কুমিল্লা বোর্ড ২০১৫ — সেমিকন্ডাক্টর ও ইলেকট্রনিক্স সৃজনশীল প্রশ্ন ও সমাধান

প্রকৃতিতে যে সকল বল অন্য কোনো বলের রূপান্তর বা প্রকাশ নয়, বরং অন্যান্য সকল বল এদের থেকে উদ্ভূত হয়, সেগুলোকে মৌলিক বল বলে। মৌলিক বল চার প্রকার: মহাকর্ষ বল, তড়িৎচৌম্বক বল, সবল নিউক্লীয় বল ও দুর্বল নিউক্লীয় বল।

বিশুদ্ধ বা অন্তর্নিহিত অর্ধপরিবাহীতে কক্ষ তাপমাত্রায় খুব অল্পসংখ্যক সমযোজী বন্ধন ভাঙে, ফলে মুক্ত ইলেকট্রন ও হোলের সংখ্যা খুব কম থাকে এবং এর তড়িৎ পরিবাহিতা অত্যন্ত কম।

তাছাড়া বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীতে ইলেকট্রন ও হোলের সংখ্যা সমান থাকে, তাই কোন ধরনের আধান বাহক প্রধান হবে তা নিয়ন্ত্রণ করা যায় না।

বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীতে সামান্য পরিমাণ ত্রিযোজী বা পঞ্চযোজী মৌল ডোপিং করলে অবিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহী পাওয়া যায়, যার পরিবাহিতা বহুগুণ বেড়ে যায় এবং ডোপিং এর মাত্রা দিয়ে তা নিয়ন্ত্রণ করা যায়।

এভাবে p-টাইপ ও n-টাইপ অর্ধপরিবাহী তৈরি করে এদের সংযোগে ডায়োড, ট্রানজিস্টর, আইসি ইত্যাদি ইলেকট্রনিক যন্ত্রাংশ তৈরি করা হয়। তাই ইলেকট্রনিক্সে অবিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহী অপরিহার্য।

ত্রিযোজী মৌল X দ্বারা ডোপিং করা অংশটি p-টাইপ এবং পঞ্চযোজী মৌল Y দ্বারা ডোপিং করা অংশটি n-টাইপ অর্ধপরিবাহী। এদের সংযোগে তৈরি ডায়োডটি একটি p-n জংশন ডায়োড। নিচে এর সম্মুখ ঝোঁক ও বিমুখী ঝোঁকের বায়াস বর্তনী দেখানো হলো।

সম্মুখ ঝোঁক (চিত্র a): ব্যাটারির ধনাত্মক প্রান্ত p-অংশের সাথে এবং ঋণাত্মক প্রান্ত n-অংশের সাথে যুক্ত। এতে p-অংশের হোল ও n-অংশের ইলেকট্রন জংশনের দিকে বিকর্ষিত হয়, নিঃশেষিত স্তর সরু হয় এবং বিভব প্রাচীর কমে যায়। ফলে সংখ্যাগুরু বাহকের জন্য বর্তনীতে উল্লেখযোগ্য প্রবাহ I চলে।

বিমুখী ঝোঁক (চিত্র b): ব্যাটারির ধনাত্মক প্রান্ত n-অংশের সাথে এবং ঋণাত্মক প্রান্ত p-অংশের সাথে যুক্ত। এতে সংখ্যাগুরু বাহকগুলো জংশন থেকে দূরে সরে যায়, নিঃশেষিত স্তর প্রশস্ত হয় এবং বিভব প্রাচীর বেড়ে যায়। ফলে সংখ্যাগুরু বাহকের প্রবাহ বন্ধ হয়ে যায়, কেবল সংখ্যালঘু বাহকের জন্য নগণ্য বিমুখী প্রবাহ (μA ক্রমের) চলে।

X ত্রিযোজী মৌল বলে একে সিলিকন খণ্ডের মাঝখানে ডোপিং করলে মাঝের সরু অংশ p-টাইপ এবং দুই পাশ n-টাইপ হয়; তাই আমার তৈরি ট্রানজিস্টরটি npn ট্রানজিস্টর। অপরদিকে Y পঞ্চযোজী মৌল বলে বন্ধুর ট্রানজিস্টরের মাঝের অংশ n-টাইপ ও দুই পাশ p-টাইপ, অর্থাৎ এটি pnp ট্রানজিস্টর। উভয় ক্ষেত্রেই নিঃসারক-পীঠ জংশন সম্মুখ ঝোঁকে এবং সংগ্রাহক-পীঠ জংশন বিমুখী ঝোঁকে রাখা হয় (চিত্র)।

$npn$ ট্রানজিস্টর (চিত্র a): নিঃসারক-পীঠ জংশন সম্মুখ ঝোঁকে থাকায় নিঃসারকের (n) সংখ্যাগুরু বাহক ইলেকট্রন পীঠে প্রবেশ করে। পীঠ খুব সরু ও স্বল্প ডোপিংকৃত বলে এদের খুব সামান্য অংশ (প্রায় 2%–5%) পীঠের হোলের সাথে পুনর্মিলিত হয়ে বেস প্রবাহ I_B সৃষ্টি করে। বাকি প্রায় সব ইলেকট্রন সংগ্রাহকের ধনাত্মক বিভবের আকর্ষণে সংগ্রাহকে পৌঁছে সংগ্রাহক প্রবাহ I_C সৃষ্টি করে। ইলেকট্রন নিঃসারক থেকে সংগ্রাহকের দিকে যায় বলে প্রচলিত প্রবাহ বহিঃবর্তনীতে সংগ্রাহকে প্রবেশ করে নিঃসারক দিয়ে বেরিয়ে আসে।

$pnp$ ট্রানজিস্টর (চিত্র b): এখানে নিঃসারকের (p) সংখ্যাগুরু বাহক হোল সম্মুখ ঝোঁকের প্রভাবে পীঠে প্রবেশ করে। এর সামান্য অংশ পীঠের ইলেকট্রনের সাথে পুনর্মিলিত হয়ে I_B সৃষ্টি করে এবং অধিকাংশ হোল সংগ্রাহকের ঋণাত্মক বিভবের আকর্ষণে সংগ্রাহকে পৌঁছে I_C সৃষ্টি করে। হোলের প্রবাহের দিকই প্রচলিত প্রবাহের দিক, তাই প্রবাহ নিঃসারক দিয়ে প্রবেশ করে সংগ্রাহক ও পীঠ দিয়ে বেরিয়ে আসে।

উভয় ট্রানজিস্টরে প্রবাহের সম্পর্ক একই, I_E=I_B+I_C এবং I_C≈I_E। পার্থক্য হলো, npn ট্রানজিস্টরে প্রবাহের প্রধান বাহক ইলেকট্রন এবং pnp ট্রানজিস্টরে হোল; ফলে দুটির ব্যাটারির পোলারিটি ও বহিঃবর্তনীতে প্রবাহের দিক পরস্পর বিপরীত। আবার ইলেকট্রনের সচলতা হোলের চেয়ে বেশি বলে npn ট্রানজিস্টরে আধান বাহক দ্রুত চলাচল করে।

অতএব, আমার তৈরি npn ট্রানজিস্টরে ইলেকট্রনের মাধ্যমে এবং বন্ধুর তৈরি pnp ট্রানজিস্টরে হোলের মাধ্যমে প্রবাহ চলে; প্রবাহের দিক বিপরীত হলেও কার্যনীতি একই, তবে npn ট্রানজিস্টর দ্রুততর সাড়া দেয় বলে অধিক কার্যকর।