14.1 পরিচিতি

ইলেকট্রনিক্স সার্কিটের মৌলিক গুণগত অংশ হল সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস, যেখানে প্রতিষ্ঠিত পরিবেশে ইলেকট্রনের নিয়ন্ত্রিত প্রবাহ পাওয়া যায়। 1948 সালে ট্রান্সিস্টরের আবিষ্কারের আগে, এই ধরনের ডিভাইসগুলি প্রায়শই ব্যাক্টিয়ারিয়াম টিউব (যা ভ্যালভ নামেও ডাকা হয়) হতো, যেমন: ব্যাক্টিয়ারিয়াম ডায়োড, যার দুটি ইলেকট্রোড আছে, অর্থাৎ অ্যানোড (প্রায় প্লেট নামে ডাকা) এবং ক্যাথোড; ট্রায়োড, যার তিনটি ইলেকট্রোড আছে - ক্যাথোড, প্লেট এবং গ্রিড; টেট্রোড এবং পেন্টোড (যথাক্রমে 4 এবং 5 ইলেকট্রোড সম্পন্ন)। ব্যাক্টিয়ারিয়াম টিউবে, ইলেকট্রনগুলি একটি উষ্ণ ক্যাথোড দ্বারা সরবরাহ করা হয় এবং এই ইলেকট্রনগুলির ব্যাক্টিয়ারিয়ামের মধ্যে নিয়ন্ত্রিত প্রবাহ প্রাপ্ত হয় একেক ইলেকট্রোডের মধ্যে ভার পরিবর্তন করে। ইলেকট্রোডের মধ্যে ব্যাক্টিয়ারিয়াম প্রয়োজন; নয়তো পথের মধ্যে বায়ুর জলোকাগুলির সাথে মিলিত হওয়ার কারণে চলমান ইলেকট্রনগুলি তাদের শক্তি হারাতে পারে। এই ডিভাইসে ইলেকট্রনগুলি ক্যাথোড থেকে প্লেটে (অর্থাৎ শুধুমাত্র একটি দিকে) প্রবেশ করতে পারে। এই কারণে এই ডিভাইসগুলি সাধারণত ভ্যালভ নামে উল্লেখ করা হয়। এই ব্যাক্টিয়ারিয়াম টিউব ডিভাইসগুলি বড় আকারের, উচ্চ শক্তি খরচ করে, সাধারণত উচ্চ ভারে কাজ করে ($100 \mathrm{~V}$) এবং সীমিত জীবনকাল এবং নিম্ন নিরাপত্তা সম্পন্ন করে। আধুনিক সোলিড-স্টেট সেমিকন্ডাক্টর ইলেকট্রনিক্সের বিকাশের মূল প্রায় 1930-এর দশকে প্রতিষ্ঠিত হয়, যখন এমন কিছু সোলিড-স্টেট সেমিকন্ডাক্টর এবং তাদের সংযোগের সুযোগ বুঝা যায় যেখানে চার্জ প্রবাহের সংখ্যা এবং দিক নিয়ন্ত্রণ করা যায়। সরল উত্তেজনা যেমন আলো, তাপ বা ছোট প্রয়োজনীয় ভার একটি সেমিকন্ডাক্টরে চলমান চার্জের সংখ্যা পরিবর্তন করতে পারে। ধ্যান রাখক: সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসে চার্জ প্রবাহের সরবরাহ এবং প্রবাহ সোলিডের মধ্যেই ঘটে, অন্যদিকে আগের ব্যাক্টিয়ারিয়াম টিউব/ভ্যালভে চলমান ইলেকট্রনগুলি একটি উষ্ণ ক্যাথোড থেকে পাওয়া হতো এবং তাদের ব্যাক্টিয়ারিয়ামের মধ্যে প্রবেশ করানো হতো। সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসে বাইরের উষ্ণতা বা বড় ব্যাক্টিয়ারিয়াম জায়গা প্রয়োজন হয় না। এগুলি ছোট আকারের, নিম্ন শক্তি খরচ করে, নিম্ন ভারে কাজ করে এবং দীর্ঘ জীবন এবং উচ্চ নিরাপত্তা সম্পন্ন করে। ক্যাথোড রে টিউব (CRT) যেমন টেলিভিশন এবং কম্পিউটার মনিটরে ব্যবহৃত যেগুলি ব্যাক্টিয়ারিয়াম টিউবের মৌলিক বিজ্ঞাপনে কাজ করে, তাদেরও লিকুইড ক্রিস্টাল ডিসপ্লে (LCD) মনিটর দ্বারা প্রতিস্থাপিত হচ্ছে সমর্থনকারী সোলিড-স্টেট ইলেকট্রনিক্স দ্বারা। সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সম্পূর্ণ প্রভাব আনুষ্ঠানিকভাবে বোঝা আগেই, একটি প্রাকৃতিকভাবে ঘটে আসা গ্যালেনা (লেড সালফাইড, PbS) ব্যাক্টিয়ারিয়ামের সাথে একটি মেটাল পয়েন্ট সংযোগ যুক্ত করে রেডিও তরঙ্গ সনাক্তকারী হিসাবে ব্যবহৃত হয়েছিল।

পরবর্তী অধ্যায়ে আমরা সেমিকন্ডাক্টর ফিজিক্সের মৌলিক ধারণাগুলি পরিচিত করব এবং জাঙ্কশন ডায়োড (একটি 2-ইলেকট্রোড ডিভাইস) এবং বাইপোলার জাঙ্কশন ট্রান্সিস্টর (একটি 3-ইলেকট্রোড ডিভাইস) নামে কিছু সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস নিয়ে আলোচনা করব। তাদের ব্যবহারের জন্য কিছু সার্কিটও বর্ণনা করা হবে।

14.2 ধাতু, পরিবেশক এবং সেমিকন্ডাক্টরের শ্রেণিবিভাজন

পরিবেশন ভিত্তিতে

পরিবেশন $(\sigma)$ বা রেজিস্টিভিটি $(\rho=1 / \sigma)$ এর আপেক্ষিক মানের ভিত্তিতে, বস্তুগুলি সাধারণভাবে নিম্নলিখিতভাবে শ্রেণিবিভাজন করা হয়:

(i) ধাতু: তারা খুব নিম্ন রেজিস্টিভিটি (বা উচ্চ পরিবেশন) সম্পন্ন করে।

$ \rho \sim 10^{-2}-10^{-8} \Omega \mathrm{m} $

$\sigma \sim 10^{2}-10^{8} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1}$

(ii) সেমিকন্ডাক্টর: তারা ধাতু এবং পরিবেশকের মধ্যে রেজিস্টিভিটি বা পরিবেশনের মান সম্পন্ন করে।

$$ \begin{aligned} & \rho \sim 10^{-5}-10^{6} \Omega \mathrm{m} \\ & \sigma \sim 10^{5}-10^{-6} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1} \end{aligned} $$

(iii) পরিবেশক: তারা উচ্চ রেজিস্টিভিটি (বা নিম্ন পরিবেশন) সম্পন্ন করে।

$$ \begin{aligned} & \rho \sim 10^{11}-10^{19} \Omega \mathrm{m} \\ & \sigma \sim 10^{-11}-10^{-19} \mathrm{~S} \mathrm{~m}^{-1} \end{aligned} $$

উপরে উল্লিখিত $\rho$ এবং $\sigma$ এর মান পরিমাপের প্রতীকী এবং তারা সেই সীমার বাইরেও যেতে পারে। রেজিস্টিভিটির আপেক্ষিক মান ধাতু, পরিবেশক এবং সেমিকন্ডাক্টরকে একে অপরের থেকে আলাদা করার শুধুমাত্র মানানসই মানদণ্ড নয়। এই অধ্যায়ের সাথে যাওয়ার সাথে সাথে কিছু অন্যান্য পার্থক্য আসবে যা আমরা এই অধ্যায়ের সাথে যাওয়ার সাথে সাথে স্পষ্ট হবে।

এই অধ্যায়ে আমাদের আগ্রহ সেমিকন্ডাক্টরের অধ্যয়নে নিয়ে আসা হবে যা হতে পারে:

(i) এলিমেন্টারি সেমিকন্ডাক্টর: $\mathrm{Si}$ এবং $\mathrm{Ge}$

(ii) কম্পাউন্ড সেমিকন্ডাক্টর: উদাহরণস্বরূপ:

• অজৈতিক: CdS, GaAs, CdSe, InP ইত্যাদি।

• অরগানিক: অ্যান্থ্রাসিন, ডপড় ফ্থালোসিয়ানিন ইত্যাদি।

• অরগানিক পলিমার: পলিপাইরওল, পলিয়ানিলিন, পলিথিয়োফেন ইত্যাদি।

বর্তমানে উপলব্ধ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসগুলি প্রায়শই এলিমেন্টারি সেমিকন্ডাক্টর $\mathrm{Si}$ বা $\mathrm{Ge}$ বা কম্পাউন্ড অজৈতিক সেমিকন্ডাক্টরের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়। তবে 1990 এর পর থেকে কিছু সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস অরগানিক সেমিকন্ডাক্টর এবং সেমিকন্ডাক্টর পলিমার ব্যবহার করে তৈরি করা হয়েছে যা পলিমার-ইলেকট্রনিক্স এবং মলিকুলার-ইলেকট্রনিক্স নামে একটি ভবিষ্যতের প্রযুক্তির জন্মসূচনা করেছে। এই অধ্যায়ে আমরা শুধুমাত্র অজৈতিক সেমিকন্ডাক্টর, বিশেষ করে এলিমেন্টারি সেমিকন্ডাক্টর Si এবং Ge নিয়ে আলোচনা করব। এই অধ্যায়ে এলিমেন্টারি সেমিকন্ডাক্টরের জন্য প্রবর্তিত সাধারণ ধারণাগুলি প্রায়শই অন্যান্য কম্পাউন্ড সেমিকন্ডাক্টরেও প্রযোজ্য হবে।

এনার্জি ব্যান্ডের ভিত্তিতে

বোহ্রার অণু মডেল অনুযায়ী, একটি সমতুল্য অণুতে যেকোনো তার ইলেকট্রনের এনার্জি তার পরিবর্তনের কক্ষে নির্ধারিত হয়। কিন্তু যখন অণুগুলি একসাথে একটি বস্তু তৈরি করে, তখন তারা একে অপরের কাছে খুব কাছে থাকে। তাই পারস্পরিক অণুর ইলেকট্রনের বাহ্যিক কক্ষগুলি খুব কাছে হবে বা এমনকি ওভারল্যাপ করে যাবে। এটি একটি বস্তুতে ইলেকট্রনের অভ্যন্তরীণ অভ্যাসকে একটি সমতুল্য অণুতের থেকে অতিরিক্ত ভিন্ন করে তোলে।

ব্রেইনে প্রতিটি ইলেকট্রনের একটি অনন্য অবস্থান আছে এবং দুটি ইলেকট্রন একই পরিবেশিত চার্জের স্বরূপ দেখে না। এই কারণে প্রতিটি ইলেকট্রনের একটি ভিন্ন এনার্জি স্তর থাকবে। এই ভিন্ন এনার্জি স্তরগুলি এনার্জি ব্যান্ড নামে পরিচিত এনার্জি পরিবর্তনের সাথে সম্পর্কিত হয়। যে এনার্জি ব্যান্ড ব্যালেন্স ইলেকট্রনের এনার্জি স্তরগুলি অন্তর্ভুক্ত করে তা ব্যালেন্স ব্যান্ড নামে ডাকা হয়। ব্যালেন্স ব্যান্ডের উপরে থাকা এনার্জি ব্যান্ডটি পরিবেশন ব্যান্ড নামে ডাকা হয়। বাইরের এনার্জি ছাড়াই সব ব্যালেন্স ইলেকট্রন ব্যালেন্স ব্যান্ডে থাকবে। যদি পরিবেশন ব্যান্ডের সর্বোচ্চ স্তর ব্যালেন্স ব্যান্ডের সর্বনিম্ন স্তরের চেয়ে কম হয়, তবে ব্যালেন্স ব্যান্ডের ইলেকট্রনগুলি সহজেই পরিবেশন ব্যান্ডে প্রবেশ করতে পারে। সাধারণত পরিবেশন ব্যান্ড খালি থাকে। কিন্তু যখন এটি ব্যালেন্স ব্যান্ডের ওপর ওভারল্যাপ করে, ইলেকট্রনগুলি তার মধ্যে স্বাধীনভাবে প্রবেশ করতে পারে। এটি ধাতু পরিবেশকের ক্ষেত্রে ঘটে।

যদি পরিবেশন ব্যান্ড এবং ব্যালেন্স ব্যান্ডের মধ্যে কোনো ফাকা থাকে, তবে ব্যালেন্স ব্যান্ডের ইলেকট্রনগুলি সব বাঁধা থাকবে এবং পরিবেশন ব্যান্ডে কোনো মুক্ত ইলেকট্রন উপলব্ধ হবে না। এটি বস্তুকে একটি পরিবেশক করে