This site is not complete. The work to converting the volumes of സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം is on progress. Please bear with us
Please contact webmastersiep@yahoo.com for any queries regarding this website.
Reading Problems? see Enabling Malayalam
അര്‍ധചാലകം
സര്‍വ്വവിജ്ഞാനകോശം സംരംഭത്തില്‍ നിന്ന്
അര്‍ധചാലകം
Semi Conductor
ചില വസ്തുക്കള്‍ നല്ല വൈദ്യുതിവാഹകങ്ങളാണ്. വഹനശക്തിക്കാണ് ചാലകതയെന്നു പറയുന്നത്. ചാലകത വളരെ കുറഞ്ഞ വസ്തുക്കളെ രോധികള്‍ അഥവാ ഇന്‍സുലേറ്ററുകള്‍ (insulators) എന്നു വിളിക്കുന്നു. ചാലകങ്ങളുടെ വിശിഷ്ടരോധം ഏകദേശം 10-5_10-6ഓം/സെ.മീ. ആണ്. ഇന്‍സുലേറ്ററുകളുടെ വിശിഷ്ടരോധമാകട്ടെ 1014 ഓം/സെ.മീ-ല്‍ കൂടുതല്‍ വരും. ഇവയ്ക്കിടയിലുള്ള വിശാലമായ മേഖലയില്‍ ഉള്‍പ്പെടുന്ന വസ്തുക്കളാണ് അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍. ഇവയുടെ വിശിഷ്ടരോധം സാമാന്യമായി 10-3_109 ഓം/സെ.മീ. എന്ന പരിധിക്കുള്ളിലായിരിക്കും.
മൂന്നു സവിശേഷതകള്‍ അര്‍ധചാലകങ്ങളെ ചാലകങ്ങളില്‍നിന്നും രോധികളില്‍നിന്നും വേര്‍തിരിക്കുന്നു:
(i) ചാലകങ്ങളില്‍നിന്നു വ്യത്യസ്തമായി, അര്‍ധചാലകങ്ങളുടെ രോധം താപനില വര്‍ധിക്കുമ്പോള്‍ കൂടുന്നതിനുപകരം കുറയുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്. നന്നെ താണ താപനിലകളില്‍ അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ പൂര്‍ണ രോധികളായി മാറുന്നു; (ii) സാധാരണ ചാലകങ്ങളില്‍നിന്നും വ്യത്യസ്തമായി, അര്‍ധചാലകങ്ങളില്‍ രണ്ടുതരത്തിലുള്ള വൈദ്യുതി ഒഴുകുന്നതാണ്. സാധാരണ ചാലകങ്ങളില്‍ ഋണചാര്‍ജുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളാണ് ഒഴുകുന്നത്. ഇതിനെ (നെഗറ്റീവ്) n-കറന്റ്എന്നു പറയാം. അര്‍ധചാലകങ്ങളിലും ഇപ്രകാരമുള്ള കറന്റ് ഉണ്ട്. അതുകൂടാതെ, എതിര്‍ദിശയില്‍ ധനചാര്‍ജുള്ള രന്ധ്രങ്ങളുടെ (positive holes) അഥവാ ഇലക്ട്രോണ്‍ അഭാവങ്ങളുടെ ഒഴുക്കും ഉണ്ടാകും. രണ്ടും ചേര്‍ന്നതാണ് മൊത്തം പ്രവാഹം. ഇലക്ട്രോണുകള്‍ക്ക് ഋണചാര്‍ജാണ്. 'ഇലക്ട്രോണ്‍ രന്ധ്രങ്ങള്‍'ക്കു ഫലത്തില്‍ ധനചാര്‍ജാണ്. അപ്പോള്‍ ഇവിടെ ധനചാര്‍ജിന്റെ ഒഴുക്കുള്ളതായി അനുഭവപ്പെടുന്നു. ഇതിനെ (പോസിറ്റീവ് ) p-കറന്റ് എന്നു പറയാം. (iii) അര്‍ധചാലകങ്ങളില്‍ ചില അപദ്രവ്യങ്ങള്‍ (impurities) ചേര്‍ത്ത് ഇതില്‍ ഏതെങ്കിലും ഒന്ന് വര്‍ധിപ്പിക്കാം. ഇതിനെ ഡോപിങ് (doping) എന്നു പറയുന്നു. n-കറന്റോ p-കറന്റോ കൂടുതല്‍ എന്നതിനനുസരിച്ച് അര്‍ധചാലകങ്ങളെ n-തരം എന്നും p-തരം എന്നും വര്‍ഗീകരിക്കാം. അപദ്രവ്യങ്ങളുടെ അതിസൂക്ഷ്മമായ തോതിലുള്ള സാന്നിധ്യംപോലും അര്‍ധചാലകങ്ങളുടെ പ്രതിരോധകതയ്ക്ക് ആയിരക്കണക്കിനും ലക്ഷക്കണക്കിനും മടങ്ങ് മാറ്റം വരുത്തുന്നതാണ്.
ജെര്‍മാനിയംപോലുള്ള വസ്തുക്കള്‍ ചതുര്‍സംയോജകത പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുന്നവ(tetravalent)യാണ്. ജെര്‍മാനിയം അണുവിന്റെ പുറം അടരിലുള്ള നാല് ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ചുറ്റുമുള്ള മറ്റു നാല് ജെര്‍മാനിയം അണുക്കളുമായി സഹസംയോജകബന്ധം (covalent) സ്ഥാപിക്കുന്നതുകൊണ്ടാണ് ക്രിസ്റ്റല്‍ ജാലികം (lattice) ഉണ്ടാകുന്നത്. അതുകൊണ്ട് സാധാരണഗതിയില്‍ വൈദ്യുതീവഹനത്തിനാവശ്യമായ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ലഭ്യമല്ല. വളരെ താഴ്ന്ന താപനിലയില്‍ അവികലമായ ഒരു ജെര്‍മാനിയം ക്രിസ്റ്റല്‍ ഒരു നല്ല രോധിയായിരിക്കും. പക്ഷേ, താപം കൂടുമ്പോള്‍ താപീയചലനം (thermal motion) മൂലം ചില ഇലക്ട്രോണുകള്‍ സഹസംയോജകതാബന്ധങ്ങളില്‍നിന്നും മോചിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ചാര്‍ജ് വാഹകങ്ങ (charge carriers) ളായി പ്രവര്‍ത്തിക്കുകമൂലം ക്രിസ്റ്റലിന് ഉയര്‍ന്ന താപനിലയില്‍ വൈദ്യുതീചാലകത ഉണ്ടാകുന്നു. മറ്റൊരു വിധത്തിലുള്ള വൈദ്യുതപ്രവാഹവും സാധ്യമാണ്. ഒരു ഇലക്ട്രോണ്‍ ഒരു സഹസംയോജകതാബന്ധത്തില്‍നിന്നും മോചിപ്പിക്കപ്പെടുകയാണെങ്കില്‍ ആ ഒഴിവു നികത്തുന്നതിനായി അടുത്തുള്ള ഒരു സഹസംയോജകബന്ധത്തില്‍നിന്നും മറ്റൊരു ഇലക്ട്രോണ്‍ അവിടെ വന്നെത്താം. രണ്ടാമത്തെ ബന്ധത്തിലുണ്ടാകുന്ന ഒഴിവ് മൂന്നാമതൊരു ബന്ധത്തില്‍നിന്നും വരുന്ന ഇലക്ട്രോണ്‍ നികത്തുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോണ്‍രന്ധ്രത്തിനു ക്രിസ്റ്റലില്‍ക്കൂടി സഞ്ചരിക്കാവുന്നതാണ്. ഇലക്ട്രോണിന്റെ അഭാവം അഥവാ ഒഴിവ് ധനവൈദ്യുതിയുള്ള ഒരു ചാര്‍ജിന്റെ വാഹകമെന്നപോലെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നു.
അപദ്രവ്യങ്ങളൊന്നും ഇല്ലാത്ത അര്‍ധചാലകക്രിസ്റ്റലിന്റെ വൈദ്യുതീചാലകത പ്രധാനമായും ഇലക്ട്രോണുകളും ഒഴിവുകളും ഉണ്ടാകുന്നതുകൊണ്ട് ചാലകതയും കൂടിക്കൂടിവരുന്നു. ഇങ്ങനെയുള്ള ശുദ്ധ ക്രിസ്റ്റലുക (pure crystals) ളെ ആന്തര അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ (intrinsic semi conductor) എന്നു പറയുന്നു. മറ്റൊരു വിധത്തിലും ഇവയുടെ ചാലകത വര്‍ധിപ്പിക്കാവുന്നതാണ്. ക്രിസ്റ്റലില്‍ അപദ്രവ്യ-അണുക്കള്‍ (impurity atoms) കലര്‍ന്നിരുന്നാല്‍ അര്‍ധചാലകങ്ങളുടെ വൈദ്യുതഗുണങ്ങള്‍ക്കു സാരമായ വ്യത്യാസം സംഭവിക്കുന്നു. ഇപ്രകാരമുള്ള അര്‍ധചാലകങ്ങളെ ബാഹ്യ-അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ (extrinsic semi conductor) എന്നു പറയുന്നു. അര്‍ധചാലകത്തില്‍ ലക്ഷത്തിലൊരംശം ബോറോണ്‍ കലര്‍ന്നിരുന്നാല്‍ അതിന്റെ ചാലകത ആയിരം മടങ്ങ് വര്‍ധിക്കുന്നു. അപദ്രവ്യ അണുക്കളുടെ എണ്ണവും സ്വഭാവവും നിയന്ത്രിച്ച് അര്‍ധചാലകങ്ങളുടെ വൈദ്യുതഗുണങ്ങളെ ആവശ്യാനുസരണം മാറ്റാവുന്നതാണ്. അപദ്രവ്യ അണുക്കളുടെ സാന്നിധ്യം ചാര്‍ജ് വാഹകങ്ങളായ ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും ഒഴിവുകളുടെയും എണ്ണത്തില്‍ വ്യത്യാസം വരുത്തുന്നതുകൊണ്ടാണ് ഇതു സാധ്യമാകുന്നത്.
അപദ്രവ്യ വസ്തുക്കള്‍ ഫോസ്ഫറസ്, ആന്റിമണി, ആഴ്സെനിക് എന്നിവയിലേതെങ്കിലും ഒന്നാണെങ്കില്‍ പത്തു ലക്ഷം ജെര്‍മാനിയം അണുക്കള്‍ക്ക് ഒന്ന് എന്ന തോതില്‍ ഇവയിലേതെങ്കിലും ഒന്നിന്റെ അണുക്കള്‍ ക്രിസ്റ്റലിലുണ്ടായിരുന്നാല്‍ മതിയാകുന്നതാണ്. ഈ അണുക്കളുടെ സംയോജകത 5 ആണ്; ഈ അണുക്കങ്ങളുടെ 5 സംയോജക ഇലക്ട്രോണുകളില്‍ 4 എണ്ണം ചുറ്റുമുള്ള ജെര്‍മാനിയം അണുക്കളുമായി സഹസംയോജകബന്ധങ്ങളിലകപ്പെടുന്നു. ശേഷിക്കുന്ന അഞ്ചാമത്തെ ഇലക്ട്രോണ്‍ എളുപ്പം മോചിപ്പിക്കപ്പെടാവുന്നതാണ്. ഒരു വോള്‍ട്ടത (voltage) പ്രയോഗിച്ചാല്‍ ഈ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണ്‍ ധനഇലക്ട്രോഡിലേക്ക് ചലിക്കുകയും വൈദ്യുതീപ്രവാഹം ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യും. ഇലക്ട്രോണുകളെ സംഭാവന ചെയ്യുന്ന ഇപ്രകാരമുള്ള അപദ്രവ്യ-അണുക്കളെ 'ദാതാക്കള്‍' (donors) എന്നു പറയുന്നു. ദാതാ-അണുക്കള്‍ ക്രിസ്റ്റലിലുള്ളപ്പോള്‍ വൈദ്യുതീപ്രവാഹം പ്രധാനമായും ഇലക്ട്രോണുകള്‍ മൂലമുള്ളതായിരിക്കും. ഇപ്രകാരമുള്ള അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ n-ടൈപ്പില്‍പ്പെടുന്നു.
അപദ്രവ്യ അണുക്കള്‍ ഗാലിയം, ഇന്‍ഡിയം, ബോറോണ്‍ എന്നിവയിലേതെങ്കിലും ഒന്നാണെങ്കില്‍ സ്ഥിതി തികച്ചും വ്യത്യസ്തമാണ്. ഈ അണുക്കളുടെ സംയോജകത 3 ആണ്. ക്രിസ്റ്റലില്‍ ജെര്‍മാനിയം അണുക്കളുടെ സ്ഥാനത്ത് ഇത്തരം അപദ്രവ്യഅണുക്കള്‍ കയറിപ്പറ്റുകയാണെങ്കില്‍ തൊട്ടടുത്തുള്ള 3 ജെര്‍മാനിയം അണുക്കളുമായി അവ ഉടനടി സംയോജകതാബന്ധം സ്ഥാപിക്കുന്നു. അതുകൂടാതെ നാലാമതൊരു ബന്ധം സ്ഥാപിക്കുന്നതിനായി പരിസരത്തുള്ള മറ്റു ബന്ധങ്ങളിലെ ഏതെങ്കിലും ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ അപഹരിക്കകൂടി ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെ അപദ്രവ്യ അണു ചുറ്റുമുള്ള നാലു ജെര്‍മാനിയം അണുക്കളുമായി ബന്ധത്തിലേര്‍പ്പെടുന്നതോടൊപ്പം പരിസരത്ത് ഒരു ഒഴിവുണ്ടാക്കുകയും ചെയ്യും. വോള്‍ട്ടത പ്രയോഗിക്കുമ്പോള്‍ ഒഴിവ് ഋണഇലക്ട്രോഡിലേക്കു നീങ്ങുകയും ക്രിസ്റ്റലില്‍ വൈദ്യുതീപ്രവാഹമുണ്ടാകുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇപ്രകാരമുള്ള അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ p-ടൈപ്പില്‍പ്പെടുന്നു. ഇവിടെ ഗാലിയം, ഇന്‍ഡിയം തുടങ്ങിയവയെ 'സ്വീകാരി'- അണുക്കള്‍ (acceptor atoms) എന്നു പറയുന്നു.
p-nടൈപ്പ് അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ തമ്മിലുള്ള സന്ധിക്കു സവിശേഷമായ ചില വൈദ്യുതഗുണങ്ങളുണ്ട്. ഈ പ്രത്യേക ഗുണങ്ങളെ ആധാരമാക്കിയാണ് ഡയോഡ്, ട്രാന്‍സിസ്റ്റര്‍ എന്നിവ നിര്‍മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ക്രിസ്റ്റലില്‍ വീഴുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ തീക്ഷ്ണതയനുസരിച്ച് അര്‍ധചാലകങ്ങളുടെ ചാലകത വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു. ഇതുകൊണ്ട് അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ ഫോട്ടോ സെല്ലില്‍ ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട്. താപനിലയനുസരിച്ച് രോധത്തിനു സാരമായ വ്യത്യാസം സംഭവിക്കുന്നു എന്ന തത്ത്വം ഉപയോഗിച്ചാണ് തെര്‍മിസ്റ്റര്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്. താപനില അളക്കുന്നതിന് ഇതു വളരെ സൗകര്യപ്രദമായ രീതിയില്‍ ഉപയോഗിക്കാവുന്നതാണ്. p-n സന്ധിയുപയോഗിച്ച് പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന ലേസറുകളും (laser) പ്രചാരത്തില്‍ വന്നിട്ടുണ്ട്. അര്‍ധചാലകങ്ങളുടെ അതിവേഗവികാസത്തില്‍ രൂപംകൊണ്ടിട്ടുള്ളതാണ് കംപ്യൂട്ടറിലെ ചിപ്പുകളും 'ചിപ്' സാങ്കേതികവിദ്യയും. ഐ.ടി., ഐ.ടി. അധിഷ്ഠിത ഉപകരണങ്ങള്‍, ഇലക്ട്രോണിക് യന്ത്രാവലി എന്നിവയുടെ ഡിസൈനിലും നിര്‍മാണത്തിലും 'ചിപ്' സാങ്കേതികവിദ്യ വമ്പിച്ച പ്രാധാന്യവും പ്രചാരവും നേടിയിരിക്കുന്നു. നോ: ചാലകങ്ങള്‍; ട്രാന്‍സിസ്റ്റര്‍
(എം.എന്‍. ശ്രീധരന്‍ നായര്‍)
