પ્રકાશ-વાહકતા (photo-conductivity) : ચાંદીના હેલાઇડ તથા અર્ધવાહક જેવા કેટલાક અધાતુ ઘન પદાર્થ પ્રકાશનું શોષણ કરે ત્યારે મળતી વીજ-વાહકતાની ઘટના. પદાર્થમાં શોષણ પામતો પ્રકાશ પારજાંબલી કિરણોથી ગૅમાકિરણો (γ-કિરણો) સુધીની કોઈ પણ યોગ્ય તરંગલંબાઈનો (એટલે કે, ઊર્જાનો) હોવો જોઈએ.
(a) અર્ધવાહકમાં પ્રકાશ-વાહકતા : અર્ધવાહક પદાર્થ પર પ્રકાશ આપાત થાય તો પદાર્થમાં અવશોષણ (absorption) પામતો પ્રકાશ પોતાની ઊર્જા સ્ફટિકના લૅટિસ(lattice)ને અથવા અર્ધવાહકમાંના ઇલેક્ટ્રૉનને આપે છે. જો પ્રકાશની ઊર્જા hν, અર્ધવાહકના પટ-અંતરાલ (band gap) Eg કરતાં વધારે હોય તો ઇલેક્ટ્રૉન સંયોજકતા-પટ(valence band)માંથી વહન-પટ(conduction band)માં આવે છે, તથા સંયોજકતાપટમાં છિદ્ર (hole) રહે છે; એટલે કે ઇલક્ટ્રૉન-હોલ જોડ (electron-hole pair) ઉત્પન્ન થાય છે.
આને પરિણામે, સામાન્ય રીતે અર્ધવાહકમાં જે વીજભારિત કણો (electron hole) હોય છે તેની સંખ્યામાં વધારો થાય છે. આવા અર્ધવાહકને જો વીજક્ષેત્રમાં રાખવામાં આવે તો, આ વીજક્ષેત્રની અસર હેઠળ, ઇલેક્ટ્રૉન તથા છિદ્ર અર્ધવાહકમાં ગતિ કરે છે; જેને પરિણામે વધારાનો વીજપ્રવાહ મળે છે. એટલે કે, અર્ધવાહકની વીજ-વાહકતા (electrical conductivity) σ માં Δσ જેટલો વધારો થાય છે; અહીં σ એ પ્રકાશની અસર વિનાની અર્ધવાહકની વીજ-વાહકતા છે :
σ = q (nμn+ pμp)
જ્યાં q = ઇલેક્ટ્રૉન પરનો વીજભાર, C
n = અર્ધવાહકમાં ઇલેક્ટ્રૉનનું સાંદ્રણ (concentration), cm–3
p = અર્ધવાહકમાં હોલનું સાંદ્રણ, cm–3
µn = અર્ધવાહકમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિશીલતા (mobility),
cm2/V. sec
µp = અર્ધવાહકમાં હોલની ગતિશીલતા, cm2/V. sec
પ્રકાશના અવશોષણને કારણે મળતી વધારાની વીજ-વાહકતા,
Δσ = e (Δn·µn + Δn·µp), mho
જ્યાં Δn = પ્રકાશના અવશોષને કારણે મળતા વધારાના
ઇલેક્ટ્રૉનનું સાંદ્રણ, cm–3
Δp = પ્રકાશના અવશોષણને કારણે મળતા વધારાના
હોલનું સાંદ્રણ, cm–3
સ્ફટિકમાં સામાન્ય રીતે રહેતી અશુદ્ધિ (impurities) તથા ત્રુટિ(defects)ને કારણે તેમાં પાશ (traps) પણ હોય છે. પ્રકાશ-વાહકતાની માત્રાનો ઘણો આધાર આ પાશ પર પણ છે.
પ્રકાશ-વાહકતા માટે એ જરૂરી છે કે અવશોષણ પામતા પ્રકાશની ઊર્જા અર્ધવાહકની પટ-અંતરાલ Eg કરતાં વધારે હોય, એટલે કે
hυ > Eg
અથવા પ્રકાશની તરંગલંબાઈ λ માટે કહી શકાય કે
μm
(1 μm = 10 Å)
અહીં
h = પ્લાંક અચળાંક, 6.626 x 10–34 જૂલ-સેકન્ડ
c = પ્રકાશનો વેગ, 3 x 108 મીટર/સેકન્ડ
કૅડમિયમ સલ્ફાઇડ માટે Eg = 2.46 eV. આથી જો પ્રકાશની તરંગ-લંબાઈ λ < 0.5 μm હોય તો જ તે પ્રકાશ કૅડમિયમ સલ્ફાઇડને પ્રકાશ-વાહક બનાવી શકે.
પ્રકાશ-વાહક હોય તેવા અર્ધવાહકના પ્રાચલ(performance)ને સમજવા માટે બે રાશિઓ (parameters) અગત્યની છે :
જ્યાં ΔI = પ્રકાશ-વીજપ્રવાહ (photocurrent), A
Gpair = પ્રકાશના અવશોષને કારણે અર્ધવાહકમાં ઉત્પન્ન થયેલ
ઇલેક્ટ્રૉન-હોલ જોડની સંખ્યા
(ii) અનુક્રિયા-સમય (response time).
આ બંને રાશિઓનાં લાક્ષણિક મૂલ્યો :
પ્રાપ્તિ = 105
અનુક્રિયા-સમય = 10–3 sec
પ્રકાશ-વાહકતાના ગુણધર્મને કારણે અર્ધવાહકનો ઉપયોગ પ્રકાશના સૂચક (detector) તરીકે પણ કરી શકાય છે.
(b) ક્ષારના હેલાઇડમાં પ્રકાશ-વાહકતા : રૉક સૉલ્ટ (સોડિયમ ક્લોરાઇડ) જેવા ક્ષારના હેલાઇડમાં રંગ-કેન્દ્ર(colour centre)ને કારણે પ્રકાશ-વાહકતા મળે છે. રંગ-કેન્દ્ર એ સ્ફટિકમાંની એક પ્રકારની અપૂર્ણતા (imperfection) છે. સ્ફટિકમાં ઋણ આયન(negative ion)ની ખાલી જગા ઇલેક્ટ્રૉન લે છે, જેને પરિણામે રંગ-કેન્દ્ર મળે છે. આ રંગ-કેન્દ્ર યોગ્ય ઊર્જા(એટલે કે, તરંગલંબાઈ)ના પ્રકાશનું અવશોષણ કરે છે અને ઇલેક્ટ્રૉનને મુક્ત (free) કરે છે. બાહ્ય વીજક્ષેત્રમાં આ ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિને પરિણામે વીજપ્રવાહ મળે છે, જે પદાર્થને પ્રકાશ-વાહકતા આપે છે.
(c) ચાંદીના હેલાઇડમાં પ્રકાશ-વાહકતા : સિલ્વર ક્લોરાઇડ જેવા પદાર્થમાં પ્રકાશના અવશોષણને પરિણામે ઇલેક્ટ્રૉન-હોલ જોડ ઉત્પન્ન થાય છે જે, અર્ધવાહકના કિસ્સામાં બને છે તેમ, પદાર્થની પ્રકાશ-વાહકતા માટે જવાબદાર હોય છે.
અરુણ રમણલાલ વામદત્ત