අර්ධ සන්නායක

අර්ධ සන්නායකයක් යනු එහි විද්‍යුත් සන්නායකතාවයෙහි විශාලත්වය සන්නායකයක සහ පරිවාරකයක එම අගයයන් අතර පිහිටන්නාවූ ද්‍රව්‍යයකි. මෙයින් ගම්‍ය වන්නේ, දළ වශයෙන් සෙන්ටිමීටරයට සීමන්ස් 103 සිට10−8දක්වා පරාසයක සන්නායකතාවයකි. රේඩියෝ තාක්ෂණය, පරිගණක, දුරකතන, සහ වෙනත් බොහෝ ආකාර උපාංගයන්ගෙන් සමන්විත නූතන ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාවෙහි පදනම සපයන්නේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යයන් වලිනි. මෙවැනි උපාංග අතර ට්‍රාන්සිස්ටරය, සූර්ය කෝෂ, ප්‍රකාශ-විමෝචක ඩයෝඩද ඇතුළු බොහෝ ආකාරයෙහි ඩයෝඩ, සිලිකන් පාලිත සෘජුකරක, සහ සංඛ්‍යාංක (ඩිජිටල්), ප්‍රතිසම (ඇනලොග්) අනුකලිත පරිපථයන්ද වෙති. ලෝහමය සන්නායකයක, ධාරාව රැගෙන යන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන ගලනය මගිනි. අර්ධ සන්නාකයන් හිදී, ධාරාව ගලන්නේ එක්කෝ ඉලෙක්ට්‍රෝනයන්හී ගලනය අනුසාරයෙන් යැයි හෝ ද්‍රව්‍යයෙහි ඉලෙක්ට්‍රෝන වින්‍යාසයෙහි පවතින ධන ආරෝපිත "කුහරයන්හී" ගලනය අනුසාරයෙන් යැයි හෝ බොහෝවිට අර්ථකථනය කරනු ලැබේ. කෙසේවෙතත්, සත්‍යවශයෙන්ම, මෙම අවස්ථා දෙකෙහිදීම සිදුවන්නේ ඉලෙක්ට්‍රෝන චලනය පමණකි.

පොදු භාවිතයෙහි ඇති සන්නායක ද්‍රව්‍යයන් ස්ඵටිකරූපී ඝනයන් වන නමුත් අස්ඵටික හා ද්‍රව සන්නායකයන් ද වාර්තා වෙයි. මේවා අතර, හයිඩ්‍රජනීකෘත අස්ඵටික සිලිකන් සහ විවිධ අනුපාතයන්ගෙන් මිශ්‍ර කල ආසනික්, සෙලිනියම් සහ ටෙලුරියම් ද ඇත.

අර්ධ සන්නායක උපාංග, අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවලින් සෑදූ ඉලෙක්ට්‍රෝනික උපාංග, නූතන විද්‍යුත් උපකරණවලදී අත්‍යවශ්‍ය වේ. උදාහරණ පරාසය පරිගණකයෙන් ජංගම දුරකථනයට හා සංඛ්‍යාංක ශ්‍රව්‍ය ධාවක දක්වා වේ. වාණිජව බොහෝ අර්ධ සන්නායක නිපදවීමට සිලිකන් යොදා ගන්නා නමුත් අනෙකුත් ද්‍රව්‍ය විශාල ප්‍රමාණ ද යොදා ගනී.

 දළ විශ්ලේෂණය 

අර්ධ සන්නායක පරිවාරකවලට වඩාත් සමාන වේ. මෙම ඝන ද්‍රව්‍ය කාණ්ඩ දෙක මූලිකවම එකිනෙකට වෙනස් වන්නේ පරිවාරකවලට වඩා විශාල කලාප අන්තර එනම්, පරමාණුවෙන් පරමාණුවට චලනය විය හැකි සේ ඉලෙක්ට්‍රෝන නිදහස් වීමට අවශ්‍ය ශක්තියක් පැවතීමයි. කාමර උෂ්ණත්වයේ ඇති අර්ධ සන්නායකවලදී පරිවාරකවලදී මෙන්ම ඉලෙක්ට්‍රෝන ඉතා කුඩා ප්‍රමාණයක් සංයුජතා කලාපයේ සිට සන්නායක කලාපයට වූ කලාප අන්තරය මාරු වීමට අවශ්‍ය තාප ශක්තිය ලබා ගනී. මෙම කලාප මාරු වීම විද්‍යුත් සන්නායකතාව අවශ්‍යතාවකි. මේ හේතුව නිසා විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක සහභාගීත්වය රහිතව ඇති සංශුද්ධ අර්ධ සන්නායක හා පරිවාරක දළව එකම ප්‍රතිරෝධකතාවක් දක්වයි. කෙසේ නමුත් අර්ධ සන්නායකවල කුඩා කලාප අන්තර උෂ්ණත්වය හැරුණු කොට අනෙකුත් ක්‍රමවලට ඒවායේ විද්‍යුත් ගුණ පාලනයට ඉඩ ලබා දේ.

අර්ධ සන්නායකවල නිසඟ විද්‍යුත් ගුණ මාත්‍රණය ලෙස හඳුන්වන ක්‍රියාවලියක් මඟින් අශුද්ධතා හඳුන්වාදීමෙන් ස්ථිර ලෙසට වෙනස් කළ හැකිය. සාමාන්‍යයෙන් එක් එක් අශුද්ධ පරමාණුව නිදහසේ චලනය විය හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් හෝ කුහරයක් (පසුව සාකච්ඡා වන සංකල්පයකි) දායක කරනවා යැයි අනුමාන කිරීම සාධාරණය. අශුද්ධ මාත්‍රක ඇති තරම් විශාල ප්‍රමාණයක් එකතු කිරීමෙන් අර්ධ සන්නායක ලෝහ මෙන්ම හොඳින් විද්‍යුත්ය සන්නයනය කරනු ඇත. අශුද්ධ වර්ගය මත පදනම්ව අර්ධ සන්නායකයක මාත්‍රිත ප්‍රදේශයෙහි වඩා වැඩි ඉලෙක්ට්‍රෝන හෝ කුහර තිබිය හැකි අතර පිළිවෙලින් N වර්ගයේ හෝ P වර්ගයේ අර්ධ සන්නායක ලෙස ඒවා හඳුන්වනු ලැබේ. N වර්ගයේ හා P වර්ගයේ අර්ධ සන්නායක ප්‍රදේශ අතර සන්ධි විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍ර ඇති කරන අතර එමඟින් ඒවායෙන් ඉවතට ඉලෙක්ට්‍රෝන හා කුහර චලනය වීම සිදුවේ. එම ආචරණය අර්ධ සන්නායක උපකරණවල ක්‍රියාත්මක වීම අවදානම් සහගත වේ. තවද, අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය ප්‍රමාණය නිසා ඇති වන ඝනත්ව වෙනස ප්‍රදේශයේ කුඩා විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් තනන අතර එය තුලනය නොවූ ඉලෙක්ට්‍රෝන හා කුහර ත්වරණයට යොදා ගනී.

මාත්‍රණය හරහා ස්ථිර වෙනස් කිරීම්වලට අමතරව විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් යෙදීම මඟින් ද අර්ධ සන්නායකවල ප්‍රතිරෝධය සාමාන්‍යයෙන් තාවකාලිකව වෙනස් කළ හැකිය. විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් යෙදීම මඟින් අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවල සන්නායකතාව/ ප්‍රතිරෝධතාව ගතිකව පාලනය කිරීමේ හැකියාව ඒවා ප්‍රයෝජනවත් වීමට බලපා ඇත. එය ට්‍රාන්සිස්ටර, ඩයෝඩ වැනි පුළුල් පරාසයකින් යුත් අර්ධ සන්නායක උපකරණවල දියුණු වීමට හේතු වී ඇත. ට්‍රාන්සිස්ටර වැනි ගතිකව පාලිත සන්නායකතා ඇති අර්ධ සන්නායක උපකරණ මයික්‍රොප්‍රොසෙසර් වැනි සංගෘහිත පරිපථ උපකරණවල නිපැයුමට හේතු වී ඇත. මෙම ක්‍රියාකාරී අර්ධ සන්නායක උපකරණ (ට්‍රාන්සිස්ටර්),ධාරිත්‍රක හා ප්‍රතිරෝධක වැනි අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවලින් තැනූ අක්‍රීය උපාංග සමඟ සම්බන්ධ කිරීමෙන් සම්පූර්ණ ඉලෙක්ට්‍රෝනික පරිපථ ලැබේ.

බොහෝ අර්ධ සන්නායකවල, සන්නායක කලාපයේ සිට සංයුජතා කලාපයට කලාප (කපොලට ඉහළ හා පහළ ඇති ශක්ති මට්ටම්) ඉලෙක්ට්‍රෝන වැටීමේදී මුක්ත වන ශක්තිය බොහෝවිට ආලෝකය ලෙස විමෝචනය වේ. මෙම ප්‍රකාශ විමෝචනය ආලෝක විමෝචක ඩයෝඩ (LED), අර්ධ සන්නායක ලේසර්වල ක්‍රියාවලිය සඳහා යොදා ගැනෙන LED හා ලේසර් වාණිජ්‍යව ඉතා වැදගත් වේ. විලෝමීයව, ප්‍රකාශ ආවරකවලදී අර්ධ සන්නායක මගින් ආලෝක අවශෝෂණය කර ගැනීම සංයුජතා කලාපයේ සිට ඉහළ ශක්ති සන්නායක කලාපවලට ඉලෙක්ට්‍රෝන චලිත කිරීමට පොළඹවයි. මෙමගින් ආලෝකය අනාවරණය කරන අතර එහි තීව්‍රතාවයේ වෙනස් වීම් ද අනාවරණය කරගත හැකිය. මෙය ප්‍රකාශ තන්තු මඟින් සන්නිවේදනය සඳහා ප්‍රයෝජනවත් වන අතර සූර්ය කෝෂවලින් ශක්තිය සැපයීමේ පදනම වේ.
සිලිකන් හා ජර්මේනියම් වැනි මූලද්‍රව්‍ය හෝ ගැලියම් ආසනයිඩ් හා බන්ඩියම් පොස්පයිඩ් වැනි සංයෝග හෝ සිලිකන් ජර්මේනියම් හෝ ඇළුමිනියම්, ගැලීයම්, ආසනයිට් වැනි මිශ්‍ර ලෝහ හෝ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍ය ලෙස යොදා ගනී.

ප්‍රවර්ගය:අර්ධ සන්නායක

මාත්‍රණය
අර්ධ සන්නායක අඩංගු කරමින් විද්‍යුත් උපාංග සෑදීම සඳහා වූ ඒවායේ ගුණය වන්නේ අර්ධ සන්නායකවල ස්ඵටික දැලිසට අපද්‍රව්‍ය එකතු කිරීමෙන් ඒවායේ සන්නායකතාව පහසුවෙන් වෙනස් කළ හැකි වීමයි. පාලනයකින් යුතුව අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය අර්ධ සන්නායකයකට එකතු කිරීමේ ක්‍රියාවලිය මාත්‍රණය ලෙස හඳුන්වයි. 

අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය හෝ මාත්‍රක ප්‍රමාණ නිසග (ශුද්ධ) අර්ධ සන්නායකයකට එකතු කිරීමෙන් එහි සන්නායක මට්ටම වෙනස් වේ. මාත්‍රණය කළ අර්ධ සන්නායක නිතරම බාහ්‍ය අර්ධ සන්නායක ලෙස හඳුන්වයි.

මාත්‍රක

සුදුසු මාත්‍රක ලෙස තෝරන ද්‍රව්‍යය , මාත්‍රක හා මාත්‍රණය කිරීමට ඇති ද්‍රව්‍ය යන දෙකෙහිම පරමාණුක ගුණ මත රඳා පවතී. පොදුවේ , අවශ්‍ය ලෙස පාලනය කළ වෙනස්කම් ඇති කරන මාත්‍රක  ඉලෙක්ට්‍රෝන ප්‍රතිග්‍රාහක  හෝ දායක ලෙස වර්ගීකරණය කරයි. දායක පරමාණු එහි දුර්වලව බන්ධිත සංයුජතා ඉලෙක්ට්‍රෝන ද්‍රව්‍යයට දායක කර අතිරේක සෘණාරෝපිත වාහක සාදයි.  මෙම දුර්වලව බන්ධිත සංයුජතා ඉලෙක්ට්‍රෝනවල‍ට ස්ඵටික දැලිසෙහි සාපේක්ෂව නිදහස් ලෙස චලනය විය හැකි අතර විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රයක් ඉදිරියේ සන්නායකතාවට පහසුකම් සැලසිය හැක. (දායක පරමාණු සන්නායක කලාපය මායිමට යටින් නමුත් එයට ඉතා ආසන්නව සමහරක් තත්ව ඇති කරයි. මෙම තත්ව යටතේ පවතින ඉලෙක්ට්‍රෝන කාමර උෂ්ණත්වයේ දී නිදහස් ඉලෙක්ට්‍රෝන බවට පත්වෙමින් පහසුවෙන් සන්නායක කලාපයට උත්තේජනය කළ හැක. විලෝමීයව , ක්‍රියාකාරී ප්‍රතිගාහක කුහර නිපදවයි. දායක අශුද්ධ ද්‍රව්‍යවලින් මාත්‍රණය කළ අර්ධ සන්නායක  n - වර්ගයේ යැයි කියනු ලබන අතර ප්‍රතිග්‍රාහක අශුද්ධ ද්‍රව්‍යවලින් මාත්‍රණය කළ අර්ධ සන්නායක p - වර්ගයේ යැයි කියනු ලැබේ. මෙම n හා  p වර්ග නාමය මගින් බහුතර වාහක වන්නේ කුමන ආරෝපිත වාහක වන්නේ ද යැයි දක්වයි. එවිට ප්‍රතිවිරුද්ධ වාහක සුළුතර වාහක ලෙස හඳුන්වන අතර ඒවා තාප උත්තේජනය නිසා ඇතිවන බහුතර වාහක හා සසඳන විට අඩු සාන්ද්‍රණයකින් යුක්ත වේ.

නිදසුනක් ලෙස ශුද්ධ සිලිකන් අර්ධ සන්නායකයකට සංයුජතා ඉලෙක්ට්‍රෝන හතරක් ඇත. සිලිකන්වලදී  වඩාත් බහුලව භාවිතා කරන මාත්‍රක වන්නේ ආවර්තිතා වගුවේ IUPAC ක්‍රමයට 13 වන කාණ්ඩයේ (සාමන්‍යයෙන්  III වන කාණ්ඩය ලෙස හඳුන්වන) සහ 15 වන කාණ්ඩයේ (සාමාන්‍යයෙන්  V වන කාණ්ඩය ලෙස හඳුන්වන) මූලද්‍රව්‍යයි. 13වන කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යවල සංයුජතා ඉලෙක්ට්‍රෝන තුනක් ඇති අතර එය සිලිකන් මාත්‍රණය කිරීමේදී ප්‍රතිග්‍රාහක ලෙස හැසිරීමට හේතු වේ. 15 වන කාණ්ඩයේ මූලද්‍රව්‍යවලට දායක ලෙස හැසිරීමට හේතුවන සංයුජතා ඉලෙක්ට්‍රෝන පහක් ඇත. එමනිසා බෝරෝන් සමග මාත්‍රණය කළ සිලිකන් දැලිසක් p වර්ගයේ අර්ධ සන්නායකයක් නිර්මාණය කරන අතර පොස්පරස් සමග මාත්‍රණය කළ විට ප්‍රතිඵල n -  වර්ගයේ අර්ධ සන්නායකයකි.

වාහක සාන්ද්‍රණය 

නිසග අර්ධ සන්නායකයකට යොදන මාත්‍රක සාන්ද්‍රණය එහි සාන්ද්‍රණය නිර්ණය කිරීම හා එහි විද්‍යුත් ගුණාංග බොහොමයක් සදහා වක්‍රව බලපෑම් කිරීම සිදු කරයි. මාත්‍රණය සෘජුවම බලපෑම් කරන වඩා වැදගත්ම සාධකය වනුයේ ද්‍රව්‍යයේ වාහක සාන්ද්‍රණයයි. තාපජ සමතුලිතය යටතේ පවතින නිසග අර්ධ සන්නායකයකවල ඉලෙක්ට්‍රෝන හා කුහර සාන්ද්‍රණ සමාන‍වේ. එනම් ,

n = p = ni

මෙහි n යනු සන්නායක ඉලෙක්ට්‍රෝන සාන්ද්‍රණය ද p යනු කුහර සාන්ද්‍රණය ද ni  යනු ද්‍රව්‍යයේ නිසග වාහක සාන්ද්‍රණය ද වේ. නිසග වාහක  සාන්ද්‍රණය ද්‍රව්‍යයන් අතර විවිධ වන අතර උෂ්ණත්වය මත රදා පවතී. නිදසුනක් ලෙස කෙල්වින් 300 (කාමර උෂ්ණත්වය) උෂ්ණත්වයේදී සිලිකන්වල ද ni  දළ වශයෙන් 1.6  x  1010 cm-3  වේ.

සාමාන්‍යයෙන් , මාත්‍රණ සාන්ද්‍රණයේ වැඩිවීම , සන්නයනය සදහා පවතින වාහක සාන්ද්‍රණය ඉහළ දමන බැවින් සන්නායකතාව වැඩි කරයි. පිරිහුණු ලෙස මාත්‍රණය කළ අර්ධ සන්නායකවලට ලෝහවලට සැසදිය හැකි සන්නායකතා මට්ටම්  ලැබෙන අතර බොහෝ විට නවීන සංගෘහිත පරිපථවල ලෝහ සදහා ආදේශයක් ලෙස භාවිතා කරයි. බොහෝ විට උඩු ලකුණු ධන හා ඍණ සංකේත අර්ධ සන්නායකවල මාත්‍රණ සාන්ද්‍රණය දැක්වීමට යොදා ගනී. නිදසුනක් ලෙස අධික මාත්‍රණ සාන්ද්‍රණයක් සහිත  n වර්ගයේ අර්ධ සන්නායක , බොහෝ විට පිරිහුණු මට්ටම්වලට ළගාවුණු අර්ධ සන්නායක , n+  මගින් දක්වයි. එලෙසම ඉතා අඩුවෙන් මාත්‍රික p - වර්ගයේ අර්ධ සන්නායක p-  මගින් දක්වයි. මාත්‍රණයේ පිරිහුණු මට්ටම් පවා මූලික අර්ධ සන්නායකවලට සාපේක්ෂව අඩු අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය සාන්ද්‍රණයක් පෙන්වන බව මතක තබා ගැනීම ප්‍රයෝජනවත් වේ. ස්ඵටිකරූපී  නිසග සිලිකන්වල ආසන්න වශයෙන් ඝන සෙන්ටිමීටරයකට පරමාණු 5 x  1022  ක් ඇත. සිලිකන් අර්ධ සන්නායක සදහා මාත්‍රණ සාන්ද්‍රණයේ පරාසය 1013 cm-3  සිට 1018cm-3  දක්වා වේ. කාමර උෂ්ණත්වයේ දී මාත්‍රණ සාන්ද්‍රණය 1018cm-3   පමණ ඉහළ අගයක් වන විට එය පිරිහුණු අර්ධ සන්නායකයක් යැයි සලකයි. පිරිහිණු ලෙස මාත්‍රික සිලිකන්වල දහසකට ඇති කොටස් ලෙස සිලිකන්වලට සමානුපාතික අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය අඩංගු වේ. මෙම අනුපාතය ඉතා අඩු ලෙස මාත්‍රික සිලිකන්වලදී බිලියනයට කොටස් ලෙස අඩු වේ. නියම සාන්ද්‍රණ අගයන් මෙම පරාසයේ යම් තැනකට වැටෙන අතර උපාංගවල අර්ධ සන්නායක මගින් බලාපොරොත්තුවන ගුණාංග ලබා ගත හැකි පරිදි සාන්ද්‍රණය වෙනස් කරයි.

කලාප ව්‍යුහය මත බලපෑම



මෙය p+n  සන්ධියක කලාප සටහනකි. p+ හා n පැතිවල ෆර්මි මට්ටම් ස්ථානගත වීමේ ප්‍රතිඵලයක්  ලෙස කලාප නැමීම ඇති වේ.

අර්ධ සන්නායක ස්ඵටිකයක්  මාත්‍රණය කිරීම කලාප හිඩැස් අතර ශක්ති මට්ටම්වලට ඉඩ දෙන නමුත් මාත්‍රක වර්ගයට අනුරූප වන ශක්ති කලාපවලට අනුරූප වේ. වෙනත් අයුරකින් කිවහොත්  දායක අශුද්ධතා සන්නායක කලාපය අතර මට්ටම් සාදන අතරතුර  ප්‍රතිග්‍රාහක අශුද්ධ ද්‍රව්‍ය සංයුජතා කලාපය අතර මට්ටම් ඇති කරයි. මෙම ශක්ති මට්ටම් හා ආසන්නව ශක්ති කලාපටය අතර පරතරය මාත්‍රක - ගොපෙළ බන්ධන ශක්තිය හෝ EB  ලෙස සාමාන්‍යයෙන් දක්වන අතර සාපේක්ෂව කුඩා වේ. නිදසුනක් ලෙස සිලිකන්ගේ 1.12ev වන කලාප හිඩැස හා සැසඳීමේ දී   සිලිකන් කුට්ටියක වූ බෝරෝන්වල  EB  අගය 0.045ev වේ. EB  කුඩා නිසා මාත්‍රක පරමාණු අයනීකරණයට අඩු ශක්තියක් ගන්නා අතර සංයුජතා හෝ සන්නායක කලාපයේ නිදහස් වාහක නිර්මාණය කරයි. සාමාන්‍යයෙන් කාමර උෂ්ණත්වයේ පවතින තාප ශක්තිය බොහොමයක් මාත්‍රක අයනීකරණය කිරීමට ප්‍රමාණවත් වේ. මාත්‍රකවලට ද්‍රව්‍යයන්ගේ ෆ්ර්මි මට්ටම් ශක්ති කලාප දෙසට උත්තේජනය කිරීමේ වැදගත් ගුණාංගය ඇත.  තාපගතික සමතුලිත පද්ධතියක ෆර්මි මට්ටම් නියතව පැවතිය යුතු නිසා, ද්‍රව්‍යවල වෙනස් ගුණ ඇති  ද්‍රව්‍යවල ඇසුරුම් ස්ථර බොහෝ  වැදගත්  විද්‍යුත් ගුණ දැක්වයි. නිදසුනක් ලෙස ශක්ති මට්ටම්වල නැවීම නිසා  වන p – n සන්ධියක ගුණ ද්‍රව්‍යයේ p වර්ගයේ හා n වර්ගය අතර ස්පර්ශක කලාපයේ ෆර්මි මට්ටම් ආස්තරනයේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස සිදුවේ.

මෙම ආචරණය කලාප සටහනේ දක්වා ඇත. කලාප සටහන ප්‍රධාන වශයෙන් පෙන්වන්නේ x ලෙස හඳුන්වන යම් විශේෂිත මානයකට එදිරිව සංයුජතා කලාප‍ෙය් හා සන්නායක කලාපයේ දාරවල වෙනස්වීමයි. සමහරක් විට ෆර්මි මට්ටම්වල මාත්‍රණයේ කර නොපවතින නිසග ෆර්මි ශක්තිය Ei  ලෙස ද පෙන්වයි. විවිධ වර්ගයේ අර්ධ සන්නායක උපාංග ක්‍රියාකාරීත්ය විස්තර කිරීමේ ක්‍රියාවලදී මෙම සටහන් ප්‍රයෝජනවත් වේ.