इलेक्ट्रॉनिक युक्तियां

एक विलगित (isolated) परमाणु में इलेक्ट्रॉन बोर सिद्धांत के अनुसार असंतत एवं निश्चित ऊर्जा स्तरों में रहते हैं। किंतु जब ठोस क्रिस्टल में करोड़ों परमाणु एक-दूसरे के अत्यंत निकट (लगभग 2-3 Å दूरी पर) आते हैं, तब पॉली के अपवर्जन नियम (Pauli's Exclusion Principle) के अनुसार निकटवर्ती परमाणुओं के सबसे बाहरी कोश के इलेक्ट्रॉनों के मध्य पारस्परिक अंतःक्रिया के कारण प्रत्येक एकल ऊर्जा स्तर अत्यंत सूक्ष्म अंतरालों वाले अनगिनत उप-स्तरों में विभक्त हो जाता है। इन अति सघन ऊर्जा स्तरों के सतत समूह को ऊर्जा बैंड (Energy Band) कहा जाता है।

• संयोजकता बैंड (Valence Band - VB): परम शून्य ताप पर संयोजी इलेक्ट्रॉनों द्वारा भरा गया उच्चतम ऊर्जा बैंड संयोजकता बैंड कहलाता है। इस बैंड के इलेक्ट्रॉन सहसंयोजक बंधों में बंधे होते हैं और सामान्यतः सीधे विद्युत चालन में भाग नहीं लेते।
• चालन बैंड (Conduction Band - CB): संयोजकता बैंड के ठीक ऊपर स्थित न्यूनतम रिक्त अथवा आंशिक रूप से भरा ऊर्जा बैंड चालन बैंड कहलाता है। इसमें उपस्थित इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल में गति करने के लिए पूर्णतः स्वतंत्र होते हैं और विद्युत धारा प्रवाहित करते हैं।
• वर्जित ऊर्जा अंतराल (Forbidden Energy Gap - E_g): संयोजकता बैंड के शीर्ष (E_v) तथा चालन बैंड के तल (E_c) के बीच का ऊर्जा अंतर वर्जित ऊर्जा अंतराल कहलाता है (E_g = E_c - E_v)। इस अंतराल में किसी भी इलेक्ट्रॉन का पाया जाना क्वांटम नियमों के अनुसार असंभव है।

किसी भी अशुद्धि से पूर्णतः मुक्त शुद्ध सिलिकॉन या जर्मेनियम क्रिस्टल को नैज अर्धचालक कहते हैं। चतुर्थ संयोजी Si में प्रत्येक परमाणु अपने निकटवर्ती चार परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंध बनाता है। कमरे के ताप (300 K) पर ऊष्मीय विक्षोभ के कारण कुछ सहसंयोजक बंध टूट जाते हैं और इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में चले जाते हैं। संयोजकता बैंड में इलेक्ट्रॉन के स्थान पर धनात्मक आवेशित रिक्ति छूट जाती है जिसे होल (Hole या कोटर) कहते हैं।

• नैज अर्धचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉन घनत्व (n_e) और होल घनत्व (n_h) सदैव समान होते हैं: n_e = n_h = n_i (जहाँ n_i नैज वाहक सांद्रता है)।
• कुल विद्युत धारा: I = I_e + I_h
• विद्युत चालकता: σ = e(n_eμ_e + n_hμ_h) = e n_i(μ_e + μ_h) (जहाँ μ_e और μ_h क्रमशः इलेक्ट्रॉन व होल की गतिशीलता हैं)।

शुद्ध अर्धचालक की चालकता को नियंत्रित रूप से लाखों गुना बढ़ाने के लिए उसमें अत्यंत सूक्ष्म मात्रा (10⁶ से 10⁸ परमाणुओं में एक) में उपयुक्त अशुद्धि परमाणु मिलाने की प्रक्रिया को डोपिंग (Doping या अपमिश्रण) कहते हैं। अपद्रव्यी अर्धचालक दो प्रकार के होते हैं:

ऊष्मीय साम्यावस्था में किसी भी अर्धचालक (शुद्ध अथवा अपद्रव्यी) में मुक्त इलेक्ट्रॉन सांद्रता (n_e) तथा होल सांद्रता (n_h) का गुणनफल एक नियत ताप पर सदैव स्थिर रहता है और वह नैज वाहक सांद्रता के वर्ग के बराबर होता है:

जब एक एकल सिलिकॉन क्रिस्टल के एक भाग को त्रिसंयोजी अशुद्धि से p-प्रकार तथा दूसरे भाग को पंचसंयोजी अशुद्धि से n-प्रकार बनाया जाता है, तो संपर्क तल को p-n संधि (p-n Junction) कहते हैं। संधि बनते ही दो प्रक्रियाएँ प्रारंभ होती हैं:

• विसरण प्रक्रिया (Diffusion): सांद्रता प्रवणता के कारण p-क्षेत्र से बहुसंख्यक होल n-क्षेत्र की ओर तथा n-क्षेत्र से बहुसंख्यक इलेक्ट्रॉन p-क्षेत्र की ओर विसरित होते हैं। इसे विसरण धारा (I_diff) कहते हैं।
• अवक्षय परत (Depletion Layer): संधि के समीप इलेक्ट्रॉनों एवं होलों के पुनर्संयोजन के कारण p-पक्ष में ऋणायन (अचल ग्राही आयन) और n-पक्ष में धनायन (अचल दाता आयन) अनावृत्त हो जाते हैं। इस संकीर्ण पट्टी में कोई मुक्त आवेश वाहक नहीं रहता, अतः इसे अवक्षय परत कहते हैं (मोटाई लगभग 0.5 μm से 1 μm)।
• रोधिका विभव (Barrier Potential - V₀): अनावृत्त निश्चल आयनों के कारण n-क्षेत्र से p-क्षेत्र की ओर एक तीव्र आंतरिक विद्युत क्षेत्र (E ≈ 10⁶ V/m) उत्पन्न हो जाता है, जो एक विभवांतर स्थापित करता है। इसे रोधिका विभव कहते हैं। Ge के लिए V₀ ≈ 0.3 V तथा Si के लिए V₀ ≈ 0.7 V होता है।
• अपवाह प्रक्रिया (Drift): आंतरिक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में p-क्षेत्र से अल्पसंख्यक इलेक्ट्रॉन n-क्षेत्र में तथा n-क्षेत्र से अल्पसंख्यक होल p-क्षेत्र में त्वरित होते हैं, जिससे अपवाह धारा (I_drift) बहती है। साम्यावस्था में: I_diff = I_drift, जिससे कुल धारा शून्य होती है।

• अग्र अभिनति (Forward Bias): जब बैटरी का धनात्मक सिरा p-क्षेत्र से और ऋणात्मक सिरा n-क्षेत्र से जोड़ा जाता है, तब बाह्य विद्युत क्षेत्र आंतरिक क्षेत्र का विरोध करता है। प्रभावी रोधिका विभव घटकर (V₀ - V_F) रह जाता है और अवक्षय परत पतली हो जाती है। जब V_F > V₀ (नी वोल्टता या Knee Voltage) होता है, तब धारा चरघातांकी रूप से तेजी से बढ़ती है (mA में)। अग्र गतिक प्रतिरोध: r_f = ΔV_F / ΔI_F (लगभग 10 Ω से 100 Ω)।
• पश्च अभिनति (Reverse Bias): जब बैटरी का धनात्मक सिरा n-क्षेत्र से और ऋणात्मक सिरा p-क्षेत्र से जोड़ा जाता है, तब प्रभावी रोधिका विभव बढ़कर (V₀ + V_R) हो जाता है और अवक्षय परत चौड़ी हो जाती है। बहुसंख्यक वाहकों का प्रवाह रुक जाता है और केवल ऊष्मीय रूप से उत्पन्न अल्पसंख्यक वाहकों के कारण अत्यंत सूक्ष्म संतृप्त पश्च धारा (I_s) बहती है (Ge में μA तथा Si में nA में)। पश्च प्रतिरोध अत्यधिक उच्च (MΩ में) होता है।

प्रत्यावर्ती धारा (AC) को एकदिशीय दिष्ट धारा (DC) में रूपांतरित करने की प्रक्रिया को दिष्टकरण (Rectification) कहते हैं। डायोड के अग्र अभिनति में न्यूनतम प्रतिरोध तथा पश्च अभिनति में अनंत प्रतिरोध के गुण का उपयोग किया जाता है।

जेनर डायोड सदैव पश्च अभिनति में भंजन क्षेत्र में कार्य करता है। इस क्षेत्र में जेनर धारा (I_z) में अत्यधिक परिवर्तन होने पर भी इसके सिरों की वोल्टता V_z स्थिर रहती है। एक श्रेणी प्रतिरोधक (R_s) के साथ इसे अनियंत्रित दिष्ट वोल्टता स्रोत के समांतर में जोड़कर लोड पर नियत वोल्टता प्राप्त की जाती है:

• प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED): अग्र अभिनति में प्रचालित प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक (GaAsP आदि)। अग्र अभिनति में चालन बैंड के इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड के होलों से पुनर्संयोजित होकर फोटॉन उत्सर्जित करते हैं (hν = E_g)। दृश्य प्रकाश के लिए E_g ≥ 1.8 eV होना अनिवार्य है। तरंगदैर्ध्य: λ = hc / E_g ≈ 12400 / E_g(eV) Å।
• फोटोडायोड (Photodiode): पश्च अभिनति में प्रचालित प्रकाश-संवेदी संधि डायोड। जब संधि पर E_g से अधिक ऊर्जा का प्रकाश आपतित होता है, तो नए इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न होकर पश्च धारा को बढ़ाते हैं।
  बोर्ड प्रश्न: फोटोडायोड को पश्च अभिनति में ही क्यों प्रचालित किया जाता है?
  उत्तर: प्रकाश पड़ने पर इलेक्ट्रॉन व होल समान दर से उत्पन्न होते हैं। चूँकि पश्च अभिनति में अल्पसंख्यक वाहकों की प्रारंभिक सांद्रता नगण्य होती है, अतः धारा में भिन्नात्मक परिवर्तन (ΔI_rev / I_rev) अग्र अभिनति (ΔI_fwd / I_fwd) की तुलना में लाखों गुना अधिक होता है जिससे संवेदनशीलता उच्चतम रहती है।
• सौर सेल (Solar Cell): बिना किसी बाह्य अभिनति के कार्य करने वाली संधि युक्ति जो प्रकाश-वोल्टीय प्रभाव द्वारा प्रकाश ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में बदलती है। इसका V-I वक्र सदैव चतुर्थ चतुर्थांश (4th quadrant) में रहता है। मुख्य प्राचल: खुला-परिपथ वोल्टता (V_oc), लघुपथित धारा (I_sc) तथा फिल फैक्टर: FF = (V_m × I_m) / (V_oc × I_sc)।

द्विध्रुवी संधि ट्रांजिस्टर (BJT) तीन सिरों एवं दो संधियों वाली युक्ति है। यह दो प्रकार का होता है: npn तथा pnp। इसके तीन मुख्य भाग होते हैं:

• उत्सर्जक (Emitter - E): सर्वाधिक उच्च डोपिंग युक्त मध्यम आकार का भाग। इसका कार्य आधार में अत्यधिक संख्या में बहुसंख्यक आवेश वाहक (npn में इलेक्ट्रॉन) उत्सर्जित करना है।
• आधार (Base - B): मध्य का अत्यंत पतला (लगभग 1 μm) तथा बहुत हल्के डोप किया गया भाग। यह उत्सर्जक से आने वाले 95-98% वाहकों को बिना पुनर्संयोजन के संग्राहक तक जाने देता है।
• संग्राहक (Collector - C): मध्यम डोपिंग युक्त किंतु भौतिक आकार में सबसे बड़ा भाग। इसका आकार बड़ा इसलिए रखा जाता है ताकि संग्राहक संधि पर उत्पन्न ऊष्मा सुगमता से वातावरण में विसरित हो सके।

सक्रिय विधा (Active Mode) में प्रचालन के नियम:

• उत्सर्जक-आधार संधि (E-B Junction) सदैव अग्र अभिनति (Forward Bias) में होनी चाहिए।
• संग्राहक-आधार संधि (C-B Junction) सदैव पश्च अभिनति (Reverse Bias) में होनी चाहिए।

किरचॉफ के संधि नियमानुसार तीनों धाराओं में मूल संबंध:

• उभयनिष्ठ आधार धारा लाभ (α): संग्राहक धारा व उत्सर्जक धारा का अनुपात: α = I_C / I_E (व्यवहार में इसका मान 0.95 से 0.995 के मध्य होता है, सदैव α < 1)।
• उभयनिष्ठ उत्सर्जक धारा लाभ (β या h_FE): संग्राहक धारा व आधार धारा का अनुपात: β = I_C / I_B (व्यवहार में इसका मान 20 से 300 तक होता है)।

CE प्रवर्धक में सूक्ष्म ac निवेशी संकेत (v_in) आधार-उत्सर्जक के मध्य दिया जाता है और प्रवर्धित निर्गत संग्राहक लोड प्रतिरोध (R_L) के सिरों से प्राप्त किया जाता है।

• वोल्टता लाभ (Voltage Gain): A_v = -β × (R_L / r_i) (ऋणात्मक चिह्न 180° कलान्तर दर्शाता है)।
• शक्ति लाभ (Power Gain): A_p = β × |A_v| = β² × (R_L / r_i)
• 180° कलान्तर का भौतिक कारण: निर्गत लूप का समीकरण V_CE = V_CC - I_C R_L है। निवेशी संकेत के धनात्मक अर्ध-चक्र में आधार अग्र अभिनति बढ़ती है, जिससे I_B और I_C बढ़ते हैं। फलस्वरूप I_C R_L का मान बढ़ने से V_CE घटता है। अतः निवेश बढ़ने पर निर्गत घटता है, जो 180° कला व्युत्क्रमण (phase inversion) कहलाता है।

एनालॉग सिग्नल में वोल्टता या धारा समय के साथ सतत (continuous) परिवर्तित होती है। जबकि डिजिटल सिग्नल में केवल दो विविक्त स्तर होते हैं: लॉजिक 0 (निम्न स्तर, 0 V) तथा लॉजिक 1 (उच्च स्तर, +5 V)।

NAND तथा NOR गेट को सार्वत्रिक गेट कहते हैं क्योंकि केवल इनके उचित संयोजन से किसी भी मूल गेट (NOT, OR, AND) अथवा किसी भी जटिल डिजिटल परिपथ का निर्माण किया जा सकता है।

• NAND गेट: AND गेट के आगे NOT गेट: Y = (A ⋅ B)̅। निर्गत तभी 0 होता है जब दोनों निवेश 1 हों।
• NOR गेट: OR गेट के आगे NOT गेट: Y = (A + B)̅। निर्गत तभी 1 होता है जब दोनों निवेश 0 हों।

• प्रथम प्रमेय: दो चरों के तार्किक योग का पूरक उनके व्यक्तिगत पूरकों के तार्किक गुणन के बराबर होता है:
  (A + B)̅ = A̅ ⋅ B̅
• द्वितीय प्रमेय: दो चरों के तार्किक गुणन का पूरक उनके व्यक्तिगत पूरकों के तार्किक योग के बराबर होता है:
  (A ⋅ B)̅ = A̅ + B̅