dekhte hain.

• Doping: adding a very small amount of a suitable impurity to a pure semiconductor to increase its conductivity greatly.
• n-type: Si or Ge doped with a pentavalent impurity (As, Sb, P). Four electrons bond, the fifth becomes free. Dopant = donor.
• In n-type, electrons are the majority carriers and holes the minority carriers (nₑ ≫ nₕ).
• p-type: Si or Ge doped with a trivalent impurity (In, B, Al). One bond is incomplete, creating a hole. Dopant = acceptor.
• In p-type, holes are the majority carriers and electrons the minority carriers (nₕ ≫ nₑ).
• In both cases nₑnₕ = nᵢ², and the crystal as a whole remains electrically neutral.

• अपमिश्रण (डोपिंग): शुद्ध अर्धचालक में उपयुक्त अशुद्धि की अत्यल्प मात्रा मिलाना ताकि उसकी चालकता बहुत बढ़ जाए।
• n-प्रकार: Si या Ge में पंचसंयोजी अशुद्धि (As, Sb, P)। चार इलेक्ट्रॉन बंध बनाते हैं, पाँचवाँ मुक्त हो जाता है। अपमिश्रक = दाता।
• n-प्रकार में इलेक्ट्रॉन बहुसंख्यक तथा होल अल्पसंख्यक वाहक (nₑ ≫ nₕ)।
• p-प्रकार: Si या Ge में त्रिसंयोजी अशुद्धि (In, B, Al)। एक बंध अधूरा रहता है, होल बनता है। अपमिश्रक = ग्राही।
• p-प्रकार में होल बहुसंख्यक तथा इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक वाहक (nₕ ≫ nₑ)।
• दोनों में nₑnₕ = nᵢ², तथा क्रिस्टल समग्र रूप से विद्युत उदासीन रहता है।

• Doping: pure semiconductor mein sahi impurity ki bahut thodi matra milana taaki conductivity bahut badh jaaye.
• n-type: Si ya Ge mein pentavalent impurity (As, Sb, P). Chaar electrons bond banate hain, paanchva free ho jaata hai. Dopant = donor.
• n-type mein electrons majority aur holes minority carriers (nₑ ≫ nₕ).
• p-type: Si ya Ge mein trivalent impurity (In, B, Al). Ek bond adhoora, hole banta hai. Dopant = acceptor.
• p-type mein holes majority aur electrons minority carriers (nₕ ≫ nₑ).
• Dono mein nₑnₕ = nᵢ², aur crystal poora neutral rehta hai.

💡 n-type is NOT negatively charged and p-type is NOT positively charged — both are neutral.n-प्रकार ऋणावेशित नहीं तथा p-प्रकार धनावेशित नहीं — दोनों उदासीन हैं।n-type negative charged NAHI aur p-type positive charged NAHI — dono neutral hain.

• Diffusion: holes move from p to n and electrons from n to p because of the concentration difference.
• They leave behind immobile ions: negative acceptor ions on the p-side, positive donor ions on the n-side.
• This region near the junction has no free charge carriers: the depletion layer (about a micrometre thick).
• The ions create an electric field from n to p and a potential difference called the barrier potential V₀, which opposes further diffusion.
• The field causes drift of minority carriers; at equilibrium, diffusion current = drift current and net current is zero.

• विसरण: सांद्रता अंतर के कारण होल p से n की ओर तथा इलेक्ट्रॉन n से p की ओर जाते हैं।
• वे अचल आयन छोड़ जाते हैं: p-भाग में ऋणात्मक ग्राही आयन, n-भाग में धनात्मक दाता आयन।
• संधि के पास के इस क्षेत्र में कोई मुक्त आवेश वाहक नहीं: ह्रासी परत (लगभग एक माइक्रोमीटर मोटी)।
• आयन n से p की ओर वैद्युत क्षेत्र तथा रोधिका विभव V₀ नामक विभवांतर बनाते हैं, जो आगे विसरण का विरोध करता है।
• यह क्षेत्र अल्पसंख्यक वाहकों का अपवाह कराता है; साम्यावस्था में विसरण धारा = अपवाह धारा, नेट धारा शून्य।

• Diffusion: concentration antar se holes p se n ki taraf aur electrons n se p ki taraf jaate hain.
• Peeche immobile ions chhod jaate hain: p-side par negative acceptor ions, n-side par positive donor ions.
• Junction ke paas is area mein koi free carrier nahi: depletion layer (lagbhag ek micrometre moti).
• Ions n se p ki taraf electric field aur barrier potential V₀ banate hain, jo aage diffusion rokta hai.
• Field minority carriers ka drift karata hai; equilibrium mein diffusion current = drift current, net current zero.

• In a crystal, energy levels of electrons spread into bands: valence band (filled by valence electrons) and conduction band (above it). The gap between them is the energy gap E_g.
• Conductors (metals): conduction and valence bands overlap or the conduction band is partly filled (E_g = 0); many free electrons.
• Insulators: large gap, E_g > 3 eV (diamond 5.4 eV); no electrons can reach the conduction band.
• Semiconductors: small gap, E_g < 3 eV (Si 1.1 eV, Ge 0.7 eV); at room temperature some electrons jump to the conduction band.
• At 0 K a semiconductor behaves like an insulator.
• With rising temperature: conductivity of a semiconductor increases (more carriers); conductivity of a metal decreases (more collisions).
• Maximum wavelength that can create an electron-hole pair: λ_max = hc/E_g.

• क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर बैंडों में फैल जाते हैं: संयोजकता बैंड (संयोजी इलेक्ट्रॉनों से भरा) तथा उसके ऊपर चालन बैंड। दोनों के बीच का अंतर ऊर्जा अंतराल E_g।
• चालक (धातुएँ): चालन व संयोजकता बैंड अतिव्यापित या चालन बैंड आंशिक भरा (E_g = 0); अनेक मुक्त इलेक्ट्रॉन।
• विद्युतरोधी: बड़ा अंतराल, E_g > 3 eV (हीरा 5.4 eV); कोई इलेक्ट्रॉन चालन बैंड तक नहीं पहुँचता।
• अर्धचालक: छोटा अंतराल, E_g < 3 eV (Si 1.1 eV, Ge 0.7 eV); कमरे के ताप पर कुछ इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में चले जाते हैं।
• 0 K पर अर्धचालक विद्युतरोधी जैसा व्यवहार करता है।
• ताप बढ़ने पर: अर्धचालक की चालकता बढ़ती है (अधिक वाहक); धातु की चालकता घटती है (अधिक टक्करें)।
• इलेक्ट्रॉन-होल युग्म बनाने वाली अधिकतम तरंगदैर्ध्य: λ_max = hc/E_g।

• Crystal mein electrons ke energy levels bands mein fail jaate hain: valence band (valence electrons se bhara) aur uske upar conduction band. Beech ka gap = energy gap E_g.
• Conductors (metals): conduction aur valence bands overlap ya conduction band aadha bhara (E_g = 0); bahut free electrons.
• Insulators: bada gap, E_g > 3 eV (diamond 5.4 eV); koi electron conduction band tak nahi pahunchta.
• Semiconductors: chhota gap, E_g < 3 eV (Si 1.1 eV, Ge 0.7 eV); room temperature par kuch electrons conduction band mein chale jaate hain.
• 0 K par semiconductor insulator jaisa behave karta hai.
• Temperature badhne par: semiconductor ki conductivity badhti hai (zyada carriers); metal ki conductivity ghatti hai (zyada collisions).
• Electron-hole pair banane wali maximum wavelength: λ_max = hc/E_g.

• A pure semiconductor (Si or Ge) is called intrinsic.
• Each atom forms four covalent bonds; heat breaks a few bonds, giving free electrons and an equal number of holes: nₑ = nₕ = nᵢ.
• A hole is a vacancy left by an electron; it behaves like a positive charge (+e).
• Total current = electron current + hole current.
• At 0 K there are no free carriers: it is an insulator. Conductivity increases with temperature.
• Conductivity σ = e(nₑμₑ + nₕμₕ), where μ is mobility.

• शुद्ध अर्धचालक (Si या Ge) नैज अर्धचालक कहलाता है।
• प्रत्येक परमाणु चार सहसंयोजी बंध बनाता है; ऊष्मा कुछ बंध तोड़ती है जिससे मुक्त इलेक्ट्रॉन तथा उतने ही होल बनते हैं: nₑ = nₕ = nᵢ।
• होल इलेक्ट्रॉन द्वारा छोड़ी गई रिक्ति है; यह धनावेश (+e) की भाँति व्यवहार करता है।
• कुल धारा = इलेक्ट्रॉन धारा + होल धारा।
• 0 K पर कोई मुक्त वाहक नहीं: यह विद्युतरोधी है। ताप के साथ चालकता बढ़ती है।
• चालकता σ = e(nₑμₑ + nₕμₕ), जहाँ μ गतिशीलता है।

• Pure semiconductor (Si ya Ge) intrinsic kehlata hai.
• Har atom chaar covalent bonds banata hai; garmi kuch bonds todti hai, free electrons aur utne hi holes bante hain: nₑ = nₕ = nᵢ.
• Hole electron ki chhodi khaali jagah hai; yeh positive charge (+e) ki tarah behave karta hai.
• Total current = electron current + hole current.
• 0 K par koi free carrier nahi: insulator hai. Temperature ke saath conductivity badhti hai.
• Conductivity σ = e(nₑμₑ + nₕμₕ), μ = mobility.