अर्धधातु

Filling of the electronic states in various types of materials at equilibrium. Here, height is energy while width is the density of available states for a certain energy in the material listed. The shade follows the Fermi–Dirac distribution (black: all states filled, white: no state filled). In metals and semimetals the Fermi level E_F lies inside at least one band.

In insulators and semiconductors the Fermi level is inside a band gap; however, in semiconductors the bands are near enough to the Fermi level to be thermally populated with electrons or holes.

edit

सेमीमेटल एक ऐसी सामग्री है जिसमें विद्युत चालन इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना के निचले भाग और संयोजी बंध के शीर्ष के बीच बहुत छोटा ओवरलैप होता है। बैंड सिद्धांत के अनुसार, ठोसों को कुचालक (बिजली), अर्धचालक, अर्धधातु या धातु के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। इंसुलेटर और सेमीकंडक्टर में भरे हुए वैलेंस बैंड को एक ऊर्जा अंतराल द्वारा खाली कंडक्शन बैंड से अलग किया जाता है। इंसुलेटर के लिए, बैंड गैप का परिमाण सेमीकंडक्टर (जैसे, <4 eV) की तुलना में बड़ा होता है (उदाहरण के लिए, > 4 इलेक्ट्रॉनवोल्ट)। चालन और वैलेंस बैंड के बीच मामूली ओवरलैप के कारण, सेमीमेटल्स में कोई बैंड गैप नहीं होता है और फर्मी स्तर पर राज्यों का घनत्व नगण्य होता है। इसके विपरीत, एक धातु में फर्मी स्तर पर राज्यों का एक सराहनीय घनत्व होता है क्योंकि चालन बैंड आंशिक रूप से भरा होता है।^[1]

तापमान निर्भरता

इंसुलेटिंग/अर्धचालक अवस्थाएं उनकी विद्युत चालकता की तापमान निर्भरता में अर्धधात्विक/धात्विक अवस्थाओं से भिन्न होती हैं। किसी धातु में, तापमान में वृद्धि के साथ चालकता कम हो जाती है (फोनन (जाली कंपन) के साथ इलेक्ट्रॉनों की बढ़ती बातचीत के कारण)। एक इन्सुलेटर या सेमीकंडक्टर (जिसमें दो प्रकार के चार्ज वाहक होते हैं - इलेक्ट्रॉन छिद्र और इलेक्ट्रॉन) के साथ, वाहक गतिशीलता और वाहक सांद्रता दोनों चालकता में योगदान देंगे और इनमें अलग-अलग तापमान निर्भरता होती है। अंततः, यह देखा गया है कि इंसुलेटर और अर्धचालकों की चालकता पूर्ण शून्य से ऊपर तापमान में प्रारंभिक वृद्धि के साथ बढ़ती है (क्योंकि अधिक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में स्थानांतरित हो जाते हैं), मध्यवर्ती तापमान के साथ घटने से पहले और फिर, एक बार फिर, उच्च तापमान के साथ बढ़ती है। अर्धधातु अवस्था धात्विक अवस्था के समान होती है लेकिन अर्धधातुओं में छेद और इलेक्ट्रॉन दोनों विद्युत संचालन में योगदान करते हैं। हरताल और सुरमा जैसे कुछ सेमीमेटल्स के साथ, कमरे के तापमान (धातुओं की तरह) के नीचे तापमान-स्वतंत्र वाहक घनत्व होता है, जबकि विस्मुट में, यह बहुत कम तापमान पर सच है लेकिन उच्च तापमान पर वाहक घनत्व तापमान के साथ बढ़ता है जिससे तापमान बढ़ता है एक सेमीमेटल-सेमीकंडक्टर संक्रमण। एक सेमीमेटल एक इंसुलेटर या सेमीकंडक्टर से इस मायने में भी भिन्न होता है कि सेमीमेटल की चालकता हमेशा गैर-शून्य होती है, जबकि एक सेमीकंडक्टर में शून्य तापमान पर शून्य चालकता होती है और इंसुलेटर में परिवेश के तापमान पर भी शून्य चालकता होती है (एक व्यापक बैंड गैप के कारण)।

वर्गीकरण

अर्धचालकों और अर्धधातुओं को वर्गीकृत करने के लिए, उनके भरे और खाली बैंड की ऊर्जा को चालन इलेक्ट्रॉनों के क्रिस्टल गति के विरुद्ध प्लॉट किया जाना चाहिए। बलोच प्रमेय के अनुसार इलेक्ट्रॉनों का संचालन विभिन्न दिशाओं में क्रिस्टल जाली की आवधिकता पर निर्भर करता है।

सेमीमेटल में, चालन बैंड का निचला हिस्सा आमतौर पर वैलेंस बैंड के शीर्ष की तुलना में गति स्थान के एक अलग हिस्से (एक अलग तरंग वेक्टर | के-वेक्टर पर) में स्थित होता है। कोई यह कह सकता है कि सेमीमेटल एक नकारात्मक अप्रत्यक्ष बैंडगैप वाला अर्धचालक है, हालांकि उन शब्दों में उनका वर्णन शायद ही कभी किया जाता है।

किसी सामग्री का अर्धचालक या अर्धधातु के रूप में वर्गीकरण तब मुश्किल हो सकता है जब इसमें बहुत छोटा या थोड़ा नकारात्मक बैंड-अंतराल हो। सुप्रसिद्ध यौगिक Fe₂उदाहरण के लिए, वीएएल को ऐतिहासिक रूप से दो दशकों से अधिक समय तक एक अर्ध-धातु (एक नकारात्मक अंतर ~ -0.1 ईवी के साथ) के रूप में माना जाता था, इससे पहले कि इसे वास्तव में एक छोटे-अंतराल (~ 0.03 ईवी) अर्धचालक के रूप में दिखाया गया था^[2] परिवहन गुणों, विद्युत प्रतिरोधकता और सीबेक गुणांक के आत्मनिर्भर विश्लेषण का उपयोग करना। बैंड-गैप की जांच के लिए आम तौर पर इस्तेमाल की जाने वाली प्रयोगात्मक तकनीकें कई चीजों के प्रति संवेदनशील हो सकती हैं जैसे बैंड-गैप का आकार, इलेक्ट्रॉनिक संरचना विशेषताएं (प्रत्यक्ष बनाम अप्रत्यक्ष अंतर) और मुक्त चार्ज वाहक की संख्या (जो अक्सर संश्लेषण स्थितियों पर निर्भर हो सकती है) ). परिवहन संपत्ति मॉडलिंग से प्राप्त बैंड-गैप अनिवार्य रूप से ऐसे कारकों से स्वतंत्र है। दूसरी ओर इलेक्ट्रॉनिक संरचना की गणना करने की सैद्धांतिक तकनीकें अक्सर बैंड-गैप को कम आंक सकती हैं।

योजनाबद्ध

यह आरेख एक प्रत्यक्ष अर्धचालक (ए), एक अप्रत्यक्ष अर्धचालक (बी), और एक अर्धधातु (सी) को दर्शाता है।

योजनाबद्ध रूप से, चित्र दिखाता है

a semiconductor with a direct gap (e.g. copper indium selenide (CuInSe₂))
a semiconductor with an indirect gap (like silicon (Si))
a semimetal (like tin (Sn) or graphite and the alkaline earth metals).

यह आंकड़ा योजनाबद्ध है, जो गति स्थान (या के-स्पेस) के एक आयाम में केवल सबसे कम-ऊर्जा चालन बैंड और उच्चतम-ऊर्जा वैलेंस बैंड दिखाता है। विशिष्ट ठोस पदार्थों में, के-स्पेस त्रि-आयामी होता है, और इसमें अनंत संख्या में बैंड होते हैं।

एक नियमित धातु के विपरीत, सेमीमेटल्स में दोनों प्रकार (छेद और इलेक्ट्रॉन) के चार्ज वाहक होते हैं, इसलिए कोई यह भी तर्क दे सकता है कि उन्हें सेमीमेटल्स के बजाय 'डबल-मेटल' कहा जाना चाहिए। हालाँकि, चार्ज वाहक आमतौर पर वास्तविक धातु की तुलना में बहुत कम संख्या में होते हैं। इस संबंध में वे अधिक निकटता से [[पतित अर्धचालक]]ों से मिलते जुलते हैं। यह बताता है कि अर्धधातुओं के विद्युत गुण धातुओं और अर्धचालकों के बीच आंशिक क्यों होते हैं।

भौतिक गुण

चूँकि अर्धधातुओं में धातुओं की तुलना में कम आवेश वाहक होते हैं, इसलिए उनमें आमतौर पर विद्युत चालकता और तापीय चालकता कम होती है। उनमें छिद्रों और इलेक्ट्रॉनों दोनों के लिए छोटे प्रभावी द्रव्यमान होते हैं क्योंकि ऊर्जा में ओवरलैप आमतौर पर इस तथ्य का परिणाम होता है कि दोनों ऊर्जा बैंड व्यापक हैं। इसके अलावा वे आम तौर पर उच्च प्रतिचुंबकीय संवेदनशीलता और उच्च जाली ढांकता हुआ स्थिरांक दिखाते हैं।

क्लासिक सेमीमेटल्स

क्लासिक सेमीमेटैलिक तत्व आर्सेनिक, एंटीमनी, बिस्मथ, α-विश्वास करना (ग्रे टिन) और ग्रेफाइट, कार्बन का एक अपरूप हैं। पहले दो (As, Sb) को भी उपधातु माना जाता है लेकिन अर्धधातु और उपधातु शब्द पर्यायवाची नहीं हैं। सेमीमेटल्स, Metalloids के विपरीत, रासायनिक यौगिक भी हो सकते हैं, जैसे पारा टेलुराइड (HgTe),^[3] और टिन, बिस्मथ और ग्रेफाइट को आमतौर पर मेटलॉइड नहीं माना जाता है।^[4] चरम स्थितियों में क्षणिक सेमीमेटल अवस्थाएँ बताई गई हैं।^[5] हाल ही में यह दिखाया गया है कि कुछ प्रवाहकीय पॉलिमर अर्धधातुओं की तरह व्यवहार कर सकते हैं।^[6]

यह भी देखें

संदर्भ

↑ Burns, Gerald (1985). Solid State Physics. Academic Press, Inc. pp. 339–40. ISBN 978-0-12-146070-9.
↑ Anand, Shashwat; Gurunathan, Ramya; Soldi, Thomas; Borgsmiller, Leah; Orenstein, Rachel; Snyder, Jeff (2020). "Thermoelectric transport of semiconductor full-Heusler VFe2Al". Journal of Materials Chemistry C. 8 (30): 10174-10184. doi:10.1039/D0TC02659J. S2CID 225448662.
↑ Wang, Yang; N. Mansour; A. Salem; K.F. Brennan & P.P. Ruden (1992). "Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector". IEEE Journal of Quantum Electronics. 28 (2): 507–513. Bibcode:1992IJQE...28..507W. doi:10.1109/3.123280.
↑ Wallace, P.R. (1947). "The Band Theory of Graphite". Physical Review. 71 (9): 622–634. Bibcode:1947PhRv...71..622W. doi:10.1103/PhysRev.71.622. S2CID 53633968.
↑ Reed, Evan J.; Manaa, M. Riad; Fried, Laurence E.; Glaesemann, Kurt R.; Joannopoulos, J. D. (2007). "विस्फोटित नाइट्रोमेथेन में एक क्षणिक अर्धधात्विक परत". Nature Physics. 4 (1): 72–76. Bibcode:2008NatPh...4...72R. doi:10.1038/nphys806.
↑ Bubnova, Olga; Zia, Ullah Khan; Wang, Hui (2014). "Semi-Metallic Polymers". Nature Materials. 13 (2): 190–4. Bibcode:2014NatMa..13..190B. doi:10.1038/nmat3824. PMID 24317188. S2CID 205409397.

[1] Burns, Gerald (1985). Solid State Physics. Academic Press, Inc. pp. 339–40. ISBN 978-0-12-146070-9.

[2] Anand, Shashwat; Gurunathan, Ramya; Soldi, Thomas; Borgsmiller, Leah; Orenstein, Rachel; Snyder, Jeff (2020). "Thermoelectric transport of semiconductor full-Heusler VFe2Al". Journal of Materials Chemistry C. 8 (30): 10174-10184. doi:10.1039/D0TC02659J. S2CID 225448662.

[3] Wang, Yang; N. Mansour; A. Salem; K.F. Brennan & P.P. Ruden (1992). "Theoretical study of a potential low-noise semimetal-based avalanche photodetector". IEEE Journal of Quantum Electronics. 28 (2): 507–513. Bibcode:1992IJQE...28..507W. doi:10.1109/3.123280.

[4] Wallace, P.R. (1947). "The Band Theory of Graphite". Physical Review. 71 (9): 622–634. Bibcode:1947PhRv...71..622W. doi:10.1103/PhysRev.71.622. S2CID 53633968.

[5] Reed, Evan J.; Manaa, M. Riad; Fried, Laurence E.; Glaesemann, Kurt R.; Joannopoulos, J. D. (2007). "विस्फोटित नाइट्रोमेथेन में एक क्षणिक अर्धधात्विक परत". Nature Physics. 4 (1): 72–76. Bibcode:2008NatPh...4...72R. doi:10.1038/nphys806.

[6] Bubnova, Olga; Zia, Ullah Khan; Wang, Hui (2014). "Semi-Metallic Polymers". Nature Materials. 13 (2): 190–4. Bibcode:2014NatMa..13..190B. doi:10.1038/nmat3824. PMID 24317188. S2CID 205409397.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]