परिचय: ठोसों का वर्गीकरण
ठोस पदार्थों को उनकी विद्युत चालकता (electrical conductivity) के आधार पर तीन मुख्य श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है: चालक, अचालक (या विद्युतरोधी), और अर्धचालक। यह वर्गीकरण पूरी तरह से ठोसों के बैंड सिद्धांत पर आधारित है, जो इलेक्ट्रॉनों के लिए उपलब्ध ऊर्जा स्तरों का वर्णन करता है।
चालक (Conductors)
परिभाषा: चालक वे पदार्थ हैं जो अपने माध्यम से विद्युत आवेश को आसानी से प्रवाहित होने देते हैं।
बैंड सिद्धांत के अनुसार व्याख्या
चालकों में, संयोजकता बैंड (valence band) और चालन बैंड (conduction band) के बीच कोई ऊर्जा अंतराल नहीं होता है। ये दोनों बैंड एक-दूसरे पर अतिव्यापित (overlapped) होते हैं। इसके कारण, संयोजकता बैंड में मौजूद इलेक्ट्रॉन बिना किसी अतिरिक्त ऊर्जा के आसानी से चालन बैंड में जा सकते हैं। चालन बैंड में बड़ी संख्या में मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध होने के कारण, थोड़ा सा भी विभवांतर लगाने पर ये गति करने लगते हैं और विद्युत धारा का प्रवाह करते हैं।
- उदाहरण: सभी धातुएँ जैसे तांबा, चांदी, एल्यूमीनियम, लोहा।
अचालक या विद्युतरोधी (Insulators)
परिभाषा: अचालक वे पदार्थ हैं जो अपने माध्यम से विद्युत आवेश को प्रवाहित नहीं होने देते हैं।
बैंड सिद्धांत के अनुसार व्याख्या
अचालकों में, संयोजकता बैंड पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है, जबकि चालन बैंड पूरी तरह से खाली होता है। इन दोनों बैंडों के बीच एक बहुत बड़ा वर्जित ऊर्जा अंतराल (E₉ > 3 eV) होता है। कमरे के तापमान पर, इलेक्ट्रॉनों के पास इतनी तापीय ऊर्जा नहीं होती कि वे इस बड़े अंतराल को पार करके चालन बैंड में जा सकें। इसलिए, चालन के लिए कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध नहीं होता है, और ये पदार्थ विद्युत का चालन नहीं करते हैं।
- उदाहरण: लकड़ी, रबर, प्लास्टिक, कांच, हीरा।
अर्धचालक (Semiconductors)
परिभाषा: अर्धचालक वे पदार्थ हैं जिनकी विद्युत चालकता चालकों और अचालकों के बीच होती है।
बैंड सिद्धांत के अनुसार व्याख्या
अर्धचालकों की संरचना अचालकों के समान होती है, लेकिन उनके बीच का वर्जित ऊर्जा अंतराल बहुत छोटा (E₉ < 3 eV) होता है। परम शून्य (0 K) पर, अर्धचालक एक आदर्श अचालक की तरह व्यवहार करते हैं। लेकिन कमरे के तापमान पर, कुछ संयोजी इलेक्ट्रॉन पर्याप्त तापीय ऊर्जा प्राप्त कर लेते हैं और ऊर्जा अंतराल को पार करके चालन बैंड में चले जाते हैं। ये इलेक्ट्रॉन विद्युत चालन में सक्षम होते हैं। तापमान बढ़ाने पर अधिक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में जाते हैं, जिससे अर्धचालकों की चालकता बढ़ जाती है।
- उदाहरण: सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge)।
संख्यात्मक उदाहरण
उदाहरण 1
प्रश्न: हीरे का वर्जित ऊर्जा अंतराल लगभग 5.5 eV है। क्या यह कमरे के तापमान पर विद्युत का चालन करेगा? क्यों?
हल:
हीरे का ऊर्जा अंतराल E₉ = 5.5 eV है। यह मान 3 eV से बहुत अधिक है।
कमरे के तापमान पर, इलेक्ट्रॉनों को मिलने वाली औसत तापीय ऊर्जा बहुत कम होती है (लगभग 0.025 eV)। यह ऊर्जा 5.5 eV के विशाल अंतराल को पार करने के लिए अपर्याप्त है।
चूंकि कोई भी इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड से चालन बैंड में नहीं जा सकता, इसलिए चालन के लिए कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होगा।
अतः, हीरा कमरे के तापमान पर एक अचालक की तरह व्यवहार करेगा।
उदाहरण 2
प्रश्न: एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) एक अर्धचालक से बना है जिसका ऊर्जा अंतराल 1.9 eV है। जब यह प्रकाश उत्सर्जित करता है, तो फोटॉन की तरंगदैर्ध्य क्या होगी?
हल:
उत्सर्जित फोटॉन की ऊर्जा ऊर्जा अंतराल के बराबर होगी।
E = 1.9 eV = 1.9 × 1.6 × 10⁻¹⁹ J = 3.04 × 10⁻¹⁹ J
ऊर्जा का सूत्र: E = hc/λ
λ = hc / E
λ = (6.63 × 10⁻³⁴ J·s × 3 × 10⁸ m/s) / (3.04 × 10⁻¹⁹ J)
λ = (19.89 × 10⁻²⁶) / (3.04 × 10⁻¹⁹)
λ ≈ 6.54 × 10⁻⁷ m = 654 × 10⁻⁹ m
λ ≈ 654 nm (यह स्पेक्ट्रम के लाल-नारंगी क्षेत्र में है)।