সিলেট বোর্ড ২০১৫ — সেমিকন্ডাক্টর ও ইলেকট্রনিক্স সৃজনশীল প্রশ্ন ও সমাধান

প্রায় 1370 কোটি বছর আগে অসীম ঘনত্ব ও তাপমাত্রার একটি অতি ক্ষুদ্র বিন্দু (সিঙ্গুলারিটি) থেকে এক মহাবিস্ফোরণের মাধ্যমে মহাবিশ্বের সৃষ্টি ও সম্প্রসারণ শুরু হয়েছিল; এই মহাবিস্ফোরণকে বিগ ব্যাং বলে।

পরিবাহীতে প্রচুর মুক্ত ইলেকট্রন থাকে এবং তাপমাত্রা বাড়লে এদের সংখ্যা প্রায় অপরিবর্তিত থাকে। কিন্তু তাপমাত্রা বাড়লে পরমাণুগুলোর কম্পন বাড়ে, ফলে ইলেকট্রনের সাথে সংঘর্ষ বেড়ে যায়। তাই পরিবাহীর রোধ তাপমাত্রা বৃদ্ধিতে বাড়ে, অর্থাৎ এর রোধের উষ্ণতা সহগ ধনাত্মক।

অপরদিকে অর্ধপরিবাহীতে তাপমাত্রা বাড়লে অধিকসংখ্যক সমযোজী বন্ধন ভেঙে নতুন ইলেকট্রন-হোল জোড় সৃষ্টি হয়, ফলে আধান বাহকের সংখ্যা দ্রুত বৃদ্ধি পায়।

বাহকের সংখ্যা বৃদ্ধির প্রভাব সংঘর্ষ বৃদ্ধির প্রভাবের চেয়ে অনেক বেশি হওয়ায় অর্ধপরিবাহীর রোধ তাপমাত্রা বৃদ্ধিতে কমে যায়, অর্থাৎ এর রোধের উষ্ণতা সহগ ঋণাত্মক।

এভাবে তাপমাত্রা বাড়লে পরিবাহীর রোধ বাড়ে কিন্তু অর্ধপরিবাহীর রোধ কমে।

প্রশ্নের প্রথম অংশ মূল উৎসে অস্পষ্ট; গাইড বই অনুসারে প্রশ্নটি "A মৌল দ্বারা ডোপিং করলে সিলিকনের কেলাস গঠনে কিরূপ পরিবর্তন ঘটে চিত্রসহ বর্ণনা কর" ধরা হয়েছে।

বিশুদ্ধ সিলিকন চতুর্যোজী মৌল; এর কেলাসে প্রতিটি সিলিকন পরমাণু পার্শ্ববর্তী চারটি সিলিকন পরমাণুর সাথে একটি করে ইলেকট্রন শেয়ার করে চারটি সমযোজী বন্ধন গঠন করে। ফলে কক্ষ তাপমাত্রায় মুক্ত আধান বাহক খুব কম থাকে।

এখন সিলিকনে সামান্য পরিমাণ ত্রিযোজী মৌল A (যেমন: বোরন, অ্যালুমিনিয়াম, গ্যালিয়াম) ডোপিং করলে কেলাসের কিছু সিলিকন পরমাণুর স্থান A পরমাণু দখল করে।

A পরমাণুর যোজ্যতা ইলেকট্রন মাত্র তিনটি, তাই এটি পার্শ্ববর্তী তিনটি সিলিকন পরমাণুর সাথে পূর্ণ সমযোজী বন্ধন গঠন করে, কিন্তু চতুর্থ সিলিকন পরমাণুর সাথে বন্ধনে একটি ইলেকট্রনের ঘাটতি থাকে। এই ঘাটতিকেই হোল বলে, যা ধনাত্মক আধানের মতো আচরণ করে (চিত্রে বোরন, B এর ক্ষেত্রে দেখানো হলো)।

পাশের কোনো বন্ধন থেকে একটি ইলেকট্রন এই হোল পূরণ করলে সেখানে নতুন হোল সৃষ্টি হয়; এভাবে হোল কেলাসে চলাচল করে তড়িৎ পরিবহন করে। প্রতিটি A পরমাণু একটি করে ইলেকট্রন গ্রহণ করে বলে একে গ্রাহক (acceptor) অপদ্রব্য বলে।

অতএব, A মৌল ডোপিং করলে সিলিকনের কেলাসে প্রচুর হোল সৃষ্টি হয়, হোল সংখ্যাগুরু ও ইলেকট্রন সংখ্যালঘু বাহক হয় এবং সিলিকনটি p-টাইপ অর্ধপরিবাহীতে পরিণত হয়; এর পরিবাহিতাও বহুগুণ বেড়ে যায়।

সিলিকন খণ্ডের কিছু অংশে ত্রিযোজী মৌল A এবং বাকি অংশে পঞ্চযোজী মৌল B ডোপিং করলে একই কেলাসে একটি p-টাইপ অংশ ও একটি n-টাইপ অংশ পাওয়া যায়। এদের সংযোগস্থলে p-n জংশন তৈরি হয়; অর্থাৎ প্রাপ্ত যন্ত্রাংশটি একটি p-n জংশন ডায়োড।

জংশন তৈরির সাথে সাথে n-অংশের ইলেকট্রন p-অংশে এবং p-অংশের হোল n-অংশে ব্যাপিত হয়ে পুনর্মিলিত হয়, ফলে জংশনের দুই পাশে স্থির আয়নের একটি নিঃশেষিত স্তর ও বিভব প্রাচীর গড়ে ওঠে।

সম্মুখ ঝোঁকে (p-অংশ ধনাত্মক) বিভব প্রাচীর কমে যায় বলে ডায়োডের রোধ খুব কম হয় এবং প্রবাহ চলে; বিমুখী ঝোঁকে বিভব প্রাচীর বেড়ে যায় বলে রোধ খুব বেশি হয় এবং প্রবাহ প্রায় বন্ধ থাকে। অর্থাৎ ডায়োড কেবল একদিকে প্রবাহ চলতে দেয়।

ডায়োডের এই একমুখী পরিবহন ধর্মের জন্য একে একমুখীকারক বা রেক্টিফায়ার হিসেবে, অর্থাৎ পরিবর্তী প্রবাহকে (AC) একমুখী প্রবাহে (DC) রূপান্তরের কাজে ব্যবহার করা যায়। নিচে একটি ডায়োড দিয়ে তৈরি অর্ধতরঙ্গ রেক্টিফায়ারের বর্তনী ও এর ইনপুট-আউটপুট তরঙ্গরূপ দেখানো হলো।

ইনপুট AC এর ধনাত্মক অর্ধচক্রে ডায়োডটি সম্মুখ ঝোঁকে থাকে, তাই লোড রোধ R_L এর মধ্য দিয়ে প্রবাহ চলে এবং আউটপুটে বিভব পাওয়া যায়। ঋণাত্মক অর্ধচক্রে ডায়োডটি বিমুখী ঝোঁকে থাকে, তাই কোনো প্রবাহ চলে না এবং আউটপুট শূন্য হয়। ফলে R_L এর মধ্য দিয়ে সর্বদা একই দিকে প্রবাহ চলে।

এছাড়া চারটি ডায়োডের সাহায্যে পূর্ণ তরঙ্গ ব্রিজ রেক্টিফায়ার তৈরি করা যায় এবং বিশেষভাবে তৈরি p-n জংশন ডায়োড জেনার ডায়োড (বিভব নিয়ন্ত্রক), LED, ফটোডায়োড ও সৌরকোষ হিসেবেও ব্যবহৃত হয়।

অতএব, প্রাপ্ত যন্ত্রাংশটি একটি p-n জংশন ডায়োড, যা প্রধানত AC কে DC তে রূপান্তরের জন্য রেক্টিফায়ার হিসেবে ব্যবহার করা যায়।