ইলেকট্রনিক ডিভাইস

একটি বিচ্ছিন্ন স্বাধীন পরমাণুর ক্ষেত্রে ইলেকট্রনগুলো বোরের তত্ত্ব অনুযায়ী নির্দিষ্ট বিচ্ছিন্ন (discrete) শক্তিস্তরে অবস্থান করে। কিন্তু একটি কঠিন ক্লাসে যখন লক্ষ লক্ষ পরমাণু অতি ক্ষুদ্র দূরত্বের ব্যবধানে (প্রায় 2-3 Å) পরস্পরের সান্নিধ্যে আসে, তখন পাউলির অপবর্জন নীতি (Pauli's Exclusion Principle) অনুসারে সংলগ্ন পরমাণুগুলির সর্ববহিঃস্থ কক্ষপথের ইলেকট্রনগুলির পারস্পরিক মিথস্ক্রিয়ায় প্রতিটি মূল শক্তিস্তর অসংখ্য অত্যন্ত কাছাকাছি থাকা উপস্তরে বিভক্ত হয়ে পড়ে। এই অতি নিকটবর্তী শক্তিস্তরগুলির অবিচ্ছিন্ন সমষ্টিকে শক্তি ব্যান্ড (Energy Band) বলা হয়।

কঠিন পদার্থের শক্তি ব্যান্ডের প্রধান তিনটি অংশ রয়েছে:

• যোজ্যতা ব্যান্ড (Valence Band - VB): পরম শূন্য উষ্ণতায় যোজ্যতা ইলেকট্রন দ্বারা অধিকৃত সর্বোচ্চ পূর্ণ বা আংশিক পূর্ণ শক্তি ব্যান্ডকে যোজ্যতা ব্যান্ড বলা হয়। এই ব্যান্ডের ইলেকট্রনগুলি সমযোজী বন্ধনে আবদ্ধ থাকায় সরাসরি তড়িৎ পরিবহনে অংশ নেয় না।
• পরিবহন ব্যান্ড (Conduction Band - CB): যোজ্যতা ব্যান্ডের ঠিক উপরে অবস্থিত সর্বনিম্ন ফাঁকা বা আংশিক পূর্ণ শক্তি ব্যান্ড হলো পরিবহন ব্যান্ড। এখানে উপস্থিত ইলেকট্রনগুলি ক্লাসের মধ্যে মুক্তভাবে চলাচল করতে পারে এবং তড়িৎ পরিবহনে ভূমিকা রাখে।
• নিষিদ্ধ শক্তি ব্যবধান (Forbidden Energy Gap - E_g): যোজ্যতা ব্যান্ডের শীর্ষবিন্দু (E_v) এবং পরিবহন ব্যান্ডের তলদেশের (E_c) মধ্যবর্তী শূন্য শক্তি অন্তরকে নিষিদ্ধ ব্যবধান বলা হয় (E_g = E_c - E_v)। এই ব্যবধানে কোনো ইলেকট্রন অবস্থান করতে পারে না।

কোনো প্রকার অপদ্রব্য মুক্ত অত্যন্ত বিশুদ্ধ সিলিকন বা জার্মেনিয়াম ক্লাসকে বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহী বলে। চতুর্যোজী Si বা Ge ক্লাসে প্রতিটি পরমাণু তার পার্শ্ববর্তী চারটি পরমাণুর সাথে চারটি সমযোজী বন্ধন তৈরি করে। সাধারণ কক্ষ তাপমাত্রায় (300 K) তাপীয় আলোড়নের ফলে কিছু সমযোজী বন্ধন ভেঙে যায় এবং ইলেকট্রন মুক্ত হয়ে পরিবহন ব্যান্ডে পৌঁছায়। যোজ্যতা ব্যান্ডে মুক্ত ইলেকট্রনের মূল স্থানে একটি ধনাত্মক আধানযুক্ত শূন্যস্থান সৃষ্টি হয়, যাকে হোল (Hole) বলা হয়।

• বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীতে ইলেকট্রন ঘনত্ব (n_e) এবং হোল ঘনত্ব (n_h) সর্বদা সমান থাকে: n_e = n_h = n_i (যেখানে n_i হলো স্বকীয় বা অন্তর্নিহিত বাহক ঘনত্ব)।
• মোট তড়িৎপ্রবাহ হলো ইলেকট্রন প্রবাহ ও হোল প্রবাহের বীজগাণিতিক যোগফল: I = I_e + I_h
• তড়িৎ পরিবাহিতা: σ = e(n_eμ_e + n_hμ_h) = e n_i(μ_e + μ_h) (যেখানে μ_e ও μ_h যথাক্রমে ইলেকট্রন ও হোলের গতিশীলতা)।

বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীর পরিবাহিতা নিয়ন্ত্রিত ও বহুগুণে বৃদ্ধি করার জন্য অত্যন্ত নিয়ন্ত্রিত মাত্রায় (প্রতি 10⁶ থেকে 10⁸ পরমাণুতে একটি অপদ্রব্য) উপযুক্ত অপদ্রব্য পরমাণু মেশানোর প্রক্রিয়াকে ডোপিং (Doping) বলে। ডোপিং-এর প্রকৃতির ওপর ভিত্তি করে অবিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহী দুই প্রকার:

তাপীয় সাম্যাবস্থায় যেকোনো অর্ধপরিবাহীতে (বিশুদ্ধ বা অবিশুদ্ধ) মুক্ত ইলেকট্রন ঘনত্ব (n_e) এবং হোল ঘনত্বের (n_h) গুণফল সর্বদা একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় ধ্রুবক থাকে এবং তা বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীর স্বকীয় ঘনত্বের বর্গের সমান হয়:

এই সমীকরণ থেকে স্পষ্ট যে, n-টাইপ ক্লাসে ফসফরাস ডোপিং করে n_e বাড়ালে স্বতঃস্ফূর্ত পুনর্মিলনের (recombination) কারণে লঘিষ্ঠ বাহক হোলের ঘনত্ব n_h স্বকীয় মান n_i-এর চেয়ে বহুগুণ হ্রাস পায়।

যখন একটি অবিচ্ছিন্ন একক সিলিকন ক্লাসের একাংশকে ত্রিযোজী অপদ্রব্য দিয়ে p-টাইপ এবং অপরাংশকে পঞ্চযোজী অপদ্রব্য দিয়ে n-টাইপ করা হয়, তখন তাদের সংযোগস্থলকে p-n সংযোগ (p-n Junction) বলে। সংযোগ তৈরির সাথে সাথে দুটি বিপরীত প্রক্রিয়া শুরু হয়:

• ব্যাপন প্রক্রিয়া (Diffusion): ঘনত্বের পার্থক্যের জন্য p-অঞ্চল থেকে গরিষ্ঠ বাহক হোল n-অঞ্চলের দিকে এবং n-অঞ্চল থেকে গরিষ্ঠ বাহক ইলেকট্রন p-অঞ্চলের দিকে ব্যাপিত হতে থাকে। একে ব্যাপন প্রবাহ (I_diff) বলে।
• নিঃশেষিত স্তর (Depletion Layer): সংযোগস্থলের কাছাকাছি অঞ্চলে ইলেকট্রন ও হোলের পুনর্মিলনের ফলে p-পাশে ঋণাত্মক গ্রাহক আয়ন (অচল আয়ন) এবং n-পাশে ধনাত্মক দাতা আয়ন অনাবৃত হয়ে পড়ে। এই অঞ্চলে কোনো মুক্ত আধান বাহক থাকে না, তাই একে নিঃশেষিত স্তর বলে (বেধ প্রায় 0.5 μm থেকে 1 μm)।
• বিভব প্রাচীর (Barrier Potential - V₀): অনাবৃত নিশ্চল আয়নগুলির কারণে n-অঞ্চল থেকে p-অঞ্চলের অভিমুখে একটি অভ্যন্তরীণ তীব্র তড়িৎক্ষেত্র (E ≈ 10⁶ V/m) গড়ে ওঠে, যা একটি বিভব পার্থক্যের সৃষ্টি করে। একে বিভব প্রাচীর বলে। কক্ষ তাপমাত্রায় Ge-এর ক্ষেত্রে V₀ ≈ 0.3 V এবং Si-এর ক্ষেত্রে V₀ ≈ 0.7 V।
• তাড়না প্রক্রিয়া (Drift): অভ্যন্তরীণ তড়িৎক্ষেত্রের প্রভাবে p-অঞ্চল থেকে লঘিষ্ঠ ইলেকট্রন n-অঞ্চলে এবং n-অঞ্চল থেকে লঘিষ্ঠ হোল p-অঞ্চলে চালিত হয়, যা তাড়না প্রবাহ (I_drift) তৈরি করে। সাম্যাবস্থায়: I_diff = I_drift, ফলে কোনো নীট প্রবাহ চলে না।

p-n ডায়োডে বাহ্যিক ভোল্টেজ প্রয়োগের দুটি পদ্ধতি রয়েছে:

• সম্মুখ বায়াস (Forward Bias): ব্যাটারির ধনাত্মক মেরু p-অঞ্চলের সাথে এবং ঋণাত্মক মেরু n-অঞ্চলের সাথে যুক্ত করলে অভ্যন্তরীণ তড়িৎক্ষেত্রের বিপরীত দিকে বাহ্যিক ক্ষেত্র ক্রিয়া করে। ফলে কার্যকরী বিভব প্রাচীর কমে দাঁড়ায় (V₀ - V_F) এবং ডিপ্লেশন স্তরের বেধ হ্রাস পায়। যখন V_F > V₀ (হাঁটু ভোল্টেজ বা Knee Voltage) হয়, তখন প্রবাহ সূচকীয় হারে দ্রুত বৃদ্ধি পায় (mA ক্রমে)। সম্মুখ গতীয় রোধ: r_f = ΔV_F / ΔI_F (প্রায় 10 Ω থেকে 100 Ω)।
• বিপরীত বায়াস (Reverse Bias): ব্যাটারির ধনাত্মক মেরু n-অঞ্চলের সাথে এবং ঋণাত্মক মেরু p-অঞ্চলের সাথে যুক্ত করলে কার্যকরী বিভব প্রাচীর বৃদ্ধি পায় (V₀ + V_R) এবং ডিপ্লেশন স্তর চওড়া হয়। গরিষ্ঠ বাহকের প্রবাহ সম্পূর্ণ বন্ধ থাকে, কেবল তাপীয়ভাবে উৎপন্ন লঘিষ্ঠ বাহকের জন্য অতি ক্ষুদ্র বিপরীত সম্পৃক্ত প্রবাহ (I_s) প্রবাহিত হয় (Ge-এর জন্য μA এবং Si-এর জন্য nA ক্রমে)। বিপরীত গতীয় রোধ অত্যন্ত উচ্চ হয় (প্রায় 10⁶ Ω বা MΩ ক্রমে)।

পরিবর্তী প্রবাহকে (AC) একমুখী প্রবাহে (DC) রূপান্তর করার প্রক্রিয়াকে একমুখীকরণ বা রেকটিফিকেশন বলে। p-n জাংশন ডায়োডের সম্মুখ বায়াসে কম রোধ এবং বিপরীত বায়াসে অসীম রোধের বৈশিষ্ট্যকে কাজে লাগিয়ে এটি করা হয়।

জেনার ডায়োডকে সর্বদা বিপরীত বায়াসে বৈকল্য অঞ্চলে চালনা করা হয়। এই অঞ্চলে জেনার কারেন্ট (I_z) ব্যাপক পরিবর্তিত হলেও ডায়োডের প্রান্তীয় ভোল্টেজ ধ্রুবক (V_z) থাকে। একটি উপযুক্ত শ্রেণী রোধক (R_s) ব্যবহার করে অনিয়ন্ত্রিত ইনপুট ভোল্টেজ বা লোড রোধের পরিবর্তনেও লোডের দুই প্রান্তে স্থির ডিসি ভোল্টেজ পাওয়া যায়:

• আলোক নিঃসারক ডায়োড (LED): সম্মুখ বায়াসে চালিত প্রত্যক্ষ ব্যান্ডগ্যাপ (Direct Bandgap) অর্ধপরিবাহী (GaAs, GaP বা GaAsP)। সম্মুখ বায়াসে যোজ্যতা ব্যান্ডের হোল ও পরিবহন ব্যান্ডের ইলেকট্রন পুনর্মিলিত হয়ে ফোটন আকারে আলো বিকিরণ করে (hν = E_g)। দৃশ্যমান আলোর জন্য E_g ≥ 1.8 eV হতে হয়। তরঙ্গদৈর্ঘ্য: λ = hc / E_g ≈ 12400 / E_g(eV) Å।
• ফটোডায়োড (Photodiode): বিপরীত বায়াসে চালিত আলোক সংবেদী p-n জাংশন। যখন জাংশনে E_g-এর চেয়ে বেশি শক্তির আলো আপতিত হয়, তখন নতুন ইলেকট্রন-হোল যুগল তৈরি হয়ে বিপরীত প্রবাহ বৃদ্ধি করে।
  বোর্ড প্রশ্ন: ফটোডায়োড কেন সর্বদা বিপরীত বায়াসে ব্যবহার করা হয়?
  কারণ: আলো পড়লে অতিরিক্ত বাহক Δn এবং Δp সমান হারে উৎপন্ন হয়। কিন্তু বিপরীত বায়াসে লঘিষ্ঠ বাহকের প্রাথমিক সংখ্যা অত্যন্ত কম থাকায় ভগ্নাংশ পরিবর্তন (ΔI_rev / I_rev) সম্মুখ বায়াসের (ΔI_fwd / I_fwd) তুলনায় কয়েক কোটি গুণ বেশি ও সুস্পষ্ট হয়।
• সৌরকোষ (Solar Cell): কোনো বাহ্যিক বায়াস ছাড়াই কাজ করে এমন p-n জাংশন যা ফটোভোল্টাইক ক্রিয়ায় আলোক শক্তিকে সরাসরি বিদ্যুৎ শক্তিতে রূপান্তর করে। এর V-I লেখচিত্র সর্বদা চতুর্থ চতুর্থাংশে (4th quadrant) অবস্থান করে। প্রধান বৈশিষ্ট্য: ওপেন-সার্কিট ভোল্টেজ (V_oc), শর্ট-সার্কিট কারেন্ট (I_sc) এবং ফিল ফ্যাক্টর: FF = (V_m × I_m) / (V_oc × I_sc)।

বাইপোলার জংশন ট্রানজিস্টর (BJT) হলো একটি তিন-প্রান্তিক (three-terminal) ও দ্বি-সংযোগ বিশিষ্ট অর্ধপরিবাহী ডিভাইস। এতে দুটি প্রকার রয়েছে: npn এবং pnp। প্রতিটি ট্রানজিস্টরের তিনটি অংশ থাকে:

• নিঃসারক (Emitter - E): সর্বাধিক উচ্চ ডোপিং যুক্ত এবং মাঝারি আকারের অঞ্চল। এর কাজ হলো প্রচুর সংখ্যায় আধান বাহক (npn-এ ইলেকট্রন) ভূমির দিকে নিঃসরিত করা।
• ভূমি (Base - B): কেন্দ্রস্থলে অবস্থিত অতি পাতলা (প্রায় 1 μm) এবং অত্যন্ত মৃদু ডোপিং যুক্ত অঞ্চল। এটি নিঃসারক থেকে আসা অধিকাংশ বাহককে প্রায় অবিকৃত অবস্থায় সংগ্রাহকে যেতে দেয় (মাত্র 2% থেকে 5% বাহক পুনর্মিলিত হয়)।
• সংগ্রাহক (Collector - C): পরিমিত বা মাঝারি ডোপিং যুক্ত কিন্তু আকারে বৃহত্তম অঞ্চল। এর আকার বড় রাখার কারণ হলো সংগ্রাহক সংযোগে উৎপন্ন তাপ যেন দ্রুত পরিবেশে ছড়িয়ে পড়তে পারে।

সক্রিয় মোডে (Active Mode) ট্রানজিস্টর চালনার নিয়ম:

• নিঃসারক-ভূমি সংযোগ (E-B Junction) সর্বদা সম্মুখ বায়াসে (Forward Bias) থাকবে।
• সংগ্রাহক-ভূমি সংযোগ (C-B Junction) সর্বদা বিপরীত বায়াসে (Reverse Bias) থাকবে।

কার্শফের প্রথম সূত্রানুসারে ট্রানজিস্টরের তিনটি প্রান্তের প্রবাহের মধ্যে মৌলিক সম্পর্ক:

সাধারণ ভূমি (CB) এবং সাধারণ নিঃসারক (CE) বিন্যাসে প্রবাহ গুণক:

• সাধারণ ভূমি ডিসি প্রবাহ লাভ (α): সংগ্রাহক প্রবাহ ও নিঃসারক প্রবাহের অনুপাত: α = I_C / I_E (বাস্তবে এর মান 0.95 থেকে 0.995 এর মধ্যে থাকে, সর্বদা α < 1)।
• সাধারণ নিঃসারক ডিসি প্রবাহ লাভ (β বা h_FE): সংগ্রাহক প্রবাহ ও ভূমি প্রবাহের অনুপাত: β = I_C / I_B (বাস্তবে এর মান 20 থেকে 300 বা ততোধিক হয়)।

CE বিবর্ধকে একটি ক্ষুদ্র এসি ইনপুট সিগন্যাল (v_in) বেস ও এমিটারের মধ্যে প্রয়োগ করা হয় এবং বিবর্ধিত আউটপুট সংগ্রাহক ও এমিটারের মধ্যবর্তী লোড রোধক (R_L) থেকে নেওয়া হয়।

• ভোল্টেজ লাভ (Voltage Gain): A_v = -g_m R_L = -β × (R_L / r_i) (যেখানে r_i হলো ইনপুট রোধ)। ঋণাত্মক চিহ্ন ১৮০° দশা পরিবর্তন নির্দেশ করে।
• ক্ষমতা লাভ (Power Gain): A_p = β × |A_v| = β² × (R_L / r_i)
• ১৮০° দশা পরিবর্তনের ভৌত কারণ: আউটপুট লুপের সমীকরণ হলো V_CE = V_CC - I_C R_L। ইনপুট সিগন্যালের ধনাত্মক অর্ধচক্রে বেস সম্মুখ বায়াস বৃদ্ধি পায়, ফলে I_B বাড়ে এবং I_C বৃদ্ধি পায়। সমীকরণ অনুযায়ী I_C R_L বৃদ্ধি পাওয়ায় আউটপুট ভোল্টেজ V_CE হ্রাস পায়। অর্থাৎ ইনপুট যখন ধনাত্মক দিকে বৃদ্ধি পায়, আউটপুট তখন ঋণাত্মক দিকে পরিবর্তিত হয়। একেই ১৮০° দশা বৈপরীত্য (phase inversion) বলা হয়।

অ্যানালগ সংকেতে ভোল্টেজ বা কারেন্টের মান সময়ের সাথে অবিচ্ছিন্নভাবে (continuous) পরিবর্তিত হয়। অপরপক্ষে, ডিজিটাল সংকেতে ভোল্টেজের কেবল দুটি সুস্পষ্ট স্তর থাকে: লজিক 0 (নিম্ন স্তর, 0 V) এবং লজিক 1 (উচ্চ স্তর, +5 V)।

NAND এবং NOR গেটকে সার্বজনীন গেট বলা হয় কারণ শুধুমাত্র এই গেটগুলি যথাযথভাবে বিন্যস্ত করে যেকোনো মৌলিক গেট (NOT, OR, AND) বা যেকোনো জটিল ডিজিটাল লজিক সার্কিট তৈরি করা সম্ভব।

• NAND গেট: AND গেটের সাথে NOT গেটের সংযোগ: Y = (A ⋅ B)̅। সব ইনপুট 1 হলেই কেবল আউটপুট 0 হয়, অন্যথায় আউটপুট 1।
• NOR গেট: OR গেটের সাথে NOT গেটের সংযোগ: Y = (A + B)̅। সব ইনপুট 0 হলেই কেবল আউটপুট 1 হয়, অন্যথায় আউটপুট 0।

ডিজিটাল সার্কিট সরলীকরণের জন্য অগাস্টাস ডিমরগ্যান দুটি মৌলিক উপপাদ্য প্রদান করেন:

• প্রথম উপপাদ্য: দুটি চলকের যৌক্তিক যোগের পূরক তাদের পৃথক পূরকের যৌক্তিক গুণের সমান:
  (A + B)̅ = A̅ ⋅ B̅ (অর্থাৎ NOR গেট একটি বাবলড-AND গেটের সমতুল্য)।
• দ্বিতীয় উপপাদ্য: দুটি চলকের যৌক্তিক গুণের পূরক তাদের পৃথক পূরকের যৌক্তিক যোগের সমান:
  (A ⋅ B)̅ = A̅ + B̅ (অর্থাৎ NAND গেট একটি বাবলড-OR গেটের সমতুল্য)।