Monday, January 11, 2016

ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් III (Electronics) - 8



පී හා එන් ටයිප් සෙමිකන්ඩක්ටර් විවිධ ප්‍රමාණවලින් මාත්‍රණය කළ හැකි බව ඔබ දන්නවා. සුලු වශයෙන් මාත්‍රණය කරපු සෙමිකන්ඩක්ටර් තමයි බහුලවම භාවිතා වෙන්නේ (ඉලෙක්ට්‍රෝනික උපාංග සෑදීම සඳහා). එහෙත් සමහර අවස්ථා තිබෙනවා විදුලිය සන්නයනය කිරීම සඳහාද (එනම් විදුලි සන්නායක වයර් මෙන්) සෙමිකන්ඩක්ටර් භාවිතා වෙනවා (විශේෂයෙන් අයිසී තුළ විදුලිය ගමන් කරවන්නේ සෙමිකන්ඩක්ටර්වලින් සෑදූ විදුලි මාර්ග ඔස්සේය). මෙම අරමුණින් සැකසූ සෙමිකන්ඩක්ටර්වල මාත්‍රණ මට්ටම තරමක් වැඩියි (එනම්, වැඩිපුර ඉම්පියුරිටි එකතු කර ඇත).

සමහරවිට, එකම උපාංගය තුළම මට්ටම් දෙකකින් (හෝ කිහිපයකින්) මාත්‍රණය කළ සෙමිකන්ඩක්ටර් තිබෙන්නට හැකියි. මෙවැනි අවස්ථාවක ඒ අවස්ථා දෙක වෙන් වෙන්ව හැඳින්වීමට ක්‍රමයක් සම්මත කරගෙන ඇත. අඩු මාත්‍රණය සහිත අවස්ථාව p- හෝ n- ලෙසද, වැඩි මාත්‍රණය සහිත අවස්ථාව p+ හෝ n+ ලෙසද දක්වනවා.

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.

P-N සන්ධිය

පී වර්ගයේ අර්ධසන්නායක කැබැල්ලකුත් එන් වර්ගයේ අර්ධසන්නායක කැබැල්ලකුත් පහත රූපයේ ආකාරයට එකිනෙකට ස්පර්ශව තැබූ විට පී එන් සන්ධියක් (PN junction) සෑදේ. බැලූ බැල්මට නිකංම පී කැබැල්ලකුත් එන් කැබැල්ලකුත් ගෙන එකිනෙකට ළඟින් තබා ඇතැයි සිතුවත්, ඇත්තටම පී එන් සන්ධිය නිර්මාණය කරන්නේ එකම නිසඟ අර්ධසන්නායක කැබැල්ලක එක් පැත්තක් පී වන පරිදි මාත්‍රණය කර හා අනෙක් පස එන් වන පරිදි මාත්‍රණය කිරීමෙනි (යම් දණ්ඩක අඩක් එක් වර්ණයකින්ද අනෙක් අඩ තවත් වර්ණයකින්ද පාට කරනවා වැනි වැඩකි).


 
ඇත්තෙන්ම මෙම ප්‍රකාශයද එතරම්ම නිවැරදි නොවන්නට පුලුවන් මොකද ප්‍රායෝගිකව මෙම සන්ධි මීටත් වෙනස් ආකාරවලින් සාදන නිසා. උදාහරණයක් ලෙස, පළමුව නිසඟ අර්ධසන්නායක කැබැල්ල සම්පූර්ණයෙන්ම පී ආකාරය බවට පත් කර, ඉන්පසු ඉන් එක් පැත්තක් නැවත එන් ආකාරය බවට පත් කිරීම සඳහා මාත්‍රණය සිදු කරනවා (මෙය හරියට යම් දණ්ඩක් පළමුව සම්පූර්ණයෙන්ම එක් වර්ණයකින් පාට කර, ඉන්පසු තවත් වර්ණයකින් එම දණ්ඩෙන් අඩක් පාට කරනවා වැනිය).

පීඑන් සන්ධියක අපූරු ක්‍රියාකාරිත්වයක් පවතිනවා. පී කැබැල්ලේ වැඩිපුර තිබෙන්නේ ධන ආරෝපිත සිඳුරු වේ (ඊට අමතරව සුලුතර වාහකය වන ඉලෙක්ට්‍රෝනද තිබෙන බව ඔබ දැන් දන්නවා). එලෙසම එන් කැබැල්ලේ වැඩිපුර තිබෙන්නේ ඍණ ආරෝපිත ඉලෙක්ට්‍රෝන වේ (ඊට අමතරව සුලුතර වාහකය වන සිඳුරුද තිබෙනවා). පී කැබැල්ලේ සිඳුරු වැඩිපුර තිබුණත් එය තවමත් උදාසීනයි (neutral). සිඳුරු වැඩිපුර ඇතත් එම පී කැබැල්ලේ ඇති සෑම පරමාණුවකම සමාන ප්‍රෝටෝන හා ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනක් තවමත් තිබෙනවා (ඔබ දන්නවා උදාසීන නොවන්නේ ප්‍රෝටෝන ගණන හා ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන අසමාන වූ විට පමණයි). එලෙසම එන් කැබැල්ලත් උදාසීනයි.

සමහරෙකුට තවමත් බාහ්‍ය අර්ධසන්නායක උදාසීන බව තේරුම් ගැනීමට අපහසු විය හැකියි. ඊට හේතුව වැඩිපුර ඉලෙක්ට්‍රෝන හෝ සිඳුරු පැවතීමයි උදාසීනබවයි පටලවා ගැනීමයි. මෙහෙම තර්ක කර බලන්න. සෑම මූලද්‍රව්‍ය පරමාණුවකම ප්‍රෝටෝන ගණනට සමාන ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණනක් තිබෙන විට, ඒවා උදාසීන යැයි සලකනවානෙ. මාත්‍රණය කිරීමට පෙර තිබූ නිසඟ අර්ධසන්නායකය මෙන්ම ඉම්පියුරිටි (ඩෝපිං ක්‍රියාවලියට සහභාගි වන්නා යන අරුතින් ඩෝපන්ට් (dopant) යනුවෙන්ද ඉම්පියුරිටි හැඳින්වෙනවා) උදාසීනයි. ඉතිං මාත්‍රණය කළ පසුද ලැබෙන්නේ උදාසීන සංයෝගයක්මයි. එම සංයෝගයෙන් (එනම් භාහ්‍ය අර්ධසන්නායකයෙන්) ඉලෙක්ට්‍රෝන ඉවත් කර දැමිය හැකි නම් හෝ ඉලෙක්ට්‍රෝන පිටතින් ගෙනත් දැමිය හැකි නම් පමණයි ඒවා උදාසීන බවින් ඉවත්ව ආරෝපිත බවට පත් වන්නේ. මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන යනු පිටතින් ගෙනත් දාපු ඒවා නොවේ; එම ද්‍රව්‍යයේම තිබූ ඉලෙක්ට්‍රෝන වේ. ඒ නිසා උදාසීනත්වයට කිසිදු වෙනසක් ඉන් ඇති නොවේ (ඔබේ සල්ලි කලිසම් සාක්කුවේ තිබුණත් කමිස සාක්කුවේ තිබුණත් ඔබ සතු මුදලේ වටිනාකමේ වෙනසක් නැහැ වගේ).

දැන් ඉහත රූපයේ ආකාරයට ඒ දෙක සන්ධි වී තිබෙන විට, ආරෝපණ වාහක ගමන් කරනවා. දෙයක් වැඩිපුර තිබෙන විට, එම වැඩිපුර තිබෙන ස්ථානයේ සිට අඩුවෙන් තිබෙන ස්ථානයට ඒ දෙය ගමන් කරනවා (එය හරියට පීඩන වෙනසක් වගේ හැසිරෙන්නේ). ඉතිං සිඳුරු වැඩිපුර තිබෙන පී කැබැල්ලේ සිට සිඳුරු අඩුවෙන් තිබෙන එන් කැබැල්ලට සිඳුරු ගමන් කිරීම අරඹනවා (විසරණය වෙනවා - diffuse). එලෙසම ඉලෙක්ට්‍රෝන වැඩිපුර තිබෙන එන් කැබැල්ලේ සිට ඉලෙක්ට්‍රෝන අඩුවෙන් තිබෙන පී කැබැල්ලට ඉලෙක්ට්‍රෝන විසරණය වෙනවා. ආරෝපණ ගමන් කිරීම විදුලි ධාරාවක් ලෙස සලකන නිසා, මෙම විසරණය වන ආරෝපණ ධාරාව විසරණ විද්‍යුත් ධාරාව (diffusion current) ලෙස හැඳින්වෙනවා (සම්මත ධාරාව මත පිහිටා කටයුතු කරන නිසා, නිවැරදිවම විසරණ ධාරාව අර්ථ දැක්විය යුත්තේ ධන ආරෝපණ ගමන් කිරීම ලෙසයි; එවිට විසරණ ධාරාවෙ දිශාව වන්නේ එම ධන ආරෝපණ ගමන් කරන දිශාවමයි; ඍණ ආරෝපණ හෙවත් ඉලෙක්ට්‍රෝන නම් ගමන් කරන්නේ, විසරණ ධාරාවේ දිශාව ලෙස සලකන්නේ එම ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කළ දිශාවට විරුද්ධ දිශාවයි). මෙම විසරණය නිසා තවත් සිදුවීම්/ප්‍රතිපල කිහිපයක් ඇති වෙනවා.

ඉලෙක්ට්‍රෝන හා සිඳුරු යනු එකිනෙකට විරුද්ධ ආරෝපණ වාහක දෙකයි. එනිසා ඒ දෙක එකිනෙකට මුණ ගැහෙන විට උදාසීන වී යනවා ( (+1) + (-1) = (0) ). ඒ කියන්නේ එන් පැත්තේ සිට පී පැත්තට ඉලෙක්ට්‍රෝන ගමන් කොට, පී පැත්තේ බහුලවම ඇති සිඳුරු වසා දමනවා. මෙය සැලකිය හැකියි උදාසීනව තිබූ පී පැත්තට දැන් පිටස්තරව පැමිණි ඉලෙක්ට්‍රෝන ඇවිත් තාවකාලිකව ලැඟුම් ගෙන සිටිනවා ලෙස. එ් කියන්නේ දැන් පී කැබැල්ලේ තිබෙන ප්‍රෝටෝන ගණනට වඩා ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන වැඩියි. එනම්, මෙම විසරණ ක්‍රියාව නිසා පී කැබැල්ල ඍණ ආරෝපිත වෙනවා. පී කැබැල්ල දැන් උදාසීන නොවී ඍණ ආරෝපිත වූයේ ඊට පිටතින් (එනම් එන් කැබැල්ලේ සිට) ඉලෙක්ට්‍රෝන පැමිණි නිසා බව පහසුවෙන් තේරුම්ගත හැකියිනෙ.

මෙයම එන් කැබැල්ලටත් සිදු වෙනවා. එනම්, පී පැත්තේ සිට සිඳුරු එන් කැබැල්ල වෙතට ගමන් කොට එහි ඇති ඉලෙක්ට්‍රෝන උරා ගන්නවා. එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස එම පැත්තේ ඉලෙක්ට්‍රෝන අඩු වෙනවා. දැන් එන් පැත්තේ ඉලෙක්ට්‍රෝන ගණන ප්‍රෝටෝන ගණනට වඩා අඩු නිසා උදාසීනව තිබූ එන් කැබැල්ල ධන ආරෝපිත වෙනවා.

මුලදී එන් හා පී කැබැලි දෙකම තිබුණේ උදාසීනවයි. එහෙත් ඉහත සඳහන් කළ ආකාරයට ආරෝපණ වාහක විසරණය වීම නිසා එම කැබැලි දෙකම ආරෝපිත වූවා. කැබැලි දෙකම වෙන වෙනම සැලකූ විට, ඉහත පෙන්වා දුන් පරිදි ආරෝපිත වූවත්, කැබැලි දෙකම එකට සමස්ථයක් ලෙස සැලකූ විට, තවමත් එය උදාසීනයි (හරියට දකුණු පැත්තේ කලිසම් සාක්කුවේ තිබුණු සල්ලි වම් පැත්තේ සාක්කුවට දැම්මාට තමන් සතු මුලු මුදල වෙනස් නොවන්නා වාගේ). එන් පැත්තෙන් ඉලෙක්ට්‍රෝන පී පැත්තේද පී පැත්තේ සිඳුරු එන් පැත්තේද තවමත් තිබෙනවා.


 
ඉහත ක්‍රියාවලිය වැඩිපුර සිදුවන්නේ සන්ධිය ආසන්නයේය. සන්ධියෙන් ඈතට යන්නට යන්නට මෙම විසරණ ක්‍රියාවලිය දුර්වල වෙනවා. මෙහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස, සන්ධිය අවට තිබූ සියලු බහුතර වාහක එකිනෙකට උදාසීන වෙනවා. ඒ කියන්නේ දැන් සන්ධිය අවට ප්‍රදේශය ආරෝපණ වාහකවලින් මුක්ත කලාපයක් (හරියට ඇඳිරි නීතිය දැමූ විට පාරවල්වල කවුරුත් පෙනෙන්නට නැහැ වගේ). සන්ධිය අවට මෙම ආරෝපණ වාහකවලින් තොර/මුක්ත කළාපය හායන/හායිත/හීන පෙදෙස/ස්ථරය (depletion region/layer) හෝ සංක්‍රාන්ති කලාපය (transition region) ලෙස හැඳින්වෙනවා. මෙම හායිත පෙදෙස පීඑන් අර්ධසන්නායක කොටස්වලට සාපේක්ෂව ඉතාම සිහින්ය.

ආරෝපණවලින් මුක්ත නිසා මෙම හායිත පෙදෙස දැන් ප්‍රායෝගිකව ක්‍රියා කරන්නේ පරිවාරකයක් ලෙසයි. ඉහත රූපයේ කහ පාට මැද ස්ථරය තමයි හායිත පෙදෙස වන්නේ. එහි + හා - ආරෝපණ ඇඳ තිබෙන්නේ එම පෙදෙසේ ඉලෙක්ට්‍රෝන හෝ සිඳුරු තිබෙන බව හැඟවීමට නොව, එම පෙදෙස උදාසීන නොවී ඒ පෙන්වා ඇති පරිදි ආරෝපිත වී පවතින බව පෙන්වීමටයි. ඔව්, පෙන්වා ඇති පරිදි හායිත පෙදෙස ආරෝපිත වුවත්, කිසිදු චලනය වන ආරෝපණ වාහකයක් එම පෙදෙසෙහි නොමැත.

ඉහත විස්තර කළ විසරණය (හා හායනය) නිසා, උදාසීනව තිබූ පී හා එන් පැති වෙනුවට දැන් තිබෙන්නේ ආරෝපිත පී හා එන් පැති දෙකකි (වෙන වෙනම සැලකූ විට පී පැත්ත හා එන් පැත්ත ආරෝපිත වුවත්, එම කැබැලි දෙකම එකට සමස්ථයක් ලෙස ගත්තහම තවමත් උදාසීන බව ඉහතදී පෙන්වා දුන්නා). එන් පැත්තේ ධන ආරෝපණයක්ද පී පැත්තේ ඍණ ආරෝපණයක්ද පවතිනවා (කැපෑසිටරයක තහඩු දෙකේ ධන හා ඍණ ආරෝපණ පවතිනවා වාගේ). මෙලෙස දෙපැත්තක එකිනෙකට විරුද්ධ ආරෝපණ දෙවර්ගයක් කඳවුරු බැඳගෙන සිටින විට, ස්වභාවයෙන්ම එතැන විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් හට ගන්නවා ධන පැත්තේ සිට ඍණ පැත්තට.



එකවරම ඉහත විදුලි ක්ෂේත්‍රය හටගත්තාද නොවේ. විසරණය ආරම්භ වූ මොහොතේමයි මෙම විදුලි ක්ෂේත්‍රයත් ආරම්භ වූයේ (මොකද විසරණයේදී පළමු ඉලෙක්ට්‍රෝනය හා පළමු සිඳුර උදාසීන වූ විටයි දෙපැත්තේ ධන හා ඍණ ආරෝපණ තත්වයක් ඇති වූයේ). විසරණය ක්‍රමයෙන් සිදුවෙන විට, දෙපැත්තේ ධන හා ඍණ ගතිය තව තවත් වැඩි වන නිසා, ක්ෂේත්‍රයද ක්‍රමයෙන් ඒ එක්කම වැඩි වෙනවා.

ඉහත ක්ෂේත්‍රය නිසා ඇත්තටම සිදුවෙමින් පැවති විසරණ ක්‍රියාවලිය ඉන් දුර්වල කරනවා. ඒකට හේතුවත් හරිම සරලයි. ඉහත රූපය බලන්න. විසරණය සිදු වන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන එන් පැත්තේ සිට පී පැත්තට ගමන් කිරීම හා සිඳුරු පී පැත්තේ සිට එන් පැත්තට ගමන් කිරීම මඟින්ය. තවද, විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය පිහිටන්නේ ධන පැත්තේ සිට ඍණ පැත්තටයි. ඒ කියන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝනවලට දැන් අපහසුයි විසරණය වෙන්නට, මොකද ඉලෙක්ට්‍රෝනවලට සිදු වී තිබෙන්නේ ක්ෂේත්‍රයට විරුද්ධව ගමන් කිරීමටයි (ගඟේ උඩ දිශාවට පිහිනනවා මෙන්). සිඳුරුවලටත් තත්වය එයමයිනෙ (සිඳුරු පහසුවෙන් වැඩි වැඩියෙන් ගමන් කරනවා විදුලි ක්ෂේත්‍රයේ ධන පැත්තේ සිට ඍණ පැත්තට; එහෙත් මෙහිදී සිඳුරුවලට ගමන් කිරීමට සිදුව ඇත්තේ ඊට විරුද්ධ පැත්තටයි). මේ නිසා විසරණ ක්‍රියාව තව තවත් අඩපණ වෙනවා.

එක් පසකට විසරණය සිදු වෙනවා. අනෙක් පසට විදුලි ක්ෂේත්‍රය වර්ධනය වෙනවා. විසරණය නිසා සන්ධිය දෙපස පිහිටන ආරෝපණ වාහක කඳවුරු දෙක ප්‍රබල වෙනවා. ඒ නිසාම විදුලි ක්ෂේත්‍රය තව තවත් ප්‍රබල වෙනවා. එහෙත් අනෙක් පසින් එසේ ප්‍රබල වන ක්ෂේත්‍රය විසින් විසරණය තවත් දුර්වල කරනවා. විසරණය ක්ෂේත්‍රය වර්ධනය කිරීමට මිතුරෙකු සේ ක්‍රියා කළත්, ක්ෂේත්‍රය හැමවිටම විසරණයට සතුරු විදියට නේද ක්‍රියා කරන්නේ? ඔව්. මෙහි අවසාන ප්‍රතිඵලය දෙදෙනා එක්තරා සමබර (ප්‍රත්‍යාවර්ත) තත්වයකට පත් වීමයි. එවිට, විසරණය සම්පූර්ණයෙන්ම නතර වී තිබෙන අතර, විදුලි ක්ෂේත්‍රය එහි උපරිම අගය දක්වා වර්ධනය වී තිබේවි (විසරණය නතර නොවූයේ නම්, ක්ෂේත්‍රය තව තවත් වර්ධනය වෙනවා). මෙම අවස්ථාව පීඑන් සන්ධියක යම් ගතික සමතුලිතාවක් (dynamic equilibrium) ලෙස හැඳින්වේ.

ඉහත පැහැදිලි කළ ආකාරයේ ක්‍රියාවලි සෑම පීඑන් සන්ධියක පවතී. යොදාගන්නා නිසඟ අර්ධසන්නායකය කුමක් වුවත් (ජර්මේනියම්, සිලිකන්, බෝරෝන් ආසනයිඩ් ආදී), යොදන ඩෝපන්ට් එක කුමක් වුවත් (බෝරෝන්, පොස්පරස්, ආදී) එහි වෙනසක් නැත. එහෙත් ක්‍රියාවලිවල වෙනසක් නැති වුවත් යොදන ද්‍රව්‍ය අනුව ගතිගුණවල (සන්නායකතාව, සචලතාව ආදී) වෙනසක්කම් පවතී.

සන්ධිය ගතික සමතුලිතතාවේ පවතින විට, එහි ඉහත රූපයේ ආකාරයට සන්ධිය දෙපස ආභ්‍යන්තරිකව (internally) උපරිම විදුලි ක්ෂේත්‍රයක් හට ගන්නා බව ඔබ දැන් දන්නවා. මෙම විදුලි ක්ෂේත්‍රය විභව බාධකය (potential barrier - VB) හෙවත් බාධක වෝල්ටියතාව (barrier potential) හෙවත් සන්ධි බාධකය (junction barrier) හෙවත් knee voltage ලෙස හැඳින්වෙනවා. මෙම බාධක වෝල්ටියතාවේ අගය යොදාගන්නා නිසඟ අර්ධසන්නායකය අනුව වෙනස් වෙනවා. දළ වශයෙන් සිලිකන් සඳහා එම අගය 0.7V (or 0.65V) පමණ වන අතර, ජර්මේනියම් සඳහා 0.2V පමණ වේ. මෙම අගය මිලිවෝල්ට් කිහිපයක සිට වෝල්ට් කිහිපයක පරාසයක් පුරා පවතී (යොදා ගන්නා නිසඟ අර්ධසන්නායක ද්‍රව්‍ය අනුව). උදාහරණයක් ලෙස, ඔබ නිතර දකින LED බල්බ සඳහා වෝල්ට් 2 හෝ ඊට වැඩි ගණනක් ලබා දිය යුත්තේ ඒවායේ මෙම විභව බාධකය එතරම් ඉහල නිසාය (මේ ගැන වැඩි විස්තර පසුවට). පහත රූපයේ බාධක විභවය VB ලෙස විදුලිකෝෂයක් ලෙස සංඛේතවත් කර තිබේ.

 
ගතික සමතුලිත අවස්ථාවේදී ආරෝපණ වාහකවල කිසිදු විසරණයක් ඇති නොවන බවත්, විභව බාධකය උපරිම අගයක් ගන්නා බවත් ඉහතදී පැවසුවා. එහෙත් මෙම අවස්ථාවේදී සත්‍ය වශයෙන්ම ආරෝපණ වාහක තවමත් විසරණය වෙනවා ඉතා සුලු වශයෙන්. එසේ වුවත්, මෙම විසරණය පෙර කතා කළ විසරණයට වඩා තරමක් වෙනස්. ඊට හේතුව මෙම විසරණය සිදු වන්නේ මුලින් කතා කළ "ප්‍රධාන" විසරණය සිදුවන දිශාවට විරුද්ධ පැත්තටයි. ඒ ඇයි? පිළිතුර හරිම සරලයි.

ප්‍රධාන විසරණය සිදු වූයේ පී හා එන් පැති දෙකෙහි තිබූ බහුතර වාහක නිසාය. ඊට අමතරව මෙම පැති දෙකෙහි සුලුතර වාහකද පවතිනවා. පී කැබැල්ලේ බහුතර වාහකය සිඳුරු හා සුලුතර වාහකය ඉලෙක්ට්‍රෝන වන අතර, එන් කැබැල්ලේ බහුතර වාහකය ඉලෙක්ට්‍රෝන හා සුලුතර වාහකය සිඳුරු වන බව ඔබ දන්නවා. ඉතිං විභව බාධකය නිසා ඊට විරුද්ධව තවදුරටත් බහුතර වාහකවලට විසරණය වීමට බැරිය. එහෙත් සුලුතර වාහක ගමන් කරන්නේ බහුතර වාහකවලට විරුද්ධ දිශාවට නිසා, ඒවා විදුලි ක්ෂේත්‍රයේ දිශාවටම පහසුවෙන් විසරණය වේ. ක්ෂේත්‍රය ප්‍රබල වන්නට වන්නට මෙම විසරණයද ප්‍රබල වේ. උපරිම ක්ෂේත්‍රයක් පවතින විට (එනම් ප්‍රධාන විසරණය නතර වී ඇති විට), මෙම "අප්‍රධාන" විසරණය ඒ අනුව උපරිම වේ. එහෙත් සුලුතර වාහක පවතින්නේ ස්වල්පයක් පමණි. එනිසා කොතරම් ප්‍රබල වුවත්, මෙම අප්‍රධාන විසරණය ඉතා කුඩාය. මෙම සුලු විසරණය නිසා ඇති වන ධාරාව පසු ධාරාව (reverse current - IR) හෝ සංතෘප්ත ධාරාව (Saturation current – IS) ලෙස හැඳින්වෙනවා.

ඉහතදී මා විසරණ ධාරාව ගැන විස්තර කිරීමේදී සත්‍ය ලෙසම සිදුවන ක්‍රියාවලිය තරමක් සරල කර ඇත. එහි නියම ක්‍රියාකාරිත්වය දැන් මෙසේ විග්‍රහ කළ හැකියි. සන්ධිය දෙපසට එකිනෙකට විරුද්ධව ක්‍රියා කරන විසරණ ක්‍රියාවලි දෙකක් ඇත (ඒ අනුව හටගත් ධාරා දෙකක්ද ඇත). මුලින් සිදු වන්නේ සිඳුරු හා ඉලෙක්ට්‍රෝන ඝනත්වයේ වෙනස්කම නිසා බහුතර වාහක විසරණය වීමයි. ඒ සමගම විදුලි ක්ෂේත්‍රය ඒ විස්තර කළ ආකාරයට වර්ධනයද වේ. ක්ෂේත්‍රයේ වර්ධනය නිසාම "කම්මැලිකමේ සිටින බෙලහීන" සුලුතර වාහකයන්ට උත්තේජනයක් ලැබෙනවා පෙර විස්තර කළ ලෙස (ආපස්සට) විසරණය වීමට (එනම් පසු ධාරාව ගැලීමට). දැන් ක්‍රමයෙන් ප්‍රධාන විසරණය බෙලහීන වෙනවා; ක්ෂේත්‍රය ක්‍රමයෙන් වර්ධනය වෙනවා; පසු විසරණය ක්‍රමයෙන් වර්ධනය වෙනවා. යම් මොහොතකදී විසරණ ධාරාව හා පසු ධාරාව සමාන වෙනවා. මෙම අවස්ථාව තමයි ඇත්තටම ගතික සමතුලිතතාව යනුවෙන් හඳුන්වන්නේ.

මීටත් අමතරව, මේ සෑම අර්ධසන්නායකයකම ඉතාම සුලු වශයෙන් හෝ අපද්‍රව්‍ය (ඩෝපන්ට් නොව) තිබේ. කොතරම් පිරිසිදු කළත් 100%ක්ම අපද්‍රව්‍ය ඉවත් කිරීම ප්‍රායෝගික නැත. මෙම අපද්‍රව්‍ය පැවතීම නිසාද අර්ධසන්නායකවලට යම් සන්නායකතාවක් ලැබේ (“සන්නායකතාවක්” ලැබෙනවා යනු “ධාරාවක් ගලා යනවා” යන්නයි). පෙර නැඹුරුවේදී මෙන්ම පසු නැඹුරුවේදීද මෙම සන්නායකතාව එකතු වේ. පෙර නැඹුරුවේදී ගලා යන ධාරාවට සාපේක්ෂව මෙම අපද්‍රව්‍ය නිසා ඇති වන ධාරාව ඉතාම ඉතාම ඉතා කුඩා නිසා, එය ගණන් නොගැනේ. එහෙත් පසු නැඹුරුවේදී ගලා යන්නේ ඉතාම කුඩා පසු ධාරාවක් නිසා, සමහරවිට අපද්‍රව්‍ය නිසා ඇති වන සන්නායකතාවේ බලපෑම දැනෙන ප්‍රමාණයටම විශාල වේ. ඒ කියන්නේ පසු නැඹුරුව සැලකීමේදී ගලා යන ධාරාව සමන්විත වන්නේ පසු ධාරාව හා අපද්‍රව්‍ය නිසා ඇති වන ධාරාව යන දෙකෙහිම එකතුවයි.

සටහන  
සමතුලිතතාව හා ගතික සමතුලිතතාව යනුවෙන් සංකල්ප දෙකක් ඇත. ඒ දෙක සමාන නොවේ. සමතුලිතතාව අවශ්‍ය නම් ස්ථිතික සමතුලිතතාව යනුවෙන්ද හැඳින්විය හැකියි. එහි තේරුම ඔබ අප සාමාන්‍යයෙන් "සමතුලිතතාව" යනුවෙන් පවසන විට තිබෙන තේරුමයි. එනම්, යමක් චලනය හෝ වෙනස් නොවී පැවතීමයි. උදාහරණයක් ලෙස, මේසය උඩ රබර් බෝලයක් නිසලව ඇති විට, එය තිබෙන්නේ මෙම සමතුලිතතාවේය.

එහෙත් ගතික සමතුලිතතාව යනු තරමක් වෙනස්ය. එහි නිරන්තරයෙන්/සතතයෙන් චලනයක්/වෙනසක් පවතිනවා. ඇත්තටම එක චලනයක්/වෙනසක් නොව, චලන/වෙනස්වීම ගණනාවක්ම එකට සිදුවෙනවා. මෙම චලනයන්/වෙනස්කම් සියල්ල සිදුවන විට, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස අදාල වස්තුව හෝ දෙය චලනයක්/වෙනස්කමක් සිදු නොවන්නාක් සේ පිටතට පෙනේ නම්, එතැන පවතින්නේ ගතික සමතුලිතතාවකි.

උදාහරණයක් ලෙස අවුරුදු උත්සවයේ කඹ ඇදීම ගැන සිතන්න. එහිදී කඹය පැති දෙකක් විසින් එකවර අදිනවා. එහිදී ඔබ දැක ඇති යම් යම් අවස්ථා තිබෙනවා කඹය දෙපසට පොඩ්ඩක්වත් නොගොස් එකතැනම තිබෙනවා. මෙහිදී ඇත්තටම කඹය තවමත් දෙපසට චලනය වෙනවා (අදිනවා), එහෙත් මෙම චලනයන් දෙක සමාන වීම නිසා, කඹය එක පැත්තකටවත් නොගියා සේ අපට පෙනෙනවා. ගතික සමතුලිතාවකුයි එතැන තිබෙන්නේ.

මේ ලෝකයේ/විශ්වයේ ගතික සමතුලිතාවේ පවතින අවස්ථා අපමණ තිබේ. ජල චක්‍රය, ඔක්සිජන් චක්‍රය ආදීයද එක්තරා විදියක ගතික සමතුලිතා පිළිබඳ උදාහරණයි. විසරණ ධාරාව හා පසු ධාරාවද සමාන වූ විට ගතික සමතුලිතතාවක් බව දැන් තේරෙනවා නේද?

සන්ධිය පවතින ගතික සමතුලිතතාව වෙනස් වෙනවා එතැන තිබෙන උෂ්ණත්වය මත. ඒ කියන්නේ සන්ධිය මේ මොහොතේ යම් ගතික සමතුලිතතාවක පවතින්නේ දැන් එතැන තිබෙන උෂ්ණත්වයට ගැලපෙන පරිදිය. එතැන උෂ්ණත්වය වෙනස් කළ විට, ගතික සමතුලිතතාව ඉතා සුලු වෙලාවකට බිඳී අලුත් උෂ්ණත්වයට ගැලපෙන අලුත් ගතික සමතුලිතතාවක් ඇති කර ගන්නවා. එසේ වන්නේ ඇයි?

ඔබ දන්නවා උෂ්ණත්වය වැඩි වන විට, තාපය නිසා අලුතින් ඉලෙක්ට්‍රෝන මුක්ත වෙනවා. ඒ කියන්නේ තාපය වැඩි වන විට, සුලුතර වාහක වැඩි වෙනවා. එමඟින් පසු විසරණයේ/ධාරාවේ අගයද වැඩි වෙනවා. ඒ කියන්නේ, මුලින් ගතික සමතුලිතතාව සිදු වූ ධාරා අගයට වඩා වැඩි (පසු) ධාරා අගයකදී තමයි ගතික සමතුලිතතාව දැන් සිදු විය යුත්තේ. සාමාන්‍ය රීතියක් වශයෙන් සන්ධියේ උෂ්ණත්වය සෙල්සියස් අංශක 7කින් ඉහල යන විට, පසු ධාරාව දෙගුණ වන බව මතක තබා ගන්න.

විභව බාධකය උපරිම වන්නේ විසරණ ධාරාව කුඩා වන තරමටයි. එහෙත් විසරණ ධාරාවට දැන් මුලින්ම තිබූ අගය දක්වා අඩු විය නොහැකියි මොකද එය එහි උපරිම අවම අගයට යෑමට පෙර ගතික සමතුලිතතාවට එළඹෙනවා. උදාහරණයක් ගමු. සෙල්සියස් අංශක 25දී ගතික සමතුලිතතාව සිදු වූයේ පසු ධාරා අගය මයික්‍රොඇම්පියර් 100දී යැයි සිතමු (ගතික සමතුලිතයේදී පසු ධාරා අගයට විසරණ ධාරා අගය සමාන වේ). මෙවිට සිලිකන් සඳහා විභව බාධකය වෝල්ට් 0.7 යැයි සිතමු. දැන් උෂ්ණත්වය 55 යැයි සිතමු. එවිට, සුලුතර වාහක වැඩියෙන් බිහිවීම නිසා ඉහල පසු ධාරාවක් ඇති වේ. මෙම අගය මයික්‍රොඇම්පියර් 200 යැයි සිතමු. ඒ කියන්නේ දැන් ගතික සමතුලිතතාව සිදු වන්නේ මයික්‍රොඈම්ප් 200දීය. ඒ කියන්නේ විසරණ ධාරාවත් දැන් මයික්‍රොඈම්ප් 200 විය යුතුයි. මෙවිට විභව බාධකය වෝල්ට් 0.7 ට වඩා අඩු වේවි.

උෂ්ණත්වයේ විචලනය නිසා සන්ධිවලට කරන ඉහත බලපෑම සුලුපටු නැහැ. ට්‍රාන්සිස්ටර් පරිපථ නිර්මාණයේදී මෙය ඉතාම බරපතල ප්‍රශ්නයක්. ට්‍රාන්සිස්ටර් ආදිය ගැන ඉදිරියේදී ඉගෙන ගන්නා විට, මේ ගැන හොඳින් වැටහේවි.

නැඹුරුව (Bias)

පීඑන් සන්ධියක් දෙපසට විදුලි විභව අන්තරයක් යෙදුවොත් කුමක් වේවිද? විභවය යොදන දිශාව අනුව සිදුවන දේ තීරණය වේ. පහත රූපයේ ආකාරයට පී කැබැල්ලට විදුලි ප්‍රභවයේ (බැටරියේ) ධනද, එන් කැබැල්ලට ඍණද වන පරිදි එම විභව අන්තරය යෙදූ විට, සන්ධිය හරහා විදුලි ධාරාවක් සන්නයනය වෙනවා (හරියට සන්නායක වයරයක් දිගේ විදුලිය ගමන් කරනවා වාගේ). මෙලෙස පීඑන් සන්ධියකට විදුලිය සවි කිරීම පෙර නැඹුරුව (forward bias) ලෙස හැඳින්වෙනවා.



පෙර නැඹුරු කරපු වෝල්ටියතාව පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව (forward bias voltage – VF) ලෙසද, පෙර නැඹුරුව යටතේ ගලා යන විදුලිය පෙර නැඹුරු ධාරාව (forward bias current – IF) ලෙසද හැඳින්වෙනවා.

දැන් පීඑන් සන්ධියට පහත රූපයේ ආකාරයට විභව අන්තරය සපයන්න. මෙහිදී එන් කොටසට බැටරියේ ධන අග්‍රයත්, සන්ධියේ පී කොටසට බැටරියේ ඍණ අග්‍රයත් සම්බන්ධ කර ඇත. මෙලෙස විදුලිය සම්බන්ධ කිරීම පසු නැඹුරුව (backward bias හෝ reverse bias) ලෙස හැඳින්වේ. මෙහිදී න්‍යායාත්මකව සැලකුවොත් කිසිම ධාරාවක් කිසිම දිශාවකට ගලා නොයයි.



පෙර නැඹුරුවේදී විදුලි ධාරාවක් ගැලීමටත් පසු නැඹුරුවේදී ධාරාවක් නොගැලීමටත් හේතුව ඔබ සතුව දැන් පවතින දැනුමින් තර්ක කර පැහැදිලි කරගත හැකියි. භාහිරින් යොදන විභව අන්තරය හා අභ්‍යන්තරයේ ඉබේම සකස් වී ඇති බාධක විභවය අතර සිදුවන ගනුදෙනුව ගැන සිතුවොත් ඔබට එය පැහැදිලි වේවි.

පෙර නැඹුරුවේදී මෙම විභවයන් දෙක එකිනෙකට විරුද්ධ දිශාවලට නේද පවතින්නේ? එවිට, භාහිරින් යොදන විභවය 0 සිට ක්‍රමයෙන් වැඩි කරගෙන යන්න. එකිනෙකට විරුද්ධව පවතින නිසා, මෙලෙස වැඩි කරන විභවය අභ්‍යන්තර විභවය විසින් කපා/අහෝසිකර දමනවා. මෙලෙස එකිනෙකට කැපී යෑම සිදු වන්නේ බාධක විභවයේ අගය දක්වා පමණි. උදාහරණයක් ලෙස (සිලිකන් සන්ධියක් සඳහා) බාධක විභවය 0.7 නම්, භාහිරින් පෙර නැඹුරු වන ලෙස යොදන වෝල්ටියතාව 0.7 දක්වා මෙලෙස කැපී යනවා. දැන් සිතන්න පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව 0.8 දක්වා වැඩි කළා කියා. එවිට, 0.8 – 0.7 = 0.1V ප්‍රමාණයක් කැපී නොගොස් ඉතිරි වෙනවා. මෙන්න මෙම අතිරික්ත වෝල්ටියතාව දැන් පවතින්නේ බැටරියේ වෝල්ටියතාව පවතින දිශාවටයි (එනම් බැටරියේ ධන සිට ඍණ දක්වා). ඉතිං මෙම වෝල්ටියතාව ඔස්සේ, සාමාන්‍යයෙන් සන්නායකයක් දිගේ ආරෝපණ ගමන් කරන්නාක් සේ ගමන් කළ හැකියි. අර්ධසන්නායකවල බහුතර වාහක මෙම විදුලි ගමනාගමනයට සහභාගී වේ.

භාහිර පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව නිසා අභ්‍යන්තර බාධක විභවය අඩු වෙනවා යනු හාහිත පෙදෙස පටු වෙනවා කියන එකයි. ඒ කියන්නේ බාධක විභවය අහෝසි වූ විට මෙම හායිත පෙදෙසත් ඉබේම අහෝසි වී යනවා.

පසු නැඹුරුවේදී පිටතින් යොදන පසු නැඹුරු විභවයත් පිහිටන්නේ අභ්‍යන්තර බාධක විභවය පිහිටන දිශාව ඔස්සේමයි. එනිසා මේ දෙක එකිනෙකට කැපී යෑමක් නොව තව තවත් බාධකය ශක්තිමත් වීමක් සිදු වේ. බාධකය (එනම් බාධක විභවය) ශක්තිමත් වෙනවා යනු හායිත පෙදෙස තව තවත් පළල් වෙනවා කියන එකයි. හායිත පෙදෙස යනු වාහක ගමන් නොකරන පරිවාරක කොටසක් බදුයිනෙ. ඉතිං පසු නැඹුරුවේදී බැටරියේ එක් අග්‍රයකින් පිටවන ආරෝපණ මෙම සන්ධිය හරහා බැටරියේ අනෙක් අග්‍රයට යා නොහැකියි (මෙය ගඟක් හරහා ඇති පාලම කඩා වැටීමට උපමා කළ හැකියි; සාමාන්‍ය විදුලි ස්විචයක් ඕෆ් කිරීමටද උපමා කළ හැකියි).


පසු නැඹුරුවේදී ඉහත පැහැදිලි කළ පරිදි කිසිම ධාරාවක් කිසිම පැත්තකට ගමන් කරන්නේ නැතැයි කීවත් ප්‍රායෝගික තත්වය තරමක් වෙනස්ය. එනම්, පසු නැඹුරුවේදී ඉතාම කුඩා ධාරාවක් පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාව පවතින දිශාව ඔස්සේ ගමන් කරනවා. මීට හේතුව පෙර අප කතා කළ පසු ධාරාවයි. පසු නැඹුරුවේ "හයිය අරගෙන" දැන් වැඩි උද්යෝගයකින් හා තරමක් වැඩි අගයකින් මෙම පසු ධාරාව ගලනවා. කොතරම් ගැලුවත් තවමත් මෙය ඉතා කුඩා (බොහෝවිට නොසලකා හැරිය හැකි තරමේ) ධාරාවකි. ඇත්තටම මෙම කුඩා ධාරාව වැඩිපුර සංවේදී වන්නේ භාහිරින් යොදන නැඹුරු වෝල්ටියතාවට වඩා උෂ්ණත්වයටයි.

පසු නැඹුරු කිරීමට යොදාගත් වෝල්ටියතාව පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාව (reverse bias voltage – VR) ලෙසද, එවිට ගලා යන ධාරාව පසු නැඹුරු ධාරාව (backward current) හෝ කාන්දු ධාරාව (leak current), හෝ පසු ධාරාව (reverse current – IR), හෝ සංතෘප්ත (පසු) ධාරාව ( (reverse) saturation current – IS) ලෙස හැඳින්වේ.

උෂ්ණත්වය, පෙර/පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාව, හා සන්ධිය හරහා ඕනෑම දිශාවකින් ගලා යන ධාරාව අතර පවතින සම්බන්ධතාව පහත සූත්‍රයේ ආකාරයට දැක්විය හැකියි. මෙම සූත්‍රය ප්‍රායෝගික ඩයෝඩ් සමීකරණය (practical diode equation) ලෙස හැඳින්වේ. (වඩා නිවැරදිව එය "පීඑන් සන්ධි සමීකරණය" ලෙස හැඳින්විය යුතුව තිබුණත්, ඩයෝඩ් සමීකරණය යන නම ලැබී තිබෙන්නේ පීඑන් සන්ධිය යනු ඉබේම ඩයෝඩයක්ද වන නිසාය.)

 
මෙහි q හා K යනු නියත පද දෙකක් වේ. මෙම සමීකරණයේ එක් එක් පද පහත දැක්වේ.

K = බොල්ට්ස්මාන් නියතය (Boltzmann constant) වන 1.3806x10-23
q = ඉලෙක්ට්‍රෝනයේ ආරෝපණය (charge of electron) වන කූලෝම් 1.6022x10-19
T = නිරපේක්ෂ උෂ්ණත්වය (absolute temperature) - කෙල්වින් ඒකකයෙන්
V = සන්ධියට භාහිරව යොදා ඇති නැඹුරු විභව අන්තරය
IS = පසු/කාන්දු ධාරාව
I = සන්ධිය හරහා ගලා යන මුලු (සාමාන්‍ය) ධාරාව

ඉහත සූත්‍රයට අගයන් ආදේශ කර ඒ ඒ අවස්ථාවලදී ගලා යන ධාරාව ගණනය කළ හැකියි. පසු නැඹුරු හා පෙර නැඹුරු යන අවස්ථා දෙකටම මෙම සූත්‍රය පොදුය. ඉහත සූත්‍රය යොදා ගණනය කිරීම්වලදී බොහෝ අය ඉහත සූත්‍රයෙන් K, T, q යන පද තුන පමණක් ගෙන VT = KT/q යන අගය වෙනම ගණනය කරනවා උෂ්ණත්වය සෙල්සියස් අංශක 20දී (එනම් සෙල්සියස් "විසි ගණන්වලදී") (සූත්‍රයට යෙදිය යුත්තේ සෙල්සියස් නොව කෙල්වින් ඒකකයෙන් නිසා, එම අගය කෙල්වින්වලින් 293K පමණ වේ). ඒ අනුව, VT = ( 1.3806x10-23)x(293)/( 1.6022x10-19) = 0.025V = 25mV වේ. ඉන්පසු ගණනය කිරීම්වලදී මෙම VT අගය සුදුසු විදියට ආදේශ කළ හැකියි.

දැන් ඉහත සූත්‍රය ඇසුරින් පෙර හා පසු නැඹුරුව ගැන නැවත සලකා බලමු. පෙර නැඹුරුවේදී සාමාන්‍යයෙන් eqV / KT පදය 1 ට වඩා ඉතා විශාල නිසා, 1 අමතක කළ හැකියි (පෙර නැඹුරුව සඳහා පමණි 1 අමතක කර දැමිය හැක්කේ). භාහිර වෝල්ටියතාව (පෙර නැඹුරු අවස්ථාවේදී එය ධන ලෙස සලකා) කෙළින්ම එම සූත්‍රයේ V ට ආදේශ කළ යුතුය. එලෙස ආදේශ කළ විට, eqV / KT යන කොටස විශාල ධන අගයක් ගනී. (උදාහරණයක් ලෙස, eqV / KT අගය 1000 වූවා නම්, ඉන් 1ක් අඩු කිරීමෙන් එතරම් වෙනසක් නොවන නිසායි එම සූත්‍රයේ 1 අමතක කර දැමිය හැකි යැයි පැවසුවෙත්). මෙම විශාල ධන අගය ඉතා කුඩා IS පදයෙන් (මෙම IS පදයද දළ වශයෙන් නියතයකි; උෂ්ණත්වය මත විචලනය වේ) වැඩි කළ විට ලැබෙන්නේ පෙර නැඹුරු ධාරාවයි (IF).

එම සූත්‍රයෙන්ම පසු නැඹුරුව ගැන සලකා බලමු. මෙහිදී පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාව ඍණ අගයක් ලෙස එම සූත්‍රයට ආදේශ කරන්න. එවිට, eq(-V) / KT = 1/eqV / KT ලෙස සැලකිය හැකියි. ඒ කියන්නේ මෙම භාග සංඛ්‍යාවේ 1ට යටින් තිබෙන්නේ අතිවිශාල ධන සංඛ්‍යාවකි. එවිට පිළිතුර ඉතා කුඩා සංඛ්‍යාවක් (දශම සංඛ්‍යාවක්) බවට පත්වේ. දැන් මෙම කුඩා අගයෙන් 1ක් අඩු කළ යුතුයි. 1ත් එක්ක සසඳන විට මෙම කුඩා අගය ඉතාම කුඩා නිසා, පහසුවෙන්ම එම eq(-V) / KT අගය අමතක කර දැමිය හැකියි (උදාහරණයක් ලෙස, 0.001 – 1 = - 0.999 වේ; දළ වශයෙන් -1 ලෙසම ගත හැකියිනෙ). එවිට ඉතිරිවන්නේ -1 පමණයි. මෙම -1න් IS ගුණ කළ විට, -IS ලැබේ. ඒ කියන්නේ කාන්දු ධාරාව ලැබේ අපේක්ෂා පරිදිම. අගය ඍණ නිසා, එය ගලා යන්නේ මුලින් පෙර නැඹුරු ධාරාව ගලා ගිය දිශාවට විරුද්ධ දිශාවට බව පෙනේ.

උෂ්ණත්වය හෝ නැඹුරු වෝල්ටියතාව වෙනස් වීම පීඑන් සන්ධියේ ක්‍රියාකාරිත්වයට බලපාන අයුරු ඉහත සූත්‍රය ඇසුරින් පහසුවෙන්ම දැක්විය හැකියි. සාමාන්‍යයෙන් උෂ්ණත්වය හෝ නැඹුරු වෝල්ටියතාව දෙගුණ කරන විට (octave) එය කෙසේ බලපායිද, දස ගුණයක් කළ විට (decade) කෙසේ බලපායිද යන්න ආදී වශයෙන් සොයා බැලීමේ පුරුද්දක්/සම්ප්‍රදායක් ඇත. බහුතර අවස්ථාවකදී අපට වැදගත් වන්නේ පෙර නැඹුරු අවස්ථාව බවද සිහිතබා ගන්න. උදාහරණයක් ලෙස සන්ධිය හරහා ගලන ධාරාව දෙගුණ වීමට හෝ දසගුණයක් වීමට නම් නැඹුරු වෝල්ටියතාව කොපමණ වැඩි කළ යුතුද කියා සොයා බලමු (පෙර නැඹුරුවේදී).

පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව V1 විට, I1 = IS exp(qV1 / KT) වේ.

සටහන
e පාදයේ දර්ශක නිරූපණය සඳහා විකල්ප නිරූපණ ක්‍රමයක් ඉහත සූත්‍රයේ දක්වා ඇත. ලිවීමේ පහසුව තකා මෙම විකල්ප ක්‍රමයෙන් මා එය (ඩයෝඩ් සමීකරණය) ලියා දක්වා ඇත.


දැන් මෙම පෙර නැඹුරුව වෝල්ටියතාව දෙගුණයක් කළා යැයි සිතන්න. එවිට,
 


මින් පැහැදිලි වෙනවා, පීඑන් සන්ධියක පෙර නැඹුරු (විසරණ) ධාරාව දැන් තිබෙන අගය මෙන් දෙගුණයක් කිරීම සඳහා පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව දැන් තිබෙන වෝල්ටියතාවට වඩා මිලිවෝල්ට් 17.3කින් වැඩි කිරීමට අවශ්‍යයි. එලෙසම, එම ධාරාව දසගුණයකින් වැඩි කිරීම සඳහා පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව මිලිවෝල්ට් 57.6කින් වැඩි කිරීමට අවශ්‍යයි. මෙලෙසම ධාරාව හරි අඩකින් අඩු කිරීමට පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව 17.3mV කින්ද, ධාරාව දස ගුණයකින් අඩු කිරීමට පෙර නැඹුරු වෝල්ටියතාව 57.6mV කින්ද අඩු කළ හැකියි

පසු නැඹුරුව වැඩි කරගෙන යන විට, තවත් අමුතු සිදුවීමක් ඇතිවේ. එනම්, පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාව ක්‍රමයෙන් වැඩි කරගෙන යන විට, මෙතෙක් හොඳ පරිවාරයකයක් ලෙස ක්‍රියා කළ සන්ධිය එකවරම ඉතා හොඳ සන්නායකයක් බවට පත් වේ. එනම්, ඉතා කුඩා කාන්දු ධාරාවක් වෙනුවට අති විශාල ධාරාවක් ගලා යන්නට පටන් ගන්නවා. මෙම අවස්ථාව සන්ධියේ බිඳවැටීම (breakdown) ලෙස හැඳින්වෙනවා.

මෙය සිදුවිය හැකි ආකාර දෙකක් තිබෙනවා. එකක් ක්‍රමයක් නම් මෙයයි. භාහිර පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාව විසින් වේගයෙන් ආරෝපණ වාහක සන්ධිය හරහා ගමන් කරවනවා. වෝල්ටියතාව යනුද එක්තරා පීඩනයක් බව මීට පෙර ඔබ ඉගෙන තිබෙනවා (ඒකනේ වෝල්ටියතාවට "විදුලි පීඩනය" යන අන්වර්ථ නාමය ලැබී තිබෙන්නෙත්). වෝල්ටියතාව වැඩි වන විට, වාහකද තව තවත් වේගයෙන් ගමන් කරනවා. මෙලෙස වේගයෙන් ගමන් කරන වාහකවල (ඉලෙක්ට්‍රෝන) විශාල වේගය නිසා, එහි චාලක ශක්තියද විශාල වෙනවා. එම වාහක තමන් ගමන් කරන මාර්ගයේ තිබෙන පරමාණුක බන්ධනවල වේගයෙන් හැප්පෙනවා. එවිට එම බන්ධන කැඩී එම බන්ධනයට හවුල් වූ ඉලෙක්ට්‍රෝන මුක්ත කරනවා. (බන්ධනයක් කැඩීමට තාපයට මෙන්ම ආලෝකය, විකිරණ, හා චාලක ශක්තියට හැකි බව මා මුලින් පැවසුවා මතකද?)

දැන් එක් ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් වේගයෙන් ගමන් කිරීම නිසා තවත් ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් (හෝ කිහිපයක්) මුක්ත වී තිබෙනවා. මෙම අලුතින් මුක්ත වූ ඉලෙක්ට්‍රෝනත් භාහිර පසු වෝල්ටියතාව නිසා වේගයෙන් චලනය වෙනවා. එවිට ඒවා මඟින්ද ඉහත ආකාරයට බන්ධන කඩා ඉලෙක්ට්‍රෝන මුක්ත කරනවා. මෙය "හරියට වසංගතයක් පැතිරෙන්නාක් සේ" වේගයෙන් සිදු වෙනවා. විශාල මුක්ත ඉලෙක්ට්‍රෝන (හා සිඳුරු) ප්‍රමාණයක් මේ ක්‍රමයෙන් ඇති වී පරිවාරක ගුණය අහෝසී වී ඉතා හොඳ සන්නායකයක් බවට පත් වෙනවා. මෙම ක්‍රියාවලිය ඇවලාන්ෂ් ආචරණය (Avalanche effect) ලෙස හැඳින්වෙනවා.

සටහන
  ඔබ හිම කඳු දැක ඇති. හිම කන්දක මුදුනේ සිට ඉතා කුඩා හිම බෝලයක් "රෝල් වෙවී" පහලට එනවා යැයි සිතන්න. එය පහලට එන අතරේ, එම කුඩා හිම බෝලය ක්‍රමයෙන් විශාල වෙනවා (තව තවත් හිම බෝලය වටේ ඇලවීම නිසා). මෙලෙස පහතට එනවිට එම හිම බෝලය යෝධ හිම බෝලයක් බවට පරිවර්තනය වේ. එම යෝධ හිම බෝලයට කෙනෙකු යට වුවොත් මරණය පවා සිදු විය හැකියි. මෙලෙස ආරම්භයේදී ඉතා කුඩා හිම බෝලයකින් පටන්ගෙන යම් වේලාවකට පසුව යෝධ හිම බෝලයක් බවට පරිවර්තනය වීමේ ක්‍රියාවලියට තමයි ඇවලාන්ෂ් යන වචනය මිනිසුන් භාවිතා කළේ.

මෙලෙස ආරම්භයේදී සුලුවෙන් පටන් ගෙන යම් කාලයකට පසුව විශාල අගයක් ගන්නා ඕනෑම අවස්ථාවකට මෙම ඇවලාන්ෂ් (හෝ ඇවලාන්ෂ් ආචරණය) යන නම ව්‍යවහාර කිරීමට අප දැන් පුරුදුව සිටිනවා. ඇත්තටම එලෙස නම යෙදීම යෝග්‍ය මෙන්ම පහසුය.

ඇවලාන්ෂ් ආචරණයට අමතරව, සෙනර් ආචරණය (Zener effect) ලෙස තවත් සංසිද්ධියක් තිබෙනවා මෙම දේම සිදු විය හැකි. මෙම ආචරණය සෙනර් නම් විද්‍යාඥයාට ගෞරව පිණිස ඔහුගේ නමින් හඳුන්වනවා. මෙය ඇවලාන්ෂ් ආචරණය වගේ තේරුම් ගැනීම එතරම් පහසු නොවේ.

යම් සන්ධියක මෙම ආචරණ දෙකෙන් එකක් සිදු විය හැකි පරිදි මාත්‍රණය කළ හැකියි (හා සුදුසු අර්ධසන්නායක ද්‍රව්‍ය යොදා ගත හැකියි). අවශ්‍ය නම් ආචරණ දෙකම එකට ක්‍රියා කළ හැකි පරිදිද සැලසුම් කළ හැකියි. සාමාන්‍යයෙන් සෙනර් ආචරණය සිදු වන්නේ වෝල්ට් 6ට වඩා අඩු පසු නැඹුරු වෝල්ටියතාවලදී වන අතර, ඊට වඩා වැඩි වෝල්ටියතාවකදී ඇවලාන්ෂ් ආචරණය සිදු වේ.

කුමන ආචරණය සිදු වුවත්, සාමාන්‍ය පීඑන් සන්ධියකදී නම් සන්ධිය බිඳවැටීම කිසිසේත් හොඳ නැත. බොහෝවිට සන්ධිය විනාශ වී යාවි. එහෙත් සන්ධිය විනාශ නොවන පරිදි සන්ධිය බිඳවැටීමට හැකි පරිදි සාදපු සන්ධිත් තිබෙනවා (සෙනර් ඩයෝඩ් සාදන්නේ මේ ආකාරයටයි).

බිඳවැටුම සිදු කරන වෝල්ටියතාව සන්ධියේ බිඳවැටුම් වෝල්ටියතාව (breakdown voltage) හෝ උපරිම පසු කුළු වෝල්ටියතාව (peak inverse voltage – PIV) ලෙස හැඳින්වේ. මෙම බිඳවැටුම් වෝල්ටියතාව හෝ ඒ පිළිබඳ කිසිදු හැඟීමක් ඉහතදී කතා කළ ඩයෝඩ සමීකරණයෙන් ලබා ගත නොහැකි බවද මතක තබා ගන්න.

අවසාන වශයෙන් ඉහත සියලු කරුණු ඔබට අලංකාර රූපමය ස්වරූපයකින් ඉදිරිපත් කරන්නට පුලුවන් පහත රූපයේ ලෙසට. මෙය ඕනෑම පීඑන් සන්ධියක් සඳහා පොදු රූපයකි.




ඉලෙක්ට්‍රෝනික්ස් (electronics) ...

2 comments: