इलेक्ट्रॉनिक्स कैसे काम करता है: सेमीकंडक्टर मूल बातें

अर्धचालक नामक सामग्रियों के एक वर्ग के कारण आधुनिक तकनीक संभव हुई है। सभी सक्रिय घटक, एकीकृत सर्किट, माइक्रोचिप्स, ट्रांजिस्टर और कई सेंसर सेमीकंडक्टर सामग्री के साथ बनाए जाते हैं।

जबकि इलेक्ट्रॉनिक्स में सिलिकॉन सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अर्धचालक पदार्थ है, अर्धचालकों की एक श्रृंखला का उपयोग किया जाता है, जिसमें जर्मेनियम, गैलियम आर्सेनाइड, सिलिकॉन कार्बाइड और कार्बनिक अर्धचालक शामिल हैं। प्रत्येक सामग्री में लागत-से-प्रदर्शन अनुपात, उच्च गति संचालन, उच्च तापमान सहनशीलता, या सिग्नल की वांछित प्रतिक्रिया जैसे फायदे हैं।

अर्धचालकों

अर्धचालक उपयोगी होते हैं क्योंकि इंजीनियर निर्माण प्रक्रिया के दौरान विद्युत गुणों और व्यवहार को नियंत्रित करते हैं। अर्धचालक गुणों को एक प्रक्रिया के माध्यम से अर्धचालक में थोड़ी मात्रा में अशुद्धियों को जोड़कर नियंत्रित किया जाता है डोपिंग. विभिन्न अशुद्धियाँ और सांद्रता अलग-अलग प्रभाव उत्पन्न करते हैं। डोपिंग को नियंत्रित करके, अर्धचालक के माध्यम से विद्युत प्रवाह की गति को नियंत्रित किया जा सकता है।

तांबे की तरह एक विशिष्ट कंडक्टर में, इलेक्ट्रॉन करंट ले जाते हैं और चार्ज कैरियर के रूप में कार्य करते हैं। अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉन और छिद्र (इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति) दोनों आवेश वाहक के रूप में कार्य करते हैं। अर्धचालक के डोपिंग को नियंत्रित करके, चालकता और आवेश वाहक को या तो इलेक्ट्रॉन या छिद्र आधारित बनाया जाता है।

डोपिंग दो प्रकार की होती है:

• एन-प्रकार के डोपेंट, आमतौर पर फॉस्फोरस या आर्सेनिक में पांच इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो अर्धचालक में जोड़े जाने पर एक अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करते हैं। चूँकि इलेक्ट्रॉनों पर ऋणात्मक आवेश होता है, इसलिए इस तरह से डोप किया गया पदार्थ N-प्रकार कहलाता है।
• पी-प्रकार के डोपेंट, जैसे बोरॉन और गैलियम में तीन इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अर्धचालक क्रिस्टल में एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति होती है। यह एक छिद्र या धनात्मक आवेश बनाता है, इसलिए इसका नाम P-प्रकार है।

एन-टाइप और पी-टाइप डोपेंट दोनों, यहां तक ​​​​कि मिनट मात्रा में भी, अर्धचालक को एक अच्छा कंडक्टर बनाते हैं। हालांकि, एन-टाइप और पी-टाइप अर्धचालक विशेष नहीं हैं और केवल सभ्य कंडक्टर हैं। जब इन प्रकारों को एक-दूसरे के संपर्क में रखा जाता है, तो एक पी-एन जंक्शन बनता है, एक अर्धचालक अलग और उपयोगी व्यवहार प्राप्त करता है।

पी-एन जंक्शन डायोड

ए पी-एन जंक्शन, प्रत्येक सामग्री के अलग-अलग, एक कंडक्टर की तरह कार्य नहीं करता है। किसी भी दिशा में करंट प्रवाहित होने देने के बजाय, एक P-N जंक्शन करंट को केवल एक दिशा में प्रवाहित करने की अनुमति देता है, जिससे एक मूल डायोड बनता है।

पी-एन जंक्शन पर आगे की दिशा (फॉरवर्ड बायस) में वोल्टेज लगाने से एन-टाइप क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों को पी-टाइप क्षेत्र में छिद्रों के साथ संयोजन करने में मदद मिलती है। के माध्यम से धारा (रिवर्स बायस) के प्रवाह को उलटने का प्रयास डायोड इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को अलग करता है, जो जंक्शन के पार प्रवाहित होने से रोकता है। पी-एन जंक्शनों को अन्य तरीकों से मिलाने से ट्रांजिस्टर जैसे अन्य अर्धचालक घटकों के द्वार खुल जाते हैं।

ट्रांजिस्टर

एक डायोड में उपयोग किए जाने वाले दो के बजाय तीन एन-टाइप और पी-टाइप सामग्री के जंक्शन के संयोजन से एक मूल ट्रांजिस्टर बनाया जाता है। इन सामग्रियों के संयोजन से एनपीएन और पीएनपी ट्रांजिस्टर उत्पन्न होते हैं, जिन्हें द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर (बीजेटी) के रूप में जाना जाता है। केंद्र, या आधार, क्षेत्र BJT ट्रांजिस्टर को स्विच या एम्पलीफायर के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है।

एनपीएन और पीएनपी ट्रांजिस्टर बैक टू बैक दो डायोड की तरह दिखते हैं, जो सभी करंट को किसी भी दिशा में बहने से रोकते हैं। जब केंद्र परत को आगे की ओर पक्षपाती किया जाता है ताकि केंद्र परत के माध्यम से एक छोटी सी धारा प्रवाहित हो, केंद्र परत के साथ बने डायोड के गुण बदल जाते हैं ताकि एक बड़ा करंट प्रवाहित हो सके संपूर्ण उपकरण। यह व्यवहार एक ट्रांजिस्टर को छोटी धाराओं को बढ़ाने और एक स्विच के रूप में कार्य करने की क्षमता देता है जो वर्तमान स्रोत को चालू या बंद करता है।

कई प्रकार के ट्रांजिस्टर और अन्य अर्धचालक उपकरण पी-एन जंक्शनों को उन्नत, विशेष-कार्य ट्रांजिस्टर से नियंत्रित डायोड तक कई तरह से संयोजित करने के परिणामस्वरूप होते हैं। पी-एन जंक्शनों के सावधानीपूर्वक संयोजन से बने कुछ घटक निम्नलिखित हैं:

• डीआईएसी
• लेज़र डायोड
• प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी)
• ज़ेनर डायोड
• डार्लिंगटन ट्रांजिस्टर
• क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (MOSFETs सहित)
• आईजीबीटी ट्रांजिस्टर
• सिलिकॉन नियंत्रित शुद्धि कारक
• एकीकृत परिपथ
• माइक्रोप्रोसेसर
• डिजिटल मेमोरी (टक्कर मारना और रोम)

सेंसर

अर्धचालक की अनुमति के वर्तमान नियंत्रण के अलावा, अर्धचालकों में ऐसे गुण भी होते हैं जो प्रभावी सेंसर बनाते हैं। इन्हें तापमान, दबाव और प्रकाश में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील बनाया जा सकता है। अर्धचालक सेंसर के लिए प्रतिरोध में परिवर्तन सबसे आम प्रकार की प्रतिक्रिया है।

अर्धचालक गुणों द्वारा संभव किए गए सेंसर के प्रकारों में शामिल हैं:

• हॉल इफेक्ट सेंसर (चुंबकीय क्षेत्र सेंसर)
• थर्मिस्टर (प्रतिरोधक तापमान सेंसर)
• सीसीडी/सीएमओएस (इमेज सेंसर)
• फोटोडायोड (लाइट सेंसर)
• फोटोरेसिस्टर (लाइट सेंसर)
• पीज़ोरेसिस्टिव (दबाव/तनाव सेंसर)