అర్ధవాహక ఉపకరణాలు

అర్ధవాహక ఉపకరణాలు (semiconductr devices) : అర్ధవాహక వస్తువులు ఎలక్ట్రానిక్ ఉపకరణాలు. వీటి తయారీకి ప్రధానంగా సిలికాన్, జెర్మేనియం,, గాలియమ్ ఆర్సెనైడ్, ఆర్గానిక్ సెమికండక్టర్స్ వంటి వాటిని ఉపయోగిస్తారు. సెమీకండక్టర్ ఉపకరణాలు ఎక్కువగా   థెర్మియానిక్ ఉపకరణాల (శూన్య గొట్టాల) స్థానంలో ఉపయోగించబడుతున్నాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాలు వివిక్త (isolated) ఉపకరణాలుగా కానీ, లేదా కోట్ల కొద్దీ ఒకే అర్ధవాహక చితుకు (చిప్) మీద అమర్చబడిన  సమాకలిత విద్యుద్వలయాల (integrtaed circuits, IC) రూపంలో గానీ తయారవుతాయి.

పరిశుద్ధమైన అర్ధవాహక పదార్థాలలో, చిన్న మోతాదులలో, కల్తీలు కలిపి వాటి ప్రవర్తనను మార్చవచ్చు. ఈ పద్ధతిని మాదీకరణము (డోపింగ్) అంటారు. ఇలాంటి లక్షణం కలిగి ఉండటం వలన ప్రస్తుతం అర్ధవాహక ఉపకరణాలు చాలా ఎక్కువ ఉపయోగంలో ఉన్నాయి.

సాంకేతిక పదాలకి అర్థాలు

• semiconductor = అర్ధవాహకి
• energy band = శక్తి పట్టీ
• device = ఉపకరణం
• integrated circuit = సమాకలిత విద్యుద్వలయం
• isolated = వివిక్త
• doping = మాదీకరణం
• conduction band = వహనపు పట్టీ
• valence band = బాలపు పట్టీ

అర్ధవాహక ఉపకరణాలకి ముడి పదార్థాలు

• ప్రస్తుతం అర్ధవాహక ఉపకరణాలలో సిలికాన్ (Si) అత్యధికంగా వాడుకలో ఉంది. తక్కువ ధర, సులభమైన సంవిధానం (fabrication), అనుకూలమైన ఉష్ణోగ్రత వద్ద పని చేయగలిగే స్తోమత - ఈ  మూడు లాభాల వల్ల దీని వాడుక ఎక్కువగా  ఉంది. 
• ఒకప్పుడు జెర్మేనియం (Ge) ని ఎక్కువుగా ఉపయోగించేవారు. కానీ అది ఉష్ణానికి అతిగా స్పందించే గుణం కలది కనుక అది సిలికాన్ కన్నా తక్కువ ఉపయోగకరంగా మారింది. ప్రస్తుతం  జెర్మేనియం  సిలికాన్ తో కలిపిన మిశ్రమాన్ని  ఎక్కువ జోరుగా పని చెయ్యగలిగే SiGe ఉపకరణాలలో వాడుతున్నారు. 
• గేలియమ్ ఆర్సెనైడ్  (GaAs) ని ఎక్కువ జోరుగా పని చేసే పరికరాలలో వాడతారు.  కానీ వీటిని భారీ ఎత్తున ఉత్పత్తి చెయ్యడం కష్టం. అందుకని వీటి ఖరీదు ఎక్కువ.
• సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) నీలం రంగు కాంతిని ఉద్గారించే ఎల్‌.ఈ.డి. (LED) లు తయారు చేయుటకు ఉపయోగిస్తారు.   
• చాలా రకాల ఇండియం మిశ్రమాలు (ఇండియమ్  ఆర్సెనైడ్, ఇండియం ఏంటిమొనైడ్,, ఇండియమ్ ఫాస్ఫైడ్) ఎల్‌.ఈ.డి., ఘన స్థితిలో ఉన్న  డయోడ్లు  తయారు చెయ్యడానికి వాడతారు. సెలెనియం సల్ఫైడ్  ఫోటో  వొల్టైక్ సోలార్ సెల్స్  తయారీలో అవసరమవుతుంది.
• ఆంగిక అర్ధవాహక్యఉలని (ఆర్గానిక్ సెమీ కండక్టర్లని)  ఆర్గానిక్ ఎల్‌.ఈ.డి.లు తయారు చెయ్యుటకు  వాడుతారు.

అర్ధవాహకత్వం అంటే ఏమిటి?

అవి ప్రదర్శించే విద్యుత్ లక్షణాలమని బట్టి పదార్థాలని వాహకం (conductor), బంధకం (insulator, అవాహకం), అర్ధవాహకం (semiconductor) అని విభజించవచ్చు. ఈ మూడు స్వభావాలని అర్థం చేసుకుందుకి శక్తి పట్టీ (energy bands) అనే ఊహనం ఉపయొగిస్తుంది. ఈ శక్తి పట్టీ అనేది గుళిక వాదం (quantum theory) లో పుట్టిన భావం.

Bandgap_in_semiconductor

Semiconductor_band_structure

• రాగి వంటి మంచి వాహకాలు స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ ఉపయోగించి అర్ధం చేసుకోవచ్చు.
• పూర్తిగా  ఎలక్ట్రాన్లతో నిండిన (పైనున్న) శక్తి పట్టీలో ఏ విశృంఖల (free)  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.

బాలపు పట్టీలు, వాహక పట్టీలు:

• గుణాత్మకంగా చూస్తే అవాహకాలలోను, అర్ధవాహకాలలోను శక్తి పట్టీల ఆకారాలలో కొన్ని పోలికలు కనిపిస్తాయి. సాధారణంగా  రెండింటిలోను ఎలక్ట్రానులతో పూర్తిగా నిండిన పట్టీ ఉంటుంది. దీనిని బాలపు పట్టీ (valence band) అంటారు. దీని పైన వేరొక శక్తి మట్టంలో వాహక పట్టీ (conduction band) ఉంటుంది, ఈ రెండింటికి మధ్య కొంత అంతరం (band gap) ఉంటుంది. 

• ఈ శక్తి అంతరం కనీసం  కొన్ని ఎలక్ట్రాన్ ఓల్టులు ఉంటే అది అవాహకం అవుతుంది; ఎందుకంటే ఎలక్ట్రానుల ప్రవాహం  అంతకి మించిన శక్తి అంతరాన్ని ఎదుర్కొని  దాటలేదు. కావున  చాలా తక్కువ శాతం ఎలక్ట్రాన్లు  వహనపు పట్టీ లోకి వస్తాయి. దీని వలన  అది అవాహకంలా పనిచేస్తుంది. 

హోల్స్ , ఇంట్రెన్సిక్  సెమీ కండక్టర్లు 

•   ఎలక్ట్రాన్లు వహనపు పట్టీలోకి  వెళ్లినప్పుడు,  అవి బాలపు పట్టీలో ఖాళీలు  సృష్టిస్తాయి.  ఆ ఖాళీ ప్రదేశాలని  హోల్స్ (holes) అంటారు. అవి ఋణ ఆవేశం లేని  పదేశాలు కనుక వాటికి ధన ఆవేశం ఉందని అనుకోవచ్చు.
• ఎలక్ట్రాన్లు  విద్యుత్ ప్రవాహానికి ఎదురు  దిశలో  ప్రవహిస్తాయి, ఈ హోల్స్ మాత్రం  విద్యుత్ ప్రవాహపు  దిశలో ప్రవహిస్తాయి . 
• ఒక  అర్ధవాహకిలో,  బాలపు పట్టీలో ఉన్న హోల్స్  వహనపు పట్టీలో ఉన్న  ఎలక్ట్రాన్లు ఒకే సంఖ్య లో  ఉన్నపుడు వాటిని  సహజ అర్ధవాహకాలు (intrinsic semiconductors) అంటారు.  కల్తీలేని కార్బన్, జర్మనీయం దీనికి ఉదాహరణలు. 

సెమీ-కండక్టర్స్  సూత్రం

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, 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, రంధ్రాలు చాలా ఎక్కువుగా పెంచుతాయి . అలా డోప్ చేయబడిన సెమీ కండక్టర్లో ఎక్కువుగా రంధ్రాలు ఉంటే “పి-టైప్ “,, 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, ఎన్ -రకం  స్థానాన్ని, ఏకాగ్రత నియంత్రించడానికి, ఒక కల్పన సౌకర్యం, లేదా ఫ్యాబ్ లో అత్యంత నియంత్రిత పరిస్థితులలో తయారు చేస్తారు . పి-టైప్, ఎన్ టైప్ సెమీ కండక్టర్లు కలిసి ఏర్పరిచిన జంక్షన్ని  పి-ఎన్ జంక్షన్ అని అంటారు .

డయోడ్

సెమీ కండక్టర్ డయోడ్  ఒక ఏకైక పి –ఎన్ జంక్షన్ నుంచి తయారుచేయబడ్డ  ఒక పరికరం. ఒక పి-రకం, 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  భయస్లో (పురోగమన పాక్షిక ) అనగా పి-టైప్  ఎక్కువ పొటెన్షియల్లో    ఉనప్పుడు  డైయోడ్లో   విద్యుత్  ప్రవాహం సులభంగా జరుగుతుంది,  కానీ పరికరం రివర్స్ భయస్ 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 

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

ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ను ఉపయోగించి  సెమీ కండక్టర్ యొక్క  వాహకతను తగ్గించవచ్చు,  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)

MOSFET, ఒక ఘన రాష్ట్ర పరికరం, నేడు ఎక్కువగా ఉపయోగించే సెమీకండక్టర్ పరికరం.  సోర్స్, 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

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