अर्द्धचालक इलेक्ट्रॉनिकी | Semiconductor Electronics
Eg ≈ 1 eV
ne nh = ni2
P-N Junction
Logic Gates
अर्द्धचालक इलेक्ट्रॉनिकी
(Semiconductor Electronics)
(Semiconductor Electronics)
पदार्थ, युक्तियाँ तथा सरल परिपथ: आधुनिक तकनीकी क्रांति का मूल आधार
सिलिकॉन की दुनिया
निर्वात नलिकाओं (Vacuum Tubes) से लेकर माइक्रोचिप्स (Microchips) तक का सफर
भूमिका: इलेक्ट्रॉनिकी का विकास
आधुनिक जीवन की कल्पना इलेक्ट्रॉनिक्स (स्मार्टफोन, कंप्यूटर, टीवी) के बिना असंभव है। इलेक्ट्रॉनिकी की शुरुआत 20वीं सदी के प्रारंभ में निर्वात नलिकाओं (Vacuum Tubes / Valves) के आविष्कार से हुई थी। इनमें डायोड, ट्रायोड आदि शामिल थे जिनमें इलेक्ट्रॉन निर्वात में एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड तक प्रवाहित होते थे। लेकिन निर्वात नलिकाएं आकार में बहुत बड़ी, भारी थीं, बहुत अधिक बिजली (ऊष्मा) खर्च करती थीं, और उनकी उम्र कम होती थी।
ठोस अवस्था इलेक्ट्रॉनिकी (Solid State Electronics) का उदय
1930 के दशक में कुछ ऐसे ठोस पदार्थों (Solid materials) की खोज हुई जिनमें आवेश वाहकों (Charge carriers - इलेक्ट्रॉन और होल) की दिशा और संख्या को नियंत्रित किया जा सकता था। इन पदार्थों को अर्द्धचालक (Semiconductors) कहा गया। इनसे बनी युक्तियाँ (Devices) निर्वात नलिकाओं की तुलना में अत्यंत सूक्ष्म, कम खर्चीली, कम वोल्टेज पर काम करने वाली और लंबे समय तक चलने वाली थीं।
ठोसों में ऊर्जा बैंड (Energy Bands in Solids)
बोर के परमाणु मॉडल के अनुसार, एक अकेले (Isolated) परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा के स्तर निश्चित और अलग-अलग (Discrete) होते हैं। लेकिन जब करोड़ों परमाणु मिलकर एक ठोस (Solid) क्रिस्टल बनाते हैं, तो वे एक-दूसरे के बहुत करीब आ जाते हैं। उनके बाहरी इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं और फैलकर सतत ऊर्जा पट्टियों (Continuous energy bands) का रूप ले लेते हैं।
संयोजकता बैंड (Valence Band)
यह वह ऊर्जा बैंड है जिसमें संयोजी (बाहरी) इलेक्ट्रॉन रहते हैं। परम शून्य ताप (0 K) पर यह बैंड इलेक्ट्रॉनों से पूर्णतः भरा होता है।
चालन बैंड (Conduction Band)
यह संयोजकता बैंड के ठीक ऊपर का बैंड है। इसमें मौजूद इलेक्ट्रॉन ही धारा प्रवाह (Conduction) में भाग लेते हैं। 0 K पर यह पूर्णतः खाली होता है।
ऊर्जा अंतराल (Energy Gap, Eg)
संयोजकता और चालन बैंड के बीच के खाली स्थान को वर्जित ऊर्जा अंतराल (Forbidden energy gap) कहते हैं। यहाँ कोई इलेक्ट्रॉन नहीं रह सकता।
चालक, विद्युतरोधी और अर्द्धचालक का वर्गीकरण
ऊर्जा बैंड सिद्धांत के आधार पर ठोस पदार्थों को तीन भागों में बांटा गया है:
1. चालक (Conductors)
इनमें चालन बैंड और संयोजकता बैंड एक-दूसरे के ऊपर अतिव्याप्त (Overlap) करते हैं। ऊर्जा अंतराल लगभग शून्य (Eg ≈ 0) होता है। इसलिए बहुत कम वैद्युत क्षेत्र लगाने पर भी बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन आसानी से चालन बैंड में चले जाते हैं। (उदाहरण: धातुएं)।
2. विद्युतरोधी (Insulators)
इनमें संयोजकता बैंड भरा और चालन बैंड खाली होता है, तथा उनके बीच का ऊर्जा अंतराल बहुत अधिक (Eg > 3 eV) होता है। सामान्य ताप या वोल्टेज पर इलेक्ट्रॉन इस भारी अंतर को पार नहीं कर पाते। (उदाहरण: हीरा, लकड़ी, रबर)।
3. अर्द्धचालक (Semiconductors)
इनमें ऊर्जा अंतराल बहुत कम (Eg < 3 eV) होता है। 0 K पर ये विद्युतरोधी की तरह काम करते हैं, लेकिन कमरे के ताप (Room temperature) पर तापीय ऊर्जा के कारण कुछ इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड से छलांग लगाकर चालन बैंड में पहुंच जाते हैं और ये कुछ हद तक चालक बन जाते हैं। (उदाहरण: सिलिकॉन (Eg=1.1 eV) और जर्मेनियम (Eg=0.7 eV))।
नैज अर्द्धचालक (Intrinsic Semiconductors)
शुद्ध (Pure) अवस्था में पाए जाने वाले अर्द्धचालकों को नैज अर्द्धचालक कहते हैं (जैसे 100% शुद्ध सिलिकॉन या जर्मेनियम)। सिलिकॉन आवर्त सारणी के 14वें समूह का तत्व है, अतः इसकी बाहरी कक्षा में 4 संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं। क्रिस्टल में प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु अपने 4 निकटतम पड़ोसियों के साथ एक-एक इलेक्ट्रॉन साझा करके 4 सहसंयोजक बंध (Covalent bonds) बनाता है।
तापमान का प्रभाव और होल (Hole) की उत्पत्ति
-
परम शून्य ताप (0 K) पर: सभी इलेक्ट्रॉन अपने बंधों में मजबूती से बंधे होते हैं। कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होता, अतः यह पूर्णतः विद्युतरोधी (Insulator) होता है।
-
कमरे के ताप पर (Room Temp): ऊष्मीय ऊर्जा (Thermal energy) के कारण कुछ सहसंयोजक बंध टूट जाते हैं। मुक्त हुआ इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल में घूमने लगता है और चालन में भाग लेता है।
-
होल (Hole) का जन्म: जब कोई इलेक्ट्रॉन अपना स्थान छोड़ता है, तो वहां एक रिक्त स्थान (Vacancy) बन जाता है। इस रिक्त स्थान को ही होल (Hole) या कोटर कहते हैं। यह एक धनावेशित (+e) कण की तरह व्यवहार करता है।
ne = nh = ni
नैज अर्द्धचालक में हमेशा मुक्त इलेक्ट्रॉनों का संख्या घनत्व (ne) और होल्स का संख्या घनत्व (nh) बराबर होता है। कुल धारा दोनों के कारण बहती है: I = Ie + Ih।
अपद्रव्यी अर्द्धचालक (Extrinsic Semiconductors)
शुद्ध (नैज) अर्द्धचालकों की चालकता बहुत कम होती है, इसलिए उनका व्यावहारिक उपयोग नगण्य है। उनकी चालकता बढ़ाने के लिए उनमें बहुत ही सूक्ष्म मात्रा (जैसे 10 लाख सिलिकॉन परमाणुओं में 1 परमाणु) में कुछ उपयुक्त अशुद्धि (Impurity) मिलाई जाती है। इस प्रक्रिया को डोपिंग (Doping या अपमिश्रण) कहते हैं, और प्राप्त अर्द्धचालक को अपद्रव्यी (Extrinsic) अर्द्धचालक कहते हैं। ये दो प्रकार के होते हैं:
n-प्रकार का अर्द्धचालक (n-Type)
- जब सिलिकॉन (4 संयोजी) में पंचसंयोजी (Pentavalent) अशुद्धि (जैसे फास्फोरस P, आर्सेनिक As, एंटीमनी Sb) मिलाई जाती है।
- अशुद्धि के 5 इलेक्ट्रॉनों में से 4 सहसंयोजक बंध बना लेते हैं, जबकि 5वां इलेक्ट्रॉन मुक्त रह जाता है। यह अशुद्धि 'दाता (Donor)' कहलाती है।
- इसमें इलेक्ट्रॉन (ne) बहुसंख्यक (Majority) वाहक होते हैं और होल्स (nh) अल्पसंख्यक (Minority) होते हैं। (ne >> nh)
p-प्रकार का अर्द्धचालक (p-Type)
- जब सिलिकॉन में त्रिसंयोजी (Trivalent) अशुद्धि (जैसे बोरॉन B, एल्युमिनियम Al, इंडियम In) मिलाई जाती है।
- अशुद्धि के 3 इलेक्ट्रॉन बंध बनाते हैं, चौथे बंध के लिए एक इलेक्ट्रॉन की कमी रह जाती है, जिससे एक होल (Hole) बन जाता है। यह अशुद्धि 'ग्राही (Acceptor)' कहलाती है।
- इसमें होल्स (nh) बहुसंख्यक वाहक होते हैं और इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्यक होते हैं। (nh >> ne)
जन-क्रिया नियम (Mass Action Law)
किसी भी डोपित अर्द्धचालक के लिए, ऊष्मीय साम्यावस्था में, इलेक्ट्रॉनों और होल्स के संख्या घनत्व का गुणनफल हमेशा स्थिर रहता है:
(ध्यान दें: n-टाइप या p-टाइप अर्द्धचालक समग्र रूप से विद्युत उदासीन (Electrically neutral) ही होते हैं, क्योंकि उनमें कुल प्रोटॉन और कुल इलेक्ट्रॉन बराबर होते हैं)।
ne × nh = ni2
p-n संधि और ह्रासी स्तर (The p-n Junction)
जब एक p-प्रकार के अर्द्धचालक को एक n-प्रकार के अर्द्धचालक के साथ आणविक स्तर पर जोड़ा जाता है, तो उनके बीच की सीमा को p-n संधि (p-n Junction) कहते हैं। यह सभी आधुनिक अर्द्धचालक युक्तियों (Diode, Transistor) का हृदय है।
संधि का निर्माण (Formation Process)
1
विसरण (Diffusion): संधि बनते ही, सांद्रता में अंतर (Concentration gradient) के कारण, n-क्षेत्र के बहुसंख्यक इलेक्ट्रॉन p-क्षेत्र की ओर विसरित (diffuse) होने लगते हैं, और p-क्षेत्र के बहुसंख्यक होल्स n-क्षेत्र की ओर विसरित होते हैं। इस गति से उत्पन्न धारा को विसरण धारा (Diffusion Current) कहते हैं।
2
ह्रासी स्तर (Depletion Region): जब इलेक्ट्रॉन p-क्षेत्र में जाते हैं, तो वे पीछे n-क्षेत्र में धनात्मक आयन (Positive ions) छोड़ जाते हैं। इसी तरह होल्स पीछे ऋणात्मक आयन छोड़ जाते हैं। ये आयन चल नहीं सकते (Immobile)। संधि के पास एक ऐसा क्षेत्र बन जाता है जहाँ कोई मुक्त आवेश वाहक नहीं होता, केवल स्थिर आयन होते हैं। इसे ह्रासी स्तर या अवक्षय परत कहते हैं।
3
रोधिका विभव (Barrier Potential, V0): इन स्थिर आयनों (n-तरफ धनात्मक और p-तरफ ऋणात्मक) के कारण संधि के पार एक आंतरिक वैद्युत क्षेत्र उत्पन्न हो जाता है। यह क्षेत्र आगे होने वाले विसरण को रोकता है। इस वैद्युत क्षेत्र के कारण उत्पन्न विभवांतर को रोधिका विभव (Barrier Potential) कहते हैं। (सिलिकॉन के लिए यह लगभग 0.7 V और जर्मेनियम के लिए 0.3 V होता है)।
4
अपवाह धारा (Drift Current): इस आंतरिक वैद्युत क्षेत्र के कारण, अल्पसंख्यक वाहक (p-क्षेत्र के इलेक्ट्रॉन और n-क्षेत्र के होल्स) विपरीत दिशा में खींचे जाते हैं। इसे अपवाह धारा कहते हैं। साम्यावस्था में: विसरण धारा = अपवाह धारा। कुल नेट धारा शून्य होती है।
p-n संधि डायोड की बायसिंग (Biasing of a Diode)
p-n संधि में धात्विक तार (Contacts) लगाकर उसे बाहरी परिपथ से जोड़ने पर यह एक डायोड (Diode) बन जाता है। बैटरी को डायोड से जोड़ने की प्रक्रिया को 'बायसिंग' (Biasing) कहते हैं। यह दो प्रकार की होती है:
अग्र दिशिक बायस (Forward Bias)
- कनेक्शन: p-सिरे को बैटरी के धनात्मक (+) से और n-सिरे को ऋणात्मक (-) टर्मिनल से जोड़ा जाता है।
- प्रभाव: बाहरी विभव, रोधिका विभव (Barrier potential) का विरोध करता है। ह्रासी स्तर की चौड़ाई घट जाती है।
- धारा: बहुसंख्यक वाहकों के कारण आसानी से बड़ी धारा (मिली-ऐम्पियर, mA में) बहती है। डायोड चालक (ON switch) की तरह काम करता है।
पश्च दिशिक बायस (Reverse Bias)
- कनेक्शन: p-सिरे को ऋणात्मक (-) से और n-सिरे को धनात्मक (+) टर्मिनल से जोड़ा जाता है।
- प्रभाव: बाहरी विभव, रोधिका विभव की सहायता करता है। ह्रासी स्तर की चौड़ाई बढ़ जाती है।
- धारा: बहुसंख्यक वाहक रुक जाते हैं। केवल अल्पसंख्यक वाहकों के कारण अत्यंत क्षीण धारा (माइक्रो-ऐम्पियर, μA में) बहती है। डायोड कुचालक (OFF switch) की तरह काम करता है।
दिष्टकारी के रूप में डायोड (Diode as a Rectifier)
डायोड का सबसे महत्वपूर्ण गुण यह है कि यह केवल एक ही दिशा में (अग्र बायस में) धारा को बहने देता है। इस गुण का उपयोग प्रत्यावर्ती धारा (AC) को दिष्ट धारा (DC) में बदलने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया को दिष्टकरण (Rectification) कहते हैं।
अर्ध-तरंग दिष्टकारी (Half-Wave Rectifier)
इसमें केवल एक डायोड का उपयोग किया जाता है। AC के धनात्मक अर्धचक्र (Positive half cycle) में डायोड अग्र बायस में होता है और धारा बहती है। ऋणात्मक अर्धचक्र (Negative half cycle) में डायोड पश्च बायस में होता है और धारा रुक जाती है।
नुकसान: इनपुट AC का केवल आधा हिस्सा ही आउटपुट DC में बदलता है, बाकी आधी ऊर्जा बर्बाद हो जाती है।
नुकसान: इनपुट AC का केवल आधा हिस्सा ही आउटपुट DC में बदलता है, बाकी आधी ऊर्जा बर्बाद हो जाती है।
पूर्ण-तरंग दिष्टकारी (Full-Wave Rectifier)
इसमें दो डायोड (D1 और D2) और एक मध्य-निष्कासी ट्रांसफार्मर (Center-tap transformer) का उपयोग होता है।
धनात्मक अर्धचक्र में D1 अग्र बायस होकर धारा देता है। ऋणात्मक अर्धचक्र में D2 अग्र बायस होकर धारा देता है। इस प्रकार लोड प्रतिरोध (RL) में धारा लगातार एक ही दिशा में बहती रहती है।
धनात्मक अर्धचक्र में D1 अग्र बायस होकर धारा देता है। ऋणात्मक अर्धचक्र में D2 अग्र बायस होकर धारा देता है। इस प्रकार लोड प्रतिरोध (RL) में धारा लगातार एक ही दिशा में बहती रहती है।
फिल्टर परिपथ (Filter Circuits)
दिष्टकारी से प्राप्त आउटपुट शुद्ध DC (एकदम सीधी लाइन) नहीं होता; उसमें AC के कुछ अंश (उर्मिका या Ripple) रह जाते हैं। इन रिपल्स को हटाने और शुद्ध (smooth) DC प्राप्त करने के लिए संधारित्र (Capacitor) या प्रेरक (Inductor) का उपयोग फिल्टर के रूप में किया जाता है। संधारित्र को हमेशा लोड के समांतर (Parallel) जोड़ा जाता है।
विशिष्ट प्रयोजन p-n संधि डायोड (Special Purpose Diodes)
सामान्य डायोड के अलावा, डोपिंग के स्तर और बनावट में परिवर्तन करके कुछ विशेष प्रकार के डायोड बनाए गए हैं:
जेनर डायोड (Zener Diode)
- इसे उच्च डोपिंग (Heavily doped) करके बनाया जाता है, जिससे इसका ह्रासी स्तर बहुत पतला होता है।
- यह पश्च बायस (Reverse bias) में कार्य करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
- जेनर भंजन (Breakdown) वोल्टेज पर पहुंचने पर, इसमें धारा तेजी से बढ़ती है लेकिन वोल्टेज स्थिर (Constant) रहता है।
- उपयोग: इसका मुख्य उपयोग वोल्टेज नियामक (Voltage Regulator) के रूप में होता है (फ्लक्चुएटिंग इनपुट से स्थिर आउटपुट प्राप्त करने के लिए)।
फोटोडायोड (Photodiode)
- यह भी पश्च बायस (Reverse Bias) में काम करता है। इसमें एक पारदर्शी खिड़की होती है जहाँ से प्रकाश (hv > Eg) संधि पर गिरता है।
- प्रकाश के कारण नए इलेक्ट्रॉन-होल युग्म बनते हैं, जिससे पश्च धारा (Reverse current) प्रकाश की तीव्रता के अनुपात में बढ़ जाती है।
- उपयोग: ऑप्टिकल सिग्नल को डिटेक्ट करने, सीडी प्लेयर, और लाइट सेंसर में।
प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED)
- यह अग्र बायस (Forward bias) में काम करने वाला अधिक डोपित (Heavily doped) डायोड है।
- अग्र बायस में जब इलेक्ट्रॉन और होल्स संधि पर आपस में मिलते (Recombine) हैं, तो ऊर्जा (hν) प्रकाश के रूप में बाहर निकलती है।
- रंग का निर्धारण पदार्थ के बैंड गैप (Eg) पर निर्भर करता है (जैसे गैलियम आर्सेनाइड फॉस्फाइड - GaAsP)।
- उपयोग: रिमोट कंट्रोल, डिस्प्ले स्क्रीन, और आधुनिक लाइटिंग (Bulbs) में।
सौर सेल (Solar Cell)
- यह फोटोडायोड के समान है, लेकिन इस पर कोई बाहरी बायसिंग (बैटरी) नहीं लगाई जाती।
- जब सूर्य का प्रकाश p-n संधि पर गिरता है, तो उत्पन्न इलेक्ट्रॉन और होल्स आंतरिक वैद्युत क्षेत्र द्वारा अलग-अलग हो जाते हैं और बाहरी परिपथ में विद्युत धारा (emf) उत्पन्न करते हैं।
- उपयोग: अंतरिक्ष यानों में (Satellites), कैलकुलेटर, और छतों पर बिजली उत्पादन में।
अंकीय इलेक्ट्रॉनिकी और लॉजिक गेट (Logic Gates)
इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल दो प्रकार के होते हैं: अनुरूप (Analog), जो समय के साथ लगातार बदलते हैं (जैसे साइन वेव), और अंकीय (Digital), जिनमें केवल दो ही स्तर (Levels) होते हैं—'HIGH' (जैसे 5V, बाइनरी '1') और 'LOW' (जैसे 0V, बाइनरी '0')।
डिजिटल परिपथ जो इन 0 और 1 के आधार पर तार्किक (Logical) निर्णय लेते हैं, उन्हें लॉजिक गेट (Logic Gates) कहते हैं। ये कंप्यूटर और स्मार्टफोन के मस्तिष्क (Processor) का निर्माण करते हैं।
तीन मूल गेट (Basic Gates)
1. OR गेट (OR Gate)
यह 'Addition' का कार्य करता है। इसका आउटपुट (Y) 1 (High) होता है, यदि इसका कोई भी एक या दोनों इनपुट (A या B) 1 हों।
बूलियन व्यंजक (Boolean Expression): Y = A + B
बूलियन व्यंजक (Boolean Expression): Y = A + B
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
2. AND गेट (AND Gate)
यह 'Multiplication' का कार्य करता है। इसका आउटपुट (Y) 1 तभी होता है, जब इसके दोनों इनपुट (A और B) 1 हों।
बूलियन व्यंजक: Y = A · B
बूलियन व्यंजक: Y = A · B
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
3. NOT गेट (NOT Gate)
इसे 'Inverter' (उत्क्रमक) भी कहते हैं। इसमें केवल एक इनपुट होता है। यह इनपुट को उल्टा कर देता है (0 को 1, और 1 को 0)।
बूलियन व्यंजक: Y = A̅ (A Bar)
बूलियन व्यंजक: Y = A̅ (A Bar)
| A | Y |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
सार्वत्रिक गेट (Universal Gates)
जब मूल गेट्स को आपस में जोड़ा जाता है, तो नए गेट बनते हैं। NAND गेट (NOT + AND) और NOR गेट (NOT + OR) को सार्वत्रिक (Universal) गेट कहा जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि केवल NAND या केवल NOR गेट्स का बार-बार उपयोग करके दुनिया का कोई भी मूल गेट (OR, AND, NOT) या जटिल परिपथ बनाया जा सकता है।
"सिलिकॉन का एक छोटा सा टुकड़ा, जिसे हम अपने हाथों में पकड़ सकते हैं, आज दुनिया के सबसे बड़े डेटा सेंटरों और सुपरकंप्यूटरों को चला रहा है। अर्द्धचालकों ने विज्ञान को प्रयोगशालाओं से निकालकर मानव सभ्यता के हर पहलू में उतार दिया है।"
अध्याय का संपूर्ण सारांश (Chapter Summary)
इस अंतिम अध्याय में हमने सीखा कि कैसे अर्द्धचालकों (Semiconductors) ने ऊर्जा बैंड सिद्धांत के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में क्रांति ला दी। हमने p-n संधि के निर्माण और उसके बहुमुखी उपयोगों का अध्ययन किया।
ऊर्जा बैंड
चालक, विद्युतरोधी और अर्द्धचालक का वर्गीकरण
डोपिंग
p-प्रकार (होल्स) और n-प्रकार (इलेक्ट्रॉन)
डायोड का उपयोग
दिष्टकारी (Rectifier) के रूप में (AC से DC)
लॉजिक गेट
OR, AND, NOT (डिजिटल इलेक्ट्रॉनिकी की नींव)
भौतिकी का सफर संपन्न
इस अध्याय के साथ ही कक्षा 12वीं की भौतिक विज्ञान (Physics) की सैद्धांतिक यात्रा संपन्न होती है। स्थिर आवेशों (Electrostatics) से शुरू होकर, विद्युतचुंबकीय तरंगों से गुजरते हुए, क्वांटम दुनिया (परमाणु व नाभिक) और अंततः अर्द्धचालकों (Semiconductors) पर हमारी यह यात्रा समाप्त होती है। यह ज्ञान भविष्य में इंजीनियरिंग, प्रौद्योगिकी और अनुसंधानों के लिए आपकी सबसे मजबूत नींव बनेगा!