అర్థవాహక పరికరాలు

వికీపీడియా నుండి
ఇక్కడికి గెంతు: మార్గసూచీ, వెతుకు

అర్థ వాహక పరికరాలు (సెమీ కండక్టర్ పరికరాలు) అర్ధవాహక వస్తువుల యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలు చూపించే ఎలెక్ట్రానిక్ భాగాలు. ఇవి ప్రధానంగా సిలికాన్, జెర్మేనియం, మరియు గాలియమ్ ఆర్సెనైడ్, అలాగే ఆర్గానిక్ సెమికండక్టర్స్ వంటి వాటిని అనుసరించి ఉంటాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాలు ఎక్కువగా   థెర్మోనిక్ పరికరాలు (శూన్య గొట్టాల) స్థానంలో ఉపయోగించబడుతున్నాయి. అవి విద్యుత్ వాహకాన్ని ఘన స్థితిలో శూన్యంలో వాయుస్థితి లేదా థెర్మియానిక్ ఉద్గారానికి వ్యతిరేకంగా ఘన స్థితిలో పనిచేస్తాయి. సెమీ కండక్టర్ పరికరాలు ఒకే వివిక్త పరికరాలుగా  మరియు రెండు నుండి కోట్ల పరికరాలు ఒక సెమీ కండక్టర్ పొర మీద అమర్చబడి ఇంటెర్కన్నక్ట్  చేయబడిన  ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లు (IC) వంటి రెండు విధాలుగా  తయారవుతాయి.

అర్థవాహక వస్తుల యొక్క  ప్రవర్తనను స్వచ్ఛమైన స్వభావజ అర్థవాహకాలలో చాలా సులభంగా మలినాలు కలిపి మార్చవచ్చు. ఈ పద్ధతిని మాదీకరణము (డోపింగ్) అని అంటారు . ఇలాంటి ప్రవర్తన కలిగి ఉండటం వలన అవి చాలా ప్రస్తుతం  ఎక్కువగా ఉపయోగంలో ఉన్నాయి.

బ్యాండ్ సిద్ధాంతం (శక్తి పట్టీ) మరియు వాహకం[మార్చు]

శక్తి పట్టీ సిద్ధాంతం మనకు వాహకం, బంధకం (అవాహకం) మరియు అర్థవాహకం స్వభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయం చేస్తుంది.

  • రాగి వంటి మంచి వాహకాలు స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ ఉపయోగించి అర్ధం చేసుకోవచ్చు.
  • పూర్తిగా  ఎలక్ట్రాన్లతో నిండిన  పైనున్న శక్తి పట్టీలో   ఏ ఉచిత  ఎలక్ట్రాన్లు లేకుండా ఉన్న పదార్థాన్ని ఉపయోగించి ఒక వాహకంగా చేయడానికి కూడా అవకాశం ఉంది.
  • పూర్తిగా నిండిన శక్తి పట్టీ పైనున్న  పట్టీతో కలిసి ఉన్నపుడు, పైనున్న శక్తిపట్టీకి విద్యుత్ శక్తి ఉపయోగించి ఎలక్ట్రాన్లు తెప్పించవచ్చు .  

ఇది విద్యుత్ ప్రసారం సంభవించేందుకు అనుమతిస్తుంది, కాని సాధారణ లోహాలలో కంటే కాస్త ఎక్కువ విద్యుత్ నిరోధకత ఉంటుంది . వీటిని  అర్థ-లోహాలు లేదా అర్థ-వాహకాలు అని  అంటారు.

వేలన్సీ మరియు ప్రసరణ బ్యాండ్లు :[మార్చు]

• అవాహకాలు మరియు సెమీ-కండక్టర్  బ్యాండ్ నిర్మాణాలు గుణాత్మకంగా ఒకే  పోలికలు చూపిస్తాయి .  సాధారణంగా  రెండింటిలో ఒక పూర్తిగా నిండిన బ్యాండ్  ఉంటుంది ( వేలన్సీ బ్యాండ్ ) దీని పైన వేరొక  బ్యాండ్ (కండక్షన్ బ్యాండ్ ) ఉంటుంది, ఈ రెండింటికి మధ్య కొంత శక్తి అంతరం ఉంటుంది. 

• ఈ శక్తి అంతరం కనీసం  కొన్ని ఎలక్ట్రాన్ వొల్ట్స్ ఉంటే అది అవాహకం అవుతుంది, ఎందుకంటే మనం ఉపయోగించిన విద్యుత్  ప్రవాహం  ఎలెక్ట్రాన్ ను  అంత ఎక్కువ శక్తి అంతరాన్ని ఎదుర్కొని  దాటించలేదు. కావున  చాలా తక్కువ శాతం ఎలెక్ట్రాన్లు  కండక్షన్  బ్యాండ్ లోకి వస్తాయి. దీని వలన  అది అవాహకంలా పనిచేస్తుంది. 

హోల్స్ మరియు ఇంట్రెన్సిక్  సెమీ కండక్టర్లు [మార్చు]

  •   ఎలెక్ట్రాన్లు కండక్షన్  బ్యాండ్కు  వెళ్లినప్పుడు,  అవి వేలన్సీ బ్యాండ్లో  ఖాళీ ప్రదశాన్ని  సృష్టిస్తాయి .  ఆ ఖాళీ ప్రదేశాన్ని  హోల్స్  అని అంటారు, అవి పరోక్షంగా నెగిటివ్ చార్జ్  సూచిస్తాయి  కావున పాసిటివ్  చార్జ్గా  అనుకోవచ్చు .
  • ఎలెక్ట్రాన్లు  విద్యుత్ ప్రవాహానికి వెతిరేకమైన  దిశలో  ప్రవహిస్తాయి, ఈ హోల్స్ మాత్రం  విద్యుత్  దిశలో ప్రవహిస్తాయి . 
  • ఒక  సెమీ కండక్టర్లో,  వేలన్సీ  బ్యాండ్లో ఉన్న హోల్స్  కండక్షన్  బ్యాండ్లో ఉన్న  ఎలెక్ట్రాన్లు ఒక సంఖ్య లో  ఉన్నపుడు వాటిని  ఇంట్రెన్సిక్  సెమీ కండక్టర్స్  అంటారు.  పరిశుభ్రమైన  కార్బన్, జర్మనీయం దీనికి ఉదాహరణలు. 

సెమీ కండక్టర్ డివైస్ పదార్థాలు[మార్చు]

  • ప్రస్తుతం సెమీ కండక్టర్ పరికరాల్లో   సిలికాన్ (Si) అత్యధికంగా వాడబడుతుంది . తక్కువ ధర, సులభమైన ప్రాసెసింగ్, మరియు ఒక ఉపయోగకరమైన ఉష్ణోగ్రత, ఈ  మూడు లాభాల వల్ల దీని వాడుక ఎక్కువగా  ఉంటుంది . 
  • ఒకప్పుడు జర్మనీయం (Ge) ఎక్కువుగా ఉపయోగించే వారు, కానీ దాని యొక్క ఉష్ణానికి అతిగా స్పందించే గుణం  వల్ల  అది సిలికాన్ కన్నా తక్కువ ఉపయోగకరంగా మారింది. ప్రస్తుతం  జర్మనీయం సిలికాన్తో మిశ్రమించి  హై స్పీడ్ SiGe పరికరాలలో  వాడబడుతుంది . 
  • సాధారణంగా గెలియమ్ ఆర్సెనైడ్  (GaAs) కూడా హై స్పీడ్పరికరాల కోసం వాడతారు.  కానీ దాని  యొక్క ఉత్పత్తి ముందు చెప్పిన పదార్ధాల కన్నా చాలా  ఖరీదైనది .
  • సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) నీలం రంగు కాంతిని ప్రకాశించే  చేసే ఎల్‌ఈడిత (LED) లు తయారు చేయుటకు ఉపయోగిస్తారు .   
  • చాలా రకాల ఇండియం కాంపౌండ్లు ( ఇండియమ్  ఆర్సెనైడ్, ఇండియమ్ antimonide  మరియు ఇండియమ్ phosphide) ఎల్ఈడిలు మరియు ఘనరాష్ట్రంలో ఉన్న  డైయోడ్లు  తయారు చెయ్యడానికి వాడతారు . సెలెనియంసల్ఫైడ్  ఫోటో  వొల్టైక్ సోలార్ సెల్స్  తయారీలోఅవసరమవుతుంది .
  • ఆర్గానిక్ సెమీ కండక్టర్లు   ఆర్గానిక్ఎల్ఈడిలు తయారుచెయ్యుటకు  వాడుతారు.

సెమీ-కండక్టర్స్  సూత్రం[మార్చు]

సెమీకండక్టర్ వాహకత కాంతి లేదా వేడికి గురికావడం ద్వారా, లేదా ఒక ప్రేరిత ఏకస్పటికాకార గ్రిడ్ యొక్కయాంత్రికగా  వికారించడం  ద్వారా, ఒక విద్యుత్ లేదా అయస్కాంత క్షేత్రం పరిచయంద్వారా నియంత్రించవచ్చు,  కావున సెమీ కండక్టర్లు ఉపయోగించి  సెన్సార్లు చెయ్యవచ్చు . సెమీకండక్టర్ లో ప్రస్తుత ప్రసరణ మొబైల్ లేదా "ఉచిత" ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు, సమష్టిగా చార్జ్ కెరీయెర్స్ అని పిలవబడే వాటి  ద్వారా జరుగుతుంది. సిలికాన్ వంటి సెమీ కండక్టర్ని కొద్దిగా ఫాస్ఫరస్ లేదా బొరోన్ వంటి మలినాలతో  డోపింగ్ చేయుట ద్వారా వాటిలో ఉన్న ఫ్రీ ఎలెక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు చాలా ఎక్కువుగా పెంచుతాయి . అలా డోప్ చేయబడిన సెమీ కండక్టర్లో ఎక్కువుగా రంధ్రాలు ఉంటే “పి-టైప్ “, మరియు ఎక్కువుగా ఫ్రీ ఎలెక్ట్రాన్లు ఉంటే “ఎన్ –టైప్ అని అంటారు .    

పి (పోసిటివ్-రంధ్రాలు), ఎన్ (నెగిటివ్-ఎలక్ట్రాన్లు) అనేది ఎక్కువుగా ఉన్న చార్జ్ కారియర్  యొక్క గుర్తు . పరికరాలు ఉపయోగిస్తున్న  సెమీకండక్టర్ పదార్థం ఒక కచ్చితమైన   పి మరియు ఎన్ -రకం  స్థానాన్ని మరియుఏకాగ్రత నియంత్రించడానికి, ఒక కల్పన సౌకర్యం, లేదా ఫ్యాబ్ లో అత్యంత నియంత్రిత పరిస్థితులలో తయారు చేస్తారు . పి-టైప్ మరియు ఎన్ టైప్ సెమీ కండక్టర్లు కలిసి ఏర్పరిచిన జంక్షన్ని  పి-ఎన్ జంక్షన్ అని అంటారు .

డైయోడ్[మార్చు]

సెమీ కండక్టర్ డయోడ్  ఒక ఏకైక పి –ఎన్ జంక్షన్ నుంచి తయారుచేయబడ్డ  ఒక పరికరం. ఒక పి-రకం మరియు ఒక ఎన్-రకం సెమీకండక్టర్ కూడలి వద్ద డిప్లిషన్ (క్షీణత)  జోన్ అనే ప్రాంతం ఏర్పడుతుంది . ఈ ప్రాంతం పి-టైప్ నుండి ఎన్ –టైప్కి ప్రస్తుత  ప్రసరణను అడ్డుకుంటుంది, ఎన్-టైప్ నుండి పి-టైప్కి  ప్రసరణను అనుమతిస్తుంది .కావున  పరికరం ఫార్వార్డ్  బయస్లో (పురోగమన పాక్షిక ) అనగా పి-టైప్  ఎక్కువ పొటెన్షియల్లో    ఉనప్పుడు  డైయోడ్లో   విద్యుత్  ప్రవాహం సులభంగా జరుగుతుంది,  కానీ పరికరం రివర్స్ బయస్ లో ఉనప్పుడు అనగా ఎన్-టైప్ ఎక్కువ పొటన్షియల్లో  ఉనప్పుడు చాలా తక్కువ విద్యుత్ ప్రవాహం జరుగుతుంది . 

ఒక సెమీ కండక్టర్ను కాంతికి బహిర్గతించినప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ హోల్ జతలు ఏర్పడతాయి దీనివల్ల వాహకత  పెరుగుతుంది . ఇలాంటి పద్ధతిని ఉపయోగించే  డైయోడ్లును  ఫోటో  డైయోడ్ అంటారు.

ట్రాన్సిస్టర్ [మార్చు]

బైపోలార్జంక్షన్ ట్రాన్సిస్టర్లు  రెండు పి-ఎన్ జంక్షన్ల  నుండి ఏర్పడతాయి, ఎన్-పి–ఎన్  లేదా  పి-ఎన్-పి ఆకృతీకరణలో ఉండవచ్చు .  బేస్ అనే  మధ్య ప్రాంతం సాధారణంగా చాలా సన్నగా ఉంటుంది, రెండు ప్రక్కల ఉన్న ప్రాంతాలిని ఎమ్మిటర్, కలక్టర్ అని అంటారు . రివర్స్ బయాస్ (తిరోగమన పాక్షిక) అయినప్పటికీ ప్రస్తుత కొనసాగుతుంది  కారణం –  బేస్-ఎమ్మిటర్ జంక్షన్ ద్వారా లోపలికి  వెళ్ళిన ఒక చిన్న ప్రస్తుత బేస్-కలెక్టర్ జంక్షన్ లక్షణాలులో  మార్పులు తెస్తుంది. దీనివల్ల బేస్-కలక్టర్ల మధ్య చాలా ఎక్కువ విద్యుత్  పుడుతుంది, ఈ విద్  బేస్-ఎమ్మిటర్ విద్యుత్ మీద అదరపడివుంటుంది.

ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్  ట్రాన్సిస్టర్[మార్చు]

ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ను ఉపయోగించి  సెమీ కండక్టర్ యొక్క  వాహకతను తగ్గించవచ్చు మరియు  పెంచవచ్చు, ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్  ఈ సూత్రం  పై  e ఆధారాపడి పనిచేస్తుంది .   ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్వల్ల సెమీ కండక్టర్లో ఉన్న ఎలక్ట్రాన్లు, రంధ్రాల సంఖ్యలో మార్పు  తెస్తుంది  దీని వల్ల వాహకత మారుతుంది .

మెటల్ –ఆక్సైడ్ –సెమీ కండక్టర్ ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్-ట్రాన్సిస్టర్ (MOSFET)[మార్చు]

MOSFET, ఒక ఘన రాష్ట్ర పరికరం, నేడు ఎక్కువగా ఉపయోగించే సెమీకండక్టర్ పరికరం.  సోర్స్ మరియు డ్రైన్ అనే రెండు టెర్మినల్ల మధ్య వాహకతను నియంత్రణ చేయటానికి,  గేట్ ఎలక్ట్రోడ్ ఛార్జ్ చెయ్యబడుతుంది. ఈ ఛార్జ్ వల్ల కలిగే  ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్  వాహకతను నియంత్రణ చేస్తుంది . ఛానల్ కారియర్ రకాన్ని బట్టి, పరికరం ఎన్- చానల్ (ఎలక్ట్రాన్లకు )   MOSFET కావచ్చు  లేదా పి-చానల్ (రంధ్రాలుకు) MOSFETకావచ్చు . MOSFET అనే పేరు దానిలో  "మెటల్" గేట్ వాడటం వల్ల ఇచ్చిన  ఆధునిక పరికరాల్లో ఆ మెటల్ గేట్ బదులు  పాలీ సిలికాన్  సాధారణంగా వాడుతారు.

సెమీకండక్టర్ పరికరం అప్లికేషన్లు[మార్చు]

అన్ని ట్రాన్సిస్టర్ రకాలు లాజిక్  గేట్లు బిల్డింగ్ బ్లాక్స్ తయారచేయుటకు  ఉపయోగించవచ్చు, ఈ లాజిక్  గేట్లు డిజిటల్ సర్క్యూట్  డిజైన్  చెయ్యటానికి  ముఖ్యంగా  అవసరమయ్నవి  .మైక్రో ప్రొసెస్సర్  వంటి  డిజిటల్  సర్క్యూట్లో  ట్రాన్సిస్టర్లు  ఆన్-ఆఫ్  స్విచ్లులా పనిచేస్తాయి, ఉధాహరణకు:   MOSFET లో గేట్ వద్ద ఉన్న  వోల్టేజ్ స్విచ్ ఆన్ లేదా ఆఫ్ అనేది  నిర్ణయిస్తుంది.

అనలాగ్ సర్క్యూట్లులో  ఉపయోగించే  ట్రాన్సిస్టర్లు ఆన్ ఆఫ్ స్విచ్లులా  పని చెయ్యవు, నిరంతర పరిధి గల  ఇన్పుట్కు  నిరంతర శ్రేణిగల  ఔట్పుట్ తో   స్పందిస్తాయి .  సాధారణ అనలాగ్  సర్క్యూట్లుకు  ఉధాహరణలు- ఆంప్లిఫ్యర్, ఆసిలేటర్