Friday, January 8, 2016

ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් III (Electronics) - 7



හැඳින්වීම

මෙම පොත කියවා ඉගෙනීමට පෙර, මෙම පොත් පෙළෙහි පළමු හා දෙවන පොත් දෙක කියවා තේරුම්ගෙන එම කරුණු/න්‍යායන් මතක තබාගෙන සිටීම අවශ්‍ය බව ප්‍රථමයෙන්ම මතක් කර දිය යුතුය. ඔබ මෙම පාඩම් කියවගෙන යන අතරේ යම් නොදන්නා සූත්‍රයක් හෝ මූලධර්මයක් හෝ වචනයක් හමු වන්නේ නම්, අනිවාර්යෙන්ම එය මීට පෙර පොතක සඳහන් කර තිබේ; එසේත් නැතිනම්, මෙම පාඩම් මාලාව තුළ එය විස්තර කෙරේ.
දැන් අප ඉගෙනීමට යන්නේ active devices ගැනයි. ඇක්ටිව් හා පැසිව් ඩිවයිස් භේදය ගැන දෙවැනි පොතෙහි සඳහන් කර තිබුණු අතර, එම පොතෙහි පැසිව් ඩිවයිස් වන රෙසිස්ටර්, කැපෑසිටර්, ඉන්ඩක්ටර් ගැන විස්තරාත්මකව කරුණුද දක්වා තිබුණා. නැවතත් මතක් කරගන්නේ නම්, ඇක්ටිව් උපාංග යනු උපාංගයට ලබා දෙන සංඥාවේ ජවයට වඩා වැඩි ජවයක් පිට කළ හැකි උපාංග වේ. මතක තබා ගන්න මෙහිදී යොදාගත් වචනය ජවය මිස වෝල්ටියතාව හෝ ධාරාව නොවේ. ට්‍රාන්ස්ෆෝමරයකින් අපට පුලුවන් ඊට ලබා දෙන වෝල්ටියතාව (හෝ ධාරාව) වැඩි කර පිටතට ලබා දෙන්න; එසේ කළද ට්‍රාන්ස්ෆෝමරයට ඇතුලු කරන ජව ප්‍රමාණයම තමයි ඉන් පිටතට ලබා දෙන්නෙත්. එනිසා ට්‍රාන්ස්ෆෝමරය ඇක්ටිව් උපාංගයක් නොවේ.
ඇක්ටිව් උපාංගයක් මෙම හපන්කම කිරීමේදී (එනම් ඊට ලබා දෙන "සංඥාවේ ජවය" වර්ධනය කිරීම) උපාංගය විසින් එම ජවය තමන් විසින්ම නිපදවන්නේ නැත (මොකද එය ශක්ති සංස්ථිතික මූලධර්මයට පටහැනි වේ). උපාංගය කරන්නේ වෙනත් තැනනික් එම ශක්තිය/ජවය ලබා ගැනීමයි. එනිසා ඇක්ටිව් උපාංගයකට හැමවිටම පිටතින් වෙනමම විදුලි සැපයුමක් ලබා දිය යුතුයි. එය මෙසේ කිව හැකියි - ඇක්ටිව් උපාංගයකට භාහිරව විදුලි සැපයුමක් අවශ්‍ය කරනවා සංඥාවට අමතරව".


සටහන

ශක්ති සංස්ථිතික මූලධර්මය

විශ්වයේ පවතින ඉතාම සරල නමුත් ඉතාම වැදගත් නියමයක් නම් ශක්ති සංස්ථිතික මූලධර්මය/නියමය (Energy conservation principle) වේ. ඉන් කියන්නේ විශ්වය පටන් ගැනීමේදී (විශ්වය කෙසේ පටන් ගත්තේද යන්න මෙහිදී වැදගත් නැත) තිබූ මුලු ශක්තිය කිසිදු අඩු හෝ වැඩි වීමකින් තොරව සදාකල්හිම එකම ප්‍රමාණයෙන් පවතින බවයි.


එහෙත් බොහෝවිට ඔබ එම නියමය අසා ඇත්තේ එසේ නොවන්නට පුලුවන්. බහුලවම පොතපතෙහි සඳහන් වෙන්නේ, “ශක්තිය නිපැදවීමට හෝ විනාශ කිරීමට නොහැකිය" ලෙසයි. ඇත්තටම මෙහිනුත් කියන්නේ ඉහත ප්‍රකාශයමයි. ශක්තිය අමුතුවෙන් නිපදවිය හා විනාශ කළ නොහැකි යනු තිබූ ශක්තිය එම ප්‍රමාණයෙන්ම නොවෙනස්ව තිබිය යුතු යන්න නේද?

ශක්තිය අමුතුවෙන් නිපදවිය හා විනාශ කළ නොහැකි වුවත්, ශක්තිය එක් ශක්ති ස්වරූපයකින් තවත් ස්වරූපයකට පරිවර්තනය විය/කළ හැකියි. උදාහරණ වශයෙන් චාලක ශක්තිය තාප ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කළ හැකියි. (එන්ට්‍රොපිය යන සංකල්පයද මෙහිදී ඉතා වැදගත් වුවත්, එය ගැඹුරු විද්‍යාත්මක පැතිකඩකට විවර වෙන නිසා ඒ ගැන කතා කරන්නේ නැත. සරලව කිවහොත් එන්ට්‍රොපිය (entropy) යනු ශක්තියේ වියවුල් බවයි. වියවුල් බව වැඩිවන විට එහි ප්‍රයෝජනවත් බව අඩු වේ. එය සාමාන්‍ය ජීවිතයේද ස්වභාවය නේද?)

ඇත්තටම, බොහෝ අවස්ථාවලදී අපට සීමාවක් නොදන්නා මුලු විශ්වයේම ශක්තිය ගැන සිතීම අනවශ්‍ය වැඩකි. එනිසා, බොහෝවිට අපට මෙම ශක්ති සංස්තිථික නියමය ඇසට පෙනෙන්නේ නැති ඉතා කුඩා පද්ධතියේ සිට ඕනෑම ප්‍රමාණයේ පද්ධතියකට වුවද යෙදිය හැකි එක කොන්දේසියක් සැපිරෙන්නේ නම්. එනම්, එම පද්ධතිය තුළට පිවිසෙන හා පද්ධතියෙන් පිටවන ශක්ති ප්‍රමාණයන් සියල්ලම හරියටම දැන ගත යුතුය.

යම්කිසි පද්ධතියකට පිට සිට එතුලට ශක්තිය පැමිණීමට ඉඩ නොදී, පද්ධතියේ සිට පිටතටත් ශක්තිය යන්නට ඉඩ නොදී තබාගත හැකි නම්, එයද මෙම කොන්දේසිය සැපිරීමකි (මොකද, පිටතට යන ශක්තිය හා පිටතින් එන ශක්තිය 0 වේ; ඒ කියන්නේ එන හා යන ශක්තිය අප දැන් දන්නවා; එය දන්නවා පමණක් නොවේ එය 0 කියාද අප දැන් දන්නවා). මෙවැනි පද්ධතියක් සංවෘත පද්ධති (closed system) ලෙස හැඳින්වෙනවා. ඒ අනුව විවෘත පද්ධති (open system) යනු පද්ධතිය හා අවට පරිසරය (environment) සමග ශක්ති හුවමාරු කළ හැකි ලෙස පවතින පද්ධති වේ. (පද්ධති ගැන කතා කිරීමේදී "පරිසරය" යනු පද්ධතියට අයිති දේවල් හැර අනෙකුත් දේවල් සියල්ලට පොදුවේ කියන වචනයයි. ඇත්තෙන්ම, මෙම පරිසරය යනු සාමාන්‍යයෙන් ඔබ පරිසරය කියා හඳුනාගන්නා දේම තමයි.)



විද්‍යාවේදී මෙන්ම තාක්ෂණයේදීද (ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් ඇතුලුව) සමහර දේවල් පහසුවෙන් පැහැදිලි කළ හැකියි මෙම ශක්ති සංස්ථිතික මූලධර්මය ඇසුරින්. උදාහරණයක් ලෙස ඉහත කතා කළ ඇක්ටිව් උපාංග සලකා බලන්න. ඇක්ටිව් උපාංගයකින් ජවය වර්ධනය කළද, එම උපාංගය මෙම නියමයට යටත් නිසා, එම උපාංගවලට පිටතින් (විදුලි) ශක්තිය ලබා දිය යුතු බව තේරුම් ගත හැකියි. තවත් උදාහරණයක් ලෙස විදුලි මෝටරයක් බලමු. මෝටරයට ලබා දෙන විදුලි ශක්තියට වඩා වැඩි ශක්තියක් ඉන් පිට කළ නොහැකි කියා අප කියන්නේද මෙම මූලධර්මය මත පදනම්වයි (මෝටරය පමණක් නොව ඕනෑම උපකරණයකට මෙය වලංගු වේ - එනම්, ඉන්පුට් කරන ශක්තියට වඩා වැඩි ශක්තියක් අවුට්පුට් කළ නොහැකිය).

මෝටරයක් හෝ ට්‍රාන්ස්ෆෝමරයක් හෝ කොයිලයක් හෝ වෙනත් ඕනෑම උපාංගයක්/උපකරණයක් ක්‍රියාත්මක වීමේදී රත් වෙනවා. මෙය තාප ශක්තියයි. මෙම තාපය ජනනය වූයේ උපකරණයට ඉන්පුට් කරපු විදුලි ශක්තියෙන්. ඒ කියන්නේ එම උපකරණයෙන් දැන් අවුට්පුට් විය යුත්තේ ඉන්පුට් කරපු ශක්තියට වඩා අඩු ශක්තියක් නේද? (මොකද ඉන්පුට් කරපු ශක්තියෙන් කොටසක් තාපය බවට පත් වූ නිසා) මේ ආකාරයට උපකරණ තමන්ට සැපයූ ශක්තියෙන් යම් යම් ප්‍රමාණයන් විවිධ වැඩ කටයුතු සඳහා යොදවනවා (රත්වීමට, ආරෝපණ ධ්‍රැවීකරණයට ආදී). ඉතිං මෙම අවස්ථාවලදී එම සියලු වැඩ කළේ ඊට සැපයූ විදුලි ශක්තියෙන් බව සිහිතබා ගන්න. මේ සියල්ල පහසුවෙන් තේරුම් යනවා ශක්ති සංස්ථිති මූලධර්මය ඔස්සේ ඒවා විග්‍රහ කළ විට.
භාහිරින් විශාල විදුලි ජවයක් ගෙන එය සංඥා වර්ධනයට යොදා ගැනීමේ ක්‍රියාවලිය නිසාම, ඇක්ටිව් උපාංගයක තවත් ලක්ෂණයක් මතු කර පෙන්විය හැකියි. එය නම්, විශාල විදුලි ශක්තියක්/ජවයක් කුඩා විදුලි ශක්තියකින් (එනම් සංඥාවකින්) පාලනය කිරීම ඇක්ටිව් උපාංගයක සිදු වේ. උදාහරණයක් ලෙස, ට්‍රාන්සිස්ටරයකට භාහිරව විශාල විදුලි ජවයක් ලබා දී තිබෙන (බයස් කර තිබෙන) අතර, ට්‍රාන්සිස්ටරයට ඇතුලු කරන කුඩා සංඥාවකට අනුව මෙම විශාල විදුලිය විචලනය වේ. එය අපට අවසානයේ පෙනෙන්නේ කුඩා සංඥාව විශාල සංඥාවක් බවට පත්ව ට්‍රාන්සිස්ටරයෙන් ඉවතට යන බවයි. ට්‍රාන්සිස්ටරයකින් විදුලි සංඥා වර්ධනය කරනවා කියන්නේ ඇත්තටම මෙම සිදුවීම තමයි.
මේ අනුව, ඇක්ටිව් උපාංගයක ඉහත ලක්ෂන තුන පවතින බව වටහාගන්න. මෙම පොතෙන් ඇක්ටිව් ඩිවයිස් වන ඩයෝඩ් හා ට්‍රාන්සිස්ටර් ගැන සොයා බලමු. (ඩයෝඩය යනු ඇත්තටම ඇක්ටිව්ද පැසිව්ද යන්න ගැන තර්ක විතර්ක ඇති අතර, මා විශ්වාස කරන්නේ ඩයෝඩය පැසිව් උපාංගයක් වන බවයි.) ඇක්ටිව් උපාංගවල ක්‍රියාකාරිත්වය සඳහා එම උපාංගවලට භාහිරව විදුලි සැපයුමක් ලබා දිය යුතු බව ඔබ දැන් දන්නවා. එම විදුලිය කෙබඳු විදුලියක්ද? එම කරුණු ගැනත් පොදුවේ විදුලිය ගැනත් අතිරේකයන්වල විස්තර කර ඇත.

අර්ධසන්නායක (Semiconductor)

සන්නායක යනු හොඳින් විදුලිය ගමන් කළ හැකි ද්‍රව්‍ය නිසා හා පරිවාරක/කුසන්නායක යනු විදුලිය ගමන් කිරීමට බැරි ද්‍රව්‍ය නිසා අර්ධ සන්නායක යනු මේ අවස්ථා දෙක අතර මැදි අවස්ථාවක් සේ සිතේ. එක් පැත්තකින් එය නිවැරදිය. අර්ධසන්නායකවල සන්නායකතාව සන්නායක හා පරිවාරක අතර අගයක් ගන්නවා. එහෙත් එතැනින් එහාට තවත් විශේෂ කරුණු ගණනාවක් තිබෙනවා අර්ධසන්නායක සතුව.
 
වර්ථමානය වන විට ඇත්තටම "අර්ධසන්නායක ගුණ" පෙන්වන විශේෂ ද්‍රව්‍යද නිපදවා තිබෙනවා. එහෙත් අතීතයේදී අර්ධසන්නායක යනුවෙන් පැවසුවේ ජර්මේනියම් (Ge) හා සිලිකන් (Si) යන මූලද්‍රව්‍ය දෙක පමණි. රසායනික මූලද්‍රව්‍ය වර්ගීකරණය කර තිබෙන ආවර්තිතා වගුවේ iv හෙවත් 4 වැනි කාණ්ඩයේ මෙම මූලද්‍රව්‍ය දෙක පවතී. එහෙත් එම කාණ්ඩයේම තිබෙන කාබන් (C), ටින් (Sn), ලෙඩ් (Pb) යන මූලද්‍රව්‍ය අර්ධසන්නායක ලෙස ගණන් නොගැනේ (ඒ කියන්නේ 4 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍ය (සියල්ල) අර්ධසන්නායක වේ යනුවෙන් කිව නොහැකියි). ඔබ දන්නවා ටින් හා ලෙඩ්/ඊයම් යනු අර්ධසන්නායක නොව හොඳ සන්නායක බව. කාබන්හි විවිධ ස්වරූප ගණනාවක් ඇත (අඟුරු, දියමන්ති, ග්‍රැෆයිට්/මිනිරං, ග්‍රැෆීන්). ඉන් දියමන්ති ඉතා හොඳ පරිවාරකයක් වන අතර අනෙක් ස්වරූප බොහෝවිට සන්නායක වේ. මේ අතරිනුත් ග්‍රැෆීන් යනු දැනට ලෝකයේ තිබෙන ඉතා හොඳම වර්ගයේ සන්නායකය බව සොයා ගෙන ඇති අතර, තවම ග්‍රැෆීන් තිබෙන්නේ පර්යේෂණ අවධියේය (නැනෝතාක්ෂණ ක්ෂේත්‍රය තුළ).

සිලිකන් හා ජර්මේනියම් යන මූලද්‍රව්‍ය දෙකට අර්ධසන්නායක ගුණ ලැබී තිබෙන්නේ එම පරමාණුවක ඉලෙක්ට්‍රෝන පිහිටා තිබෙන ආකාරය නිසාය. (ඔබ දන්නවා පරමාණුවක මධ්‍යයේ ඉතා කුඩා න්‍යෂ්ඨියක් තිබෙන අතර, එම න්‍යෂ්ඨියේ පවතින්නේ නියුට්‍රෝන හා ප්‍රෝටෝන පමණයි. එම න්‍යෂ්ඨිය වට කරගෙන ඉතා විශාල අවකාශයක ඉලෙක්ට්‍රෝන පවතිනවා. මෙම ඉලෙක්ට්‍රෝනද ඔහේ ගමන් නොකර, යම් ක්‍රමවත් රටාවකටයි න්‍යෂ්ඨිය වටා වේගයෙන් ගමන් කරන්නේ. මෙම ක්‍රමවත් රටාව "ශක්ති මට්ටම්" හා "කාක්ෂික" යනුවෙන් විද්‍යාවේදී හැඳින්වෙනවා.) මෙම අර්ධසන්නායක මූලද්‍රව්‍යවල අවසාන ශක්ති මට්ටමේ ඉලෙක්ට්‍රෝන 4ක් තිබේ (පරමාණුවක ඉලෙක්ට්‍රෝන කොපමණ තිබුණත්, ඒවායේ රසායනික ගුණ හා බන්ධන ගැන කතා කිරීමේදී වැදගත් වන්නේ අවසාන ශක්ති මට්ටමේ ඇති ඉලෙක්ට්‍රෝන පමණි).


 
මෙම ඉලෙක්ට්‍රෝන 4 පහත රූපයේ ආකාරයට තමන්ගේම වර්ගයේ පරමාණු සමග සහසංයුජ බන්ධන ලෙස හැඳින්වෙන රසායනික බන්ධන සාදනවා (සහසංයුජ බන්ධන යනු යම් පරමාණු දෙකක් එක් එක් පරමාණුවකින් ඉලෙක්ට්‍රෝනය බැගින් ඉලෙක්ට්‍රෝන දෙක හවුලේ තබා ගැනීමයි; එවිට පරමාණු දෙකටම දැනෙන්නේ එම ඉලෙක්ට්‍රෝන දෙක තමන්ගේ බව; එහෙත් ඇත්තටම එම ඉලෙක්ට්‍රෝන දෙකම එම පරමාණු දෙකටම එකසේ අයිතියි දැන්). මේ ලෙසට අර්ධසන්නායක පරමාණුවේ ඉලෙක්ට්‍රෝන 4 තවත් එවැනිම අර්ධසන්නායක පරමාණු 4ක් සමග බන්ධන 4ක් පහත රූපයේ (a) ආකාරයට සාදනවා. මෙම රූපයම සරලව (b) ආකාරයෙන්ද දැක්විය හැකියි.


 
මෙවැනි ක්‍රමවත් පරමාණුක ව්‍යුවහයක් දැලිස (lattice) ලෙස හැඳින්වෙනවා. පැහැදිලිව පෙනෙනවා මෙම ලැටිස් එක තුළ සියලුම (අවසන් ශක්ති මට්ටමේ ඇති) ඉලෙක්ට්‍රෝන සහසංයුජ බන්ධනවලට දායක වී ඇති බව. ඒ කියන්නේ ලැටිස් එක තුළ බන්ධනවලට සහභාගී නොවූ ඉලෙක්ට්‍රෝන කිසිවක් මෙහි පෙනෙන්නට නැහැ (එනම්, “ඉබාගාතේ ඔහේ එහා මෙහා යා හැකි" ඉලෙක්ට්‍රෝන මේ තුළ නැහැ). මෙලෙස ඉබාගාතේ එහා මෙහා යා හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝනවලට මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන (free electrons) යන නම භාවිතා කෙරෙනවා. යම් තැනක මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන/අයන තිබුණොත් පමණි විදුලියක් ඒ තුළින් ගමන් කළ හැක්කේ (මොකද විදුලිය කියා කියන්නේද එලෙස ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීමම තමයි). ඉන් අදහස් වන්නේ ඉහත ජර්මේනියම් හා සිලිකන් ලැටිස් යනු ඉතා හොඳ පරිවාරක බව නේද?

ඔව්. එහෙත් මෙහිදී යම් අපූරු දෙයක් සිදු වෙනවා. එනම්, ඕනෑම බන්ධනයක යම් බන්ධන ශක්තියක් ඇත. එම ශක්තියට සමාන හෝ වැඩි ශක්තියක් පිටතින් ලබා දුන් විට එම බන්ධනය කැඩී යනවා. මෙම පිටතින් ලබා දෙන ශක්තිය තාපය, විකිරණය, ආලෝකය, හෝ චාලක ශක්තිය විය හැකියි. අප ජීවත්වන පරිසරයේ ස්වාභාවිකව පවතින උෂ්ණත්වයක් තිබෙනවා (උෂ්ණත්වයක් තිබෙනවා යනු එතැන තාප ශක්තියක පවතිනවා යන්නයි). උදාහරණයක් ලෙස, සාමාන්‍යයෙන් ලංකාවේ පරිසර උෂ්ණත්වය සෙල්සියස් අංශක 27ක් පමණ වෙනවා. ඒ කියන්නේ පරිසරයේ නිතැතින්ම හැම විටම යම් පැතිරී ගිය ශක්තියක් තිබෙනවා තාපය ලෙස. මෙන්න මෙම තාපය ප්‍රමාණවත් සිලිකන් හා ජර්මේනියම්වල සහසංයුජ බන්ධනවලින් යම් ප්‍රමාණයක් කඩා දමන්නට තරම්. සියලුම හෝ ඉතා වැඩි ප්‍රමාණයක සහසංයුජ බන්ධන බිඳ දැමුවේ නම්, එතැන ඇති වන්නේ සන්නායකයකි (එම කාණ්ඩයේ ටින්, ලෙඩ් යන මූලද්‍රව්‍ය දෙකට සිදු වී තිබෙන්නේ එයයි). එහෙත් බන්ධන සුලු ප්‍රමාණයක් පමණක් කැඩුණු නිසා, මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන සුලු ප්‍රමාණයක් ඇති වේ. මෙම සුලු ප්‍රමාණය නිසා සන්නායකතාවද සුලු වශයෙන් පවතින නිසා තමයි අර්ධසන්නායක යනුවෙන් ඒවාට පවසන්නේ.


 
බන්ධනයක් කැඩී ගිය විට ඉහත සඳහන් කළ ආකාරයටම එම බන්ධනයට හවුල් වූ ඉලෙක්ට්‍රෝන නිදහස් (මුක්ත) වේ. එහෙත් ඉලෙක්ට්‍රෝන නැතිව එම බන්ධනය තිබූ ස්ථානය තවදුරටත් එලෙසම පවතිනවා සේ සිතිය හැකියි. එනම්, දැන් එතැන ඇත්තේ ඉලෙක්ට්‍රෝන හිඟතාවකි. එම ඉලෙක්ට්‍රෝන හිඟ ස්ථානය සිඳුරක් (hole) ලෙස හැඳින්වෙනවා. සිඳුරක් හැමවිටම බලන්නේ කොහෙන් හෝ ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් ආකර්ෂණය කර එම සිඳුර වසා දැමීමටයි. ඉතිං දැනට මුක්තව තිබෙන ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් ලබාගෙන සෑම සිඳුරක්ම වසා ගන්නවා. ඒ කියන්නේ මෙය එක්තරා විදියක ක්‍රීඩාවක් වගෙයි දැන්. තාපය/ශක්තිය නිසා අඛණ්ඩවය මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන සෑදෙන අතරම, සිඳුරු විසින් අඛණ්ඩව මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන ආකර්ෂණය කරගෙන මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන අඩු කරනවා. මෙම එකිනෙකට විරුද්ධව පවතින (ප්‍රත්‍යාවර්ත) ක්‍රියාවලි දෙක සමබර වන අවස්ථාවක් පවතිනවා. ඒ කියන්නේ ඕනෑම මොහොතක අර්ධසන්නායකයක ක්‍රියාකාරී (මුක්ත) ඉලෙක්ට්‍රෝන හා සිඳුරු යන දෙකම පවතිනවා.

ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීම හා ඉලෙක්ට්‍රෝ ගමන් කිරීම නිසා විදුලිය සම්ප්‍රේෂණය වීම ඔබට පහසුවෙන් සිතාගත හැකියිනෙ. එලෙසම සිඳුරු ගැනත් සිතිය යුතුයි. සමහරෙකුට එය එකවර තේරුම් ගැනීමට අපහසු විය හැකියි. කෙසේ වෙතත්, සිඳුරු යනුද ඉලෙක්ට්‍රෝන මෙන්ම විදුලිය සම්ප්‍රේෂණය කරන තවත් "අංශු" විශේෂයක් ලෙස සැලකුවාට වරදක් නැත. ඇත්තටම සිඳුරු යනුද වක්‍රාකාරයෙන්ම ඉලෙක්ට්‍රෝනම තමයි. ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් හිඟ ස්ථානයක්නෙ සිඳුරක් කියන්නෙ. ඔබ දන්නවා ඉලෙක්ට්‍රෝනවල ආරෝපණය ඍණයි. එවිට, ඉලෙක්ට්‍රෝන හිඟවීමක් සැලකීමට සිදු වන්නේ ධණ කියාය. ඒ කියන්නේ සිඳුරු යනු ධණ ආරෝපිත අංශුවක් ලෙස සිතීමට පුරුදු වන්න.

සිඳුරුද ගමන් කරනවා ඉලෙක්ට්‍රෝන සේම. එය තේරුම්ගත යුත්තේ මෙසේය. අර්ධසන්නායක දැලිසේ යම් තැනක සිඳුරක් තිබෙනවා යැයි සිතන්න. එම සිඳුර වසා ගන්නවා යම් තැනක තිබූ මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝනයකින්. මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන ජනනය හා සිඳුරු වැසීම සමබරව සිදුවන නිසා (ඉහත විස්තර කළ ලෙස), එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස, අර මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝනය වෙනුවට තවත් ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් මුක්ත වෙනවා (ජනනය වෙනවා). ඉතිං ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් මුක්ත වෙනවා යනු, නව සිඳුරක් ඇති වෙනවා යන්නයි. එය අපට සිතිය හැකියි අර වැසී ගිය සිඳුර අලුත් සිඳුර ඇති වූ තැනට විතැන් වීමක් (ගමන් කිරීමක්) ලෙස. පහත රූපයේ රතු පාටින් දැක්වෙන්නේ සිඳුර ගමන් කරන ආකාරයයි. එහෙත් එහි කලු පාටින් පෙන්වා තිබෙනවා එසේ සිඳුරු ගමන් කරනවා යැයි අපට දැනෙන්නට නම් ඇත්තටම ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කරන ආකාරය සිඳුරෙන් සිඳුරට.


 
සන්නායකතාව සුලු වශයෙන් පැවතීම අර්ධසන්නායකවල එක් ගුණයක් පමණි. එහි තවත් ගුණයක් වන්නේ තාපය (හෝ වෙනත් සුදුසු ශක්තියක්) ඊට ලබා දෙන විට, එම සන්නායකතාව වේගයෙන් වැඩි වීමයි (එනම්, ප්‍රතිරෝධකතාව වේගයෙන් අඩු වේ). ඊට හේතුව වැඩි වැඩියෙන් මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන බිහිවීම බව ඔබට සිතාගත හැකියි නේද? සාමාන්‍යයෙන් සන්නායකවලදී සිදුවන්නේ එහි අනෙක් පැත්තයි; එනම්, තාපය/උෂ්ණත්වය වැඩි කරගෙන යන විට, සන්නායකතාව අඩු වේ. ඒ කියන්නේ අර්ධසනායකවලට ප්‍රතිරෝධකතා තාප සංගුණකය (temperature coefficient of resistance) ඍණ වන අතර, සන්නායකවල එය ධන වේ (පරිවාරකවලද ඍණ වේ).


 
අර්ධසන්නායකවල ඇති තවත් වැදගත්ම ලක්ෂණය නම්, එම ද්‍රව්‍යයකට තවත් යම් නිශ්චිත ද්‍රව්‍යයක් පිටතින් එකතු කළ විටද සන්නායකතාව වෙනස්වීමයි. මෙම පිටස්තර ද්‍රව්‍ය බොහෝවිට ආවර්තිතා වගුවේ iii කාණ්ඩයේ (බොරෝන්, ඇලුමිනියම්, ගැල්ලියම්, ඉන්ඩියම්) හෝ v කාණ්ඩයේ (නයිට්‍රජන්, පොස්පරස්, ආසනික්, ඇන්ටිමනි) මූලද්‍රව්‍ය වේ. මෙලෙස යම් පිටස්තර ද්‍රව්‍යයක් එකතු කර අපට අවශ්‍ය ප්‍රමාණයට ඉතා නිවැරදිව සන්නායකතාව සකස් කළ හැකියි. මෙලෙස පිටතින් එකතු කරන ද්‍රව්‍ය අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය (impurity) ලෙස හැඳින්වෙන අතර, එලෙස ඉම්පියුරිටි එකතු කිරීමේ ක්‍රියාවලිය මාත්‍රණය (doping) ලෙස හැඳින්වේ. මාත්‍රණය කිරීමට පෙර පවතින "පිරිසිදු" අර්ධසන්නායක ද්‍රව්‍ය නිසඟ අර්ධසන්නායක (intrinsic semiconductor) ලෙස හැඳින්වෙන අතර, ඉම්පියුරිටි එකතු කළ පසු ලැබෙන අර්ධසන්නායක ද්‍රව්‍ය භාහ්‍ය අර්ධසන්නායක (extrinsic semiconductor) ලෙස හැඳින්වේ.

මුලදිත් පැවසූ ආකාරයටම ජර්මේනියම් හා සිලිකන් යන දෙකට අමතරව වෙනමම විශේෂිත ආකාරවලට සකස් කරගත් අර්ධසන්නායකද පවතිනවා. මේවා තනි මූලද්‍රව්‍ය නොව මූලද්‍රව්‍ය කිහිපයක් එකතු කොට සාදාගත් සංයෝග වේ. එනිසා සිලිකන්, ජර්මේනියම් යන දෙක "මූලද්‍රව්‍ය අර්ධසන්නාය" (element semiconductor) ලෙස හැඳින්විය හැකි අතර, අනෙක් විශේෂ ආකාර "සංයෝග අර්ධසන්නායක" (compound semiconductor) ලෙස හැඳින්විය හැකියි. සිලිකන් කාබයිඩ් (Silicon Carbide), බොරෝන් නයිට්‍රයිඩ් (Boron Nitride), බොරෝන් අාසනයිඩ් (Boron Arsenide), Aluminum Nitride, Gallium Nitride, Gallium Phosphide, Gallium Arsenide, Cadmium Sulphide, Gallium Arsenide Phosphide, Indium Gallium Nitride ආදී වශයෙන් සිය ගණනක් වූ කම්පවුන්ඩ් සෙමිකන්ඩක්ටර් ඇත.

සටහන  
කම්පවුන්ඩ් සෙමිකන්ඩක්ටර් කිහිපයක නම් බැලූ විට, ඔබට එහි යම් රටාවක් දක්නට ලැබේ (රසායන විද්‍යාව ගැන සුලු දැනුමක් හෝ තිබේ නම්). එනම් 4 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍ය දෙකක් හෝ කිහිපයක් සංයෝග කළ හැකියි (උදා: කාබන් හා සිලිකන් → silicon carbide). 3 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යයක් සමග 5 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යක් සංයෝග කළ හැකියි (උදා: ඇලුමිනියම් හා නයිට්‍රජන්, ඇලුමිනියම් හා ෆෙස්ෆරස්, බොරෝන් හා නයිට්‍රජන්, ආදී ලෙස). 2 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යයක් සමග 6 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යක් සංයෝග කළ හැකියි.

ආවර්තිතා වගුවේ d ගොනුවේ මූලද්‍රව්‍ය බොහොමයක්මත් සාමාන්‍ය 2 හා 3 කාණ්ඩවල මූලද්‍රව්‍ය සේම හැසිරෙන නිසා, ඒවාද ඉහත ආකාරයට සංයෝග කළ හැකියි (උදා: සින්ක් සල්ෆයිඩ්). තවද, මූලද්‍රව්‍ය දෙකක් නොව, තුනක් හෝ හතරක් ආදි ලෙසද සංයෝග කළ හැකියි (උදා: ඉන්ඩියම් ගැල්ලියම් නයිට්‍රජන්). මේ ආකාරයට සිය ගණන් වූ සංයෝග අර්ධසන්නායක ද්‍රව්‍ය සාදා ගත හැකියි.

අර්ධසන්නායක සියල්ලම 100% ක්ම එකම ගතිගුණ පෙන්වන්නේ නැත. ඉම්පියුරිටි නොදමා ඇති විට (නිසඟ) සන්නායකතාව, මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන (හා සිඳුරු) ගමන් කරන වේගය, බන්ධන ශක්තිය, ප්‍රතිරෝධකතා තාප සංගුණකය ආදිය එවැනි වැදගත් ගුණාංග වේ.

අර්ධසන්නාය යොදාගෙන ඉතා විශාල උපාංග ප්‍රමාණයක් නිපදවනවා. සූර්යකෝෂ, ඩයෝඩ, ට්‍රාන්සිස්ටර්, සිලිකන් කන්ට්‍රෝල්ඩ් උපාංග, පෙල්ටියර් මොඩ්‍යුල්ස්, එල්ඊඩී, විවිධාකාරයේ සෙන්සර් (සංවේදක) මේ අතර වේ. මේ එක් එක් උපාංගයක් සඳහා විවිධ අර්ධසන්නායක ගුණ අවශ්‍ය වේ. උදාහරණයක් ලෙස, රතුපාට නිකුත් කරන LED සඳහා ගැලියම් ෆෙස්ෆයිඩ් යොදා ගත හැකි අතර, නිල් ආලෝකය නිකුත් කරන LED සෑදීමට නම් සින්ක් සෙලිනයිඩ් යොදා ගත හැකියි. දැනට පවතින සූර්යකෝෂවලින් ඊට ලැබෙන සූර්යාලෝක ශක්තියෙන් 30% ටත් අඩු ප්‍රමාණයක් තමයි විදුලි ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කරන්නේ. ඉතිං විද්‍යාඥයින් දැනටත් පර්යේෂණ කරනවා එම අගය තවත් ඉහළ දැමීමට හැකි අර්ධසන්නායක (හෝ වෙනත්) ද්‍රව්‍යයක් නිපදවීමට. ඒ කියන්නේ සංයෝග අර්ධසන්නායක ද්‍රව්‍ය ක්ෂේත්‍රය වේගයෙන් දියුණු වන්නක්.
විවිධ උපාංග සඳහා අර්ධසන්නායක යොදා ගන්නා නිසා, ඒ සියල්ල ගැනම පොදුවේ කරුණු දැක්වීමට නොහැකියි. එනිසා, මෙතැන් සිට ඩයෝඩ, ට්‍රාන්සිස්ටර්, අයිසී වලට අදාලව අර්ධසන්නායක ගැන කතා කෙරෙනු ඇත.

මාත්‍රණය

මූලද්‍රව්‍ය හෝ සංයෝග ස්වරූපයෙන් පවතින නිසඟ අර්ධසන්නායක පළමුව ඉතා පිරිසිදු මට්ටමින් තිබිය යුතුය. ඒ කියන්නේ වෙනත් මූලද්‍රව්‍ය පරමාණු ඒ තුල නොතිබිය යුතුය. මෙම පිරිසිදු කරන ක්‍රියාවලියද වියදම් සහගතයි.



මෙලෙස පිරිසුදු කරගත් අර්ධසන්නායක කෙලින්ම අපට ප්‍රයෝජනයට ගත නොහැකියි. මේවාට පිටතින් ඉම්පියුරිටි එකතු කළ යුතුය. මෙමඟින් හැකි වෙනවා නිසඟ අර්ධසන්නායකවල පවතින ගුණ වෙනස් කරන්නට. විශේෂයෙන් සන්නායකතාව යන ගුණය වෙනස් වෙනවා. එකතු කරන ඉම්පියුරිටි ප්‍රතිශතය අනුව මෙම වෙනස්වීමේ ප්‍රමාණය තීරණය වෙනවා. ඇත්තටම ඉම්පියුරිටි එකතු කරන්නේ ඉතාම ස්වල්ප ප්‍රමාණයකින් (එය ප්‍රතිශතයක් ලෙස හෝ parts per million (PPM) ක්‍රමයෙන් දැක්විය හැකියි).

මාත්‍රණය කළ පසු අපට දෙවර්ගයක අර්ධසන්නායක හමු වෙනවා. ඉන් එකක් p-type (p වර්ගය) කියාද, අනෙක් වර්ගය n-type (n වර්ගය) කියාද හැඳින්වෙනවා. පීද එන්ද කියා තීරණය කරන්නේ එකතු කරන ඉම්පියුරිටි ද්‍රව්‍යයි. එය තීරණය කිරීම ඉතාම පහසුයි. එකතු කරන්නේ iii වැනි කාණ්ඩයේ ඉම්පියුරිටි ද්‍රව්‍යයක් නම් හැමවිටම ලැබෙන්නේ p වර්ගයයි. එකතු කරන්නේ v වැනි කාණ්ඩයේ එකක් නම් හැමවිටම n වර්ගය ලැබේ. පහත රූපවලින් එය පැහැදිලි කළ හැකියි.


 
3 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍ය පරමාණුවක (බෝරෝන් වැනි) අවසන් ශක්ති මට්ටමේ තිබෙන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන 3කි. එවැනි පරමාණුවක් ඉලෙක්ට්‍රෝන 4ක් තිබෙන අර්ධසන්නායක පරමාණු දැලිසක් තුළට ගිය විට පහත රූපයේ දැක්වෙන ආකාරයට එක් ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් මදි වෙනවා බන්ධනයක් සෑදීමට. ඒ කියන්නේ තාපයේ බලපෑම නිසා (ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් මුක්ත කිරීමෙන්) සෑදූණු සිඳුරක් වෙනුවට ස්ථිර වශයෙන්ම සිඳුරක් දැන් දැලිස තුළ පවතිනවා. සිඳුරු යනු ධන ආරෝපිත යැයි සලකන නිසා, ස්ථිරවම මෙලෙස සිඳුරු ඇති කළ නිසා දැන් මෙලෙස මාත්‍රණය කළ අර්ධසන්නායකය P වර්ගය ලෙස හැඳින්වෙනවා (p යනු positive (ධන) යන්නයි). ඉතිං බොරෝන් (හෝ වෙනත් 3 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යයක්) පරමාණු 100ක් දැලිසට මාත්‍රණය වී ඇත් නම්, එවැනි සිඳුරු 100ක් ඇති වෙනවා. ඒ කියන්නේ මාත්‍රණය කරන ඉම්පියුරිටි ප්‍රමාණය මත ඇති කරන සිඳුරු ගණන තීරණය වෙනවා. සිඳුරු (හෝ ඉලෙක්ට්‍රෝන) ගණන මඟින් එම ද්‍රව්‍යයේ සන්නායකතාවද තීරණය වෙනවා. ඒ අනුව මාත්‍රණය මඟින් අර්ධසන්නායකයේ සන්නායකතාව අපට අවශ්‍ය අගයක් දක්වා වෙනස් කර ගත හැකියි ඉතාමත්ම නිවැරදිවම.



ඉහත කතා කළේ පී වර්ගය ගැනයි. දැන් v කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යයක් (පොස්ෆරස්, ඇන්ටිමනි (Sb) වැනි) නිසඟ අර්ධසන්නායකයට මාත්‍රණය කළා යැයි සිතන්න. 5 වැනි කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍ය පරමාණුවක අවසන් ශක්ති මට්ටමේ ඉලෙක්ට්‍රෝන 5ක් ඇත. මෙවැනි පරමාණුවක් පහත රූපයේ දැක්වෙන පරිදි නිසඟ අර්ධසන්නායක පරමාණු සමග බන්ධන සාදන විට, වැඩිපුර ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් ඉතිරි වේ. ඒ කියන්නේ බන්ධනවලට සහභාගී නොවන ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් දැන් ඇත. මෙම මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝනයද තාපය නිසා ඇති වූවක් නොව, මාත්‍රණය නිසා ඇති වූවකි. ඉලෙක්ට්‍රෝන යනු ඍණ නිසා, මෙම ද්‍රව්‍ය N වර්ගයේ අර්ධසන්නායක ලෙස හැඳින්වේ (N යනු Negative (ඍණ) යන්නයි).


 
පී වේවා එන් වේවා, මේ දෙවර්ගයෙහිම හැමවිටම ඉලෙක්ට්‍රෝන හා සිඳුරු යන දෙකම එකවර පවතී. අර්ධසන්නායකයක් තුළ ඉලෙක්ට්‍රෝන හා සිඳුරු යන දෙකම පොදුවේ ආරෝපන වාහක (charge carriers) යන නමින් හැඳින්වේ. නිසඟ අර්ධසන්නායකයක් තුළ හැමවිටම ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනට සමාන සිඳුරු ගණනක් තිබිය යුතුය (මොකද තාපය නිසා මුක්ත වන සෑම ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් විසින්ම සිඳුරක් සාදන නිසා). එහෙත් පී හා එන් වර්ගවල අර්ධසන්නායකවල (එනම් භාහ්‍ය අර්ධසන්නායකවල) හැමවිටම ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනට වඩා සිඳුරු ගණන වෙනස්ය.

පී වර්ගයේදී මාත්‍රණය නිසාම අලුතින් (වැඩිපුර) සිඳුරු ප්‍රමාණයක් අර්ධසන්නායකය තුළ ඇති කරයි. එනිසා පී වර්ගයේ අර්ධසන්නායකයක් තුළ ඉලෙක්ට්‍රෝනවලට වඩා වැඩියෙන් සිඳුරු ඇත (පී ටයිප් කියා හඳුන්වන්නට හේතුවත් ඒකනෙ). එන් වර්ගයේදී සිඳුරුවලට වඩා ඉලෙක්ට්‍රෝන වැඩියෙන් ඇත.
ප්‍රායෝගිකව අප නිසඟ අර්ධසන්නායක කෙලින්ම භාවිතයට නොගෙන භාහ්‍ය අර්ධසන්නායක යොදාගන්නා නිසා, මෙතැන් සිට අර්ධසන්නායක යන වචනයෙන් බොහෝවිට අදහස් කෙරෙන්නේ මෙලෙස මාත්‍රණය සිදු කළ භාහ්‍ය අර්ධසන්නායක බව මතක තබා ගන්න.

මේ අනුව අර්ධසන්නායකයක් තුළ දැන් දෙවර්ගයක ඉලෙක්ට්‍රෝන ඇත; එලෙසම දෙවර්ගයක සිඳුරුද ඇත. එක් වර්ගයක් නම් තාපය නිසා හටගත් ඒවාය. අනෙක් වර්ගය නම් මාත්‍රණය නිසා ඇති වූ ඒවාය. සාමාන්‍යයෙන් තාපය නිසා හටගත් ආරෝපණ වාහක පවතින උෂ්ණත්වය (හා එවැනි පාරිසරික සාධක) අනුව වෙනස් විය හැකියි (මේ නිසා තමයි ට්‍රාන්සිස්ටර් ආදියට උෂ්ණත්වය වැඩිවීම විශාල ප්‍රශ්නයක් වන්නේ). එහෙත් මාත්‍රණය නිසා ඇති වූ වාහක පරිසර සාධක අනුව වෙනස් නොවේ. තවද, තාපය නිසා හටගත් වාහකවලට වඩා ඉතා වැඩි ප්‍රමාණයක් මාත්‍රණයෙන් ඇති කරන වාහක පවතී. එනිසා දැන් අපට මෙම වාහක වර්ග දෙක වෙන් වෙන්ව හඳුනාගත හැකියි. තාපය නිසා ඇතිවන ආරෝපන වාහක "සුලුතර වාහක" (minority carriers) ලෙසද, මාත්‍රණය නිසා ඇතිවන වාහක "බහුතර වාහක" (majority carriers) ලෙසත් හැඳින්වේ.

ඒ කියන්නේ, එන් ටයිප් අර්ධසන්නායකයක තාපය නිසා හටගත් ඉලෙක්ට්‍රෝන සුලුතර ඉලෙක්ට්‍රෝන/වාහකය වන අතර, මාත්‍රණය නිසා හටගත් ඉලෙක්ට්‍රෝන බහුතර ඉලෙක්ට්‍රෝන/වාහක වේ. එලෙසම, පී ටයිප් අර්ධසන්නායකයක තාපය නිසා හටගත් සිඳුරු සුලුතර සිඳුරු/වාහක ලෙස හැඳින්වෙන අතර, මාත්‍රණය නිසා ඇති වූ සිඳුරු බහුතර සිඳුරු/වාහක වේ.

මෙය තමයි මාත්‍රණයේ නියම වටිනාකම. උෂ්ණත්වය නිසා සන්නායකතාව හා වෙනත් ගුණ වෙනස් වීම සර්කිට් නිර්මාණය කිරීමේදී හරිම කරදරයක්. උදාහරණයක් ලෙස සිතමු යම් සන්නායකයක මාත්‍රණයෙන් ඇති කළ වාහක 99% ක්ද, උෂ්ණත්වය නිසා ඉතිරි 1% ද ඇති වෙනවා කියා. ඉන් අදහස් කරන්නේ සන්නායකතාවේ 99% ක් පමණ රඳාපවතින්නේ බහුතර වාහක මත වන බවයි; සන්නායකතාවේ ඉතිර් 1% සුලුතර වාහක මත රඳා පවතී. මෙමඟින් අර්ධසන්නායක උෂ්ණත්වය මත එහි ගුණාංග වෙනස් කිරීම විශාල ලෙස අඩු වේ. එහෙත් අවාසනාවකට මෙන් තවමත් සුලු ප්‍රමාණයෙන් හෝ සුලුතර වාහකවල ක්‍රියාකාරිත්වය තිබෙන නිසා, තවමත් එම උපාංගවලට උෂ්ණත්වය බලපානවා (එනිසා තවමත් පරිපථ සැලසුම් කරන විට, උෂ්ණත්වය සැලකිල්ලට ගැනීමට සිදු වේ).

පී හෝ එන් ටයිප් අර්ධසන්නායක කැබැල්ලක් ගෙන ඊට විදුලි විභවයක් යෙදූ විට, විදුලියක් සන්නයනය වේ. එන් ටයිප් අර්ධසන්නායක කැබැල්ලක් නම් සවිකර තිබෙන්නේ, බැටරියේ ඍණ අග්‍රයේ සිට ඉලෙක්ට්‍රෝන එන් සන්නායකයට ලැබෙන අතර, එම ඉලෙක්ට්‍රෝන අර්ධසන්නායකය දිගේ ගමන් කොට බැටරියේ ධන අග්‍රයට නැවත පැමිණේ. එන් ටයිප් සෙමිකන්ඩක්ටරයේද බහුතර වාහකය ඉලෙක්ට්‍රෝන බැවින් මෙය පහසුවෙන් සිදු වේ. ඒ කියන්නේ බැටරියේ ඍණ අග්‍රයේ සිට බැටරියේ ධන අග්‍රය දක්වා ඉලෙක්ට්‍රෝන ධාරාවක් ගලා ගියා. මෙය විදුලි ධාරාවයි. එහෙත් සම්මත ධාරාව යනු හැමවිටම ධන අග්‍රයේ සිට ඍණ අග්‍රය දක්වා ධන ආරෝපිත අංශු ගමන් කිරීමක් කියා සිතන නිසා, ඉහත ඍණ අග්‍රයේ සිට ධන අග්‍රය දක්වා ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කිරීමම ධන අග්‍රයේ සිට ඍණ අග්‍රය දක්වා (ධන ආරෝපණ ගමන් කළ) සම්මත ධාරාවක් ගලා ගියා සේ සිතිය හැකියි.


 
දැන් පී ටයිප් අර්ධසන්නායකයක් සවි කර ඇතැයි සිතමු. එවිට බැටරියේ ධන අග්‍රයේ සිට ඍණ අග්‍රය දක්වා ධන ආරෝපිත අංශු (සිඳුරු) ගලා යයි. මෙය සම්මත ධාරාව ලෙසම සැලකිය හැකියිනෙ. එහෙත් ඔබ අසාවි බැටරියෙන් කොහොමද සිඳුරු පිටවන්නේ කියා මොකද බැටරියක තිබෙන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන විතරයිනෙ. ඔව්, බැටරියේ සිඳුරු නැත. සත්‍ය ලෙසම මෙහිදීද ගමන් කළේ ඉලෙක්ට්‍රෝනම තමයි. එනම් බැටරියේ ඍණ අග්‍රයේ සිට ධන අග්‍රය දක්වා ඉලෙක්ට්‍රෝන තමයි දැනුත් ගමන් කරන්නේ. එහෙත් අර්ධසන්නායකය තුළ සිදුවන ක්‍රියාවලියට අවධානය යොමු කරන්න. එහි ඕනෑ තරම් සිඳුරු තිබේ. ඉතිං බැටරියේ ඍණ අග්‍රයෙන් ඉලෙක්ට්‍රෝන මෙම සිඳුරු අධික අර්ධසන්නායකය තුළට ඇතුලු වන විට, බැටරියේ ඍණ අග්‍රය ආසන්නයේ පවතින සිඳුරු විසින් බැටරියෙන් ඇතුලු කළ ඉලෙක්ට්‍රෝන ආකර්ෂණය කරගෙන තම සිඳුරු වසා ගනී. මෙම සිදුවීම නිසා පෙරත් සඳහන් කළ ආකාරයට, දැලිසේ වෙනත් තැනකින් එම සිඳුරු නැවත මතු වේ. මෙම සම්පූර්ණ ක්‍රියාවලිය පිටතින් බැලූ විට පෙනෙන්නේ අර්ධසන්නායකය තුළ සිඳුරු ධන අග්‍රයේ සිට ඍණ අග්‍රය දක්වා ගමන් කළ බවයි (ඉහත b රූපය).

ඉලෙක්ට්‍රෝන හෝ සිඳුරු හෝ ගමන් කරන්නේ යම් වේගයකින් වන අතර එම වේගය වාහකයේ (එනම් සිඳුරේ හෝ ඉලෙක්ට්‍රෝනයේ) ප්ලාවිත වේගය (drift velocity) ලෙස හැඳින්වේ. එය ඉතාම කුඩා වේගයකි.

සටහන
 අර්ධසන්නායක තුළින් පමණක් නොව, ඕනෑම සන්නායකයක් තුළින් ආරෝපණයක් ගමන් කරන්නේ මෙම ප්ලාවිත වේගයෙනි. මෙම වේගය ගමන් කරන ආරෝපිත අංශුවේ ප්‍රමාණය හා ස්වභාවය මතද, සන්නායකයේ ස්වභාවය මතද තීරණය වෙනවා. ඒ කෙසේ වෙතත් මෙම වේගය ඉතාම කුඩාය (තත්පරයට මිලිමීටරයකටත් අඩු). මෙවැනි කුඩා වේගයකින් නම් විදුලිය ගමන් කරන්නේ කොහොමද විශාල දුරකට විදුලිය ක්ෂණිකව ගමන් කරන්නේ?

ඊට හේතුව මෙයයි. විදුලිය ගමන් කරන විට, තනි තනි ඉලෙක්ට්‍රෝනය හෝ ආරෝපණය ගැන සැලකිල්ලක් දක්වන්නේ නැත (ඇත්තටම ක්වන්ටම් විද්‍යාව අනුව, එක් ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් තවත් ඉලෙක්ට්‍රෝනයකට සර්වසමයි එහි ගතිගුණවලින් (indistinguishable particles) ). යම් සන්නායකයක් කොතරම් දිග වුවත්, එහි දෙපසට වෝල්ටියතාවක් (හෝ විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක්) ලබා දුන් විගස, එහි එක් කෙලවරකින් ආරෝපණ ඇතුලු වන අතර, අනෙක් කෙළවරින් ආරෝපණ ඇතුලු වූ වේගයෙන්ම ඉවත් වේ. එය හරියට දැනටමත් වතුර පිරී ඇති වතුර හෝස් එකක් පයිප්පයකට සවි කළා වගේය (පයිප්පය ඇරපු ගමන් හෝස් එකෙන් වතුර එන අතර, එසේ එලියට ආවේ හෝස් එකේ දැනටමත් කට ළඟ තිබූ වතුර මිස පයිප්පයෙන් මේ දැන් ඇතුලු වූ වතුර නොවේ; මේ දැන් ඇතුලු වූ වතුර එලියට එන්නට තවත් කාලයක් ගත වේවි හෝස් එකේ දිග අනුව). එනිසයි විදුලියට ආලෝකයේ වේගයට සමාන වේගයක් ඇතැයි කියන්නේ. විදුලිය ප්‍රායෝගිකව එතරම් වේගයකින් ගමන් කරනවා සේ පෙනෙන්නේ තනි තනි ආරෝපණය ගැන සැලකිලිමත් වී නොව, සමස්ත ආරෝපණ/ඉලෙක්ට්‍රෝන සැලකිල්ලට ගෙනයි.

උදාහරණයක් වශයෙන් ප්ලාවිත ප්‍රවේගය තත්පරයට මිලිමීටර් 1 නම්, කිලෝමීටර් 1000ක් දිග වයරයක් දිගේ එම ඉලෙක්ට්‍රෝනය එක් අග්‍රයක සිට අනෙක් අග්‍රය දක්වා ගමන් කිරීමට අවුරුදු 31ක් පමණ යාවි ( ((1000x1000x10000 mm)/1mmS-1))/(60x60x24x365) ). එහෙත් අපට කිසිම ප්‍රශ්නයක් නැහැ එම ඉලෙක්ට්‍රෝනයට කොතරම් කාලයක් ගියත් ඒ සඳහා මොකද අවසාන වශයෙන් සන්නායකයේ තිබෙන සියලු ඉලෙක්ට්‍රෝන එකට ක්‍රියාකර විදුලිය ක්ෂණිකව එක් අග්‍රයක සිට අනෙක් අග්‍රයට යොමු කරවනවා.
ඇත්තටම ඉහත විස්තරයත් ගැලපෙන්නේ ඩීසි විදුලියක් සඳහා පමණි. ඩීසී විදුලියකදී ඉලෙක්ට්‍රෝන/ආරෝපන එකම දිශාවකට ගමන් කරනවා ඉහත විස්තර කළ ලෙසට. එහෙත් ඒසී විදුලියකදී තත්වය වෙනස් වෙනවා. ඒසී විදුලියකදී යම් කාලයක් ඉලෙක්ට්‍රෝන යම් දිශාවකට ප්ලාවිත වෙනවා. ඉන්පසු ඊට සමාන කාලයකදී එම ඉලෙක්ට්‍රෝනම ආපසු දිශාවට ප්ලාවිත වෙනවා. ඒ කියන්නේ මුලින් ගිහිපු දුර ආපස්සට යනවා. දැන් ඒසී විදුලියේ එක් තරංගයකදී ඉලෙක්ට්‍රෝනවල මුලු ගමන් කළ දුර බිංදුවයි. ඒ කියන්නේ ඒසී විදුලියකදී ඉලෙක්ට්‍රෝන කිසිම දුරක් ගමන් කරන්නේ නැත. සිදු වන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන එක තැන සිට ඉදිරියට පසුපසට පැද්දීම/කම්පනය වීම පමණි. එහෙත් මෙහිදීද සමස්ථ ආරෝපනයේම ක්‍රියාකාරිත්වය මිස තනි තනි ආරෝපණය ගැන සැලකිලිමත් නොවන නිසා, පෙර විස්තර කළ පරිදිම සන්නායකය කොතරම් දිග වුවත් විදුලිය ක්ෂණිකවම එක් කෙලවරක සිට අනෙක් කෙලවර දක්වා ගමන් කළ බව පෙනෙනවා

ආරෝපණයක් කොතරම් වේගයකින් ප්ලාවිත වෙනවාද යන්න පැහැදිලි කිරීමට ආරෝපණ වාහකයේ "සචලතාව" (mobility) යනුවෙන්ද ගුණයක් අර්ථ දක්වා තිබෙනවා. ඒ කියන්නේ යම් ආරෝපණ වාහකයක සචලතාව වැඩි නම්, එම ආරෝපණ වාහකය යම් විදුලි ක්ෂේත්‍රයකට ලක් කළ විට, වැඩි ප්ලාවිත වේගයකින් ගමන් කරනවා. සචලතාව (µ), ප්ලාවිත ප්‍රවේගය (u), හා විදුලි ක්ෂේත්‍රය (E) (විදුලි ක්ෂේත්‍රය මීටරයට වෝල්ට් යන ඒකකයෙන් මැනේ) අතර පහත සූත්‍රයෙන් පෙන්වන ආකාරයේ සම්බන්ධතාවක් ඇත.

ප්ලාවිත ප්‍රවේගය = සචලතාව x විද්‍යුත්-ක්ෂේත්‍රය u = µE

ඉලෙක්ට්‍රෝනවල සචලතාව සිඳුරුවලට වඩා වැඩිය. තවද, ඉලෙක්ට්‍රෝනවල සචලතාව අයනවලට (ධන හා ඍණ අයන දෙවර්ගයම) වඩාද වැඩිය. සචලතාව වැඩි නිසා ඉලෙක්ට්‍රෝන වැඩිපුර ක්‍රියාත්මක වන අර්ධසන්නායකවල ක්‍රියාශීලිත්වය වැඩිය. එනිසා වේගවත් ක්‍රියාකාරිත්වයන් සහිත උපාංග සඳහා බහුලව යොදා ගන්නේ එන් ටයිප් අර්ධසන්නායකවලින් සෑදූ උපාංග වේ (උදාහරණ ලෙස, PNP ට්‍රාන්සිස්ටර්වලට වඩා NPN ට්‍රාන්සිස්ටර් වේගවත්ය).

දැන් අපට P හා N ලෙස අර්ධසන්නායක දෙකක් ඇත. මෙම පී හා එන් අර්ධසන්නායක එක් එක් ආකාරවලින් සම්බන්ධ කිරීමෙන් තමයි ඩයෝඩ, ට්‍රාන්සිස්ටර් ආදී වැදගත් උපාංග සාදා ගන්නේ. මේ සියල්ලටම පෙර, P-N සන්ධි ගැන දැන ගෙන සිටීම වැදගත්.


ඉලෙක්ට්‍රෝනික්ස් (electronics) ...

No comments:

Post a Comment