ઘન-અવસ્થા પ્રયુક્તિઓ (solid state devices)

ટ્રાન્ઝિસ્ટર, સંકલિત પરિપથ (integrated circuits), ઑપ્ટોઇલેક્ટ્રૉનિક, સૂક્ષ્મતરંગ તથા દિષ્ટકારક (rectifier) જેવા અને અર્ધવાહક (semi-conductor) દ્રવ્યમાંથી બનાવેલ ઇલેક્ટ્રૉનિક ઘટકો.

અર્ધવાહકો : અર્ધવાહક દ્રવ્ય એટલે લાકડું, કાચ, પ્લાસ્ટિક અને રબર જેવા મંદવાહક પદાર્થો કરતાં વધારે સારું વિદ્યુતવાહક દ્રવ્ય; પણ ચાંદી, તાંબું કે પારા જેવા સુવાહક પદાર્થો કરતાં તે ઓછા પ્રમાણમાં વિદ્યુતવાહક હોય છે. આમ અર્ધવાહક, એ વિદ્યુતવાહકતાની ર્દષ્ટિએ સુવાહક અને મંદવાહકની વચ્ચેનો પદાર્થ છે. સિલિકન (Si) અને જર્મેનિયમ (Ge) ઉત્તમ અર્ધવાહકો છે. ગૅલિયમ (Ga), આર્સેનિક (As), ફૉસ્ફરસ (P) અને ઇન્ડિયમ(In)નાં સંયોજનો પણ અર્ધવાહક તરીકે વર્તે છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર, દિષ્ટકારક અને સંકલિત પરિપથમાં સિલિકન અર્ધવાહકનો વ્યાપક રીતે ઉપયોગ થાય છે. સામાન્ય રીતે માઇક્રોતરંગ અને ઑપ્ટો-ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓમાં ગૅલિયમ આર્સેનાઇડ(Ga-As‘ગૅસ’)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અર્ધવાહકમાં યોગ્ય પ્રકારની અશુદ્ધિ જૂજ પ્રમાણમાં ઉમેરવામાં ન આવે ત્યાં સુધી તે અવાહક તરીકે વર્તે છે. ચતુ:સંયોજક (tetravalent) સિલિકનમાં પંચસંયોજક (pentavalent) આર્સેનિક કે ફૉસ્ફરસ-અશુદ્ધિ તદ્દન જૂજ પ્રમાણમાં ઉમેરવામાં આવે ત્યારે તેનો પ્રત્યેક પરમાણુ એક ઇલેક્ટ્રૉનનું દાન કરે છે. આથી પંચસંયોજક અશુદ્ધિ દ્રવ્યને દાતા (donor) કહે છે. ચતુ:સંયોજક અર્ધવાહકમાં જૂજ પ્રમાણમાં અશુદ્ધિ દ્રવ્ય ઉમેરવાની ક્રિયાને મેળવણ (doping) કહે છે. ચતુ:સંયોજક અર્ધવાહકમાં પંચસંયોજક અશુદ્ધિ દ્રવ્ય ઉમેરવાથી મળતા પદાર્થને N (negative) પ્રકારનો અર્ધવાહક કહે છે. ચતુ:સંયોજક અર્ધવાહકમાં ઍલ્યુમિનિયમ, બોરૉન અથવા ઍન્ટિમની જેવું ત્રિસંયોજક (trivalent) અશુદ્ધિ દ્રવ્ય ઉમેરવાથી મળતા પદાર્થને P (positive) પ્રકારનો અર્ધવાહક કહે છે. બોરૉન જેવું ત્રિસંયોજક દ્રવ્ય સિલિકન પાસેથી એક ઇલેક્ટ્રૉન ગ્રહણ કરે છે માટે તેને સ્વીકારક (acceptor) દ્રવ્ય કહે છે.

ચતુ:સંયોજક અર્ધવાહક પરમાણુના સંયોજક ઇલેક્ટ્રૉન સહસંયોજક બંધ (covalent bond) રચે છે. પંચસંયોજક અશુદ્ધિ-પરમાણુ ઉમેરતાં તે ચતુ:સંયોજક અર્ધવાહકના ચાર પાડોશી પરમાણુઓ સાથે ચાર પૂર્ણ સહસંયોજક બંધ રચે છે. આવી અશુદ્ધિનો એક ઇલેક્ટ્રૉન કોઈની સાથે જોડાયા સિવાય મુક્ત રહે છે. ત્રિસંયોજક અશુદ્ધિ-પરમાણુ ઉમેરતાં ત્રણ સહસંયોજક બંધ રચાય છે. ચોથા બંધમાં અશુદ્ધિ-પરમાણુનો એક ઇલેક્ટ્રૉન ખૂટતો હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉન વગરની ખાલી જગા ધન વિદ્યુતભારની જેમ વર્તે છે અને તેને છિદ્ર (hole) કહે છે. સિલિકન સાથે બોરૉનનું ડોપિંગ કરવાથી ચોથા બંધમાં છિદ્ર પેદા થાય છે. નજીકના સિલિકન પરમાણુનો ઇલેક્ટ્રૉન બોરૉનના છિદ્રમાં કૂદકો લગાવે છે ત્યારે વિદ્યુતપ્રવાહ શરૂ થાય છે અને સિલિકનના ઇલેક્ટ્રૉનની જગાએ છિદ્ર રચાય છે. આ રીતે ઇલેક્ટ્રૉન અને છિદ્રો વિરુદ્ધ દિશામાં ગતિ કરે ત્યારે વિદ્યુતપ્રવાહનું નિર્માણ થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન અને છિદ્રના વિદ્યુતભાર વિરુદ્ધ હોવાથી અને વિરુદ્ધ દિશામાં ગતિ કરતા હોઈ એ એક જ પ્રકારનો એક જ દિશામાં વિદ્યુતપ્રવાહ મળે છે. વિદ્યુતવાહકતા માટે જરૂરી ઇલેક્ટ્રૉન તેમજ છિદ્રોને વિદ્યુતભારના સંવાહકો (charge carriers) કહે છે.

P-N જંક્શન : P-પ્રકારના તથા N-પ્રકારના અર્ધવાહકોને ‘ગ્રોન’ અથવા ‘ડિફ્યૂઝ’ પદ્ધતિ વડે જોડતાં મળતી રચનાને P-N જંક્શન કહે છે. P અને N અર્ધવાહકો વચ્ચેના સામાન્ય વિસ્તારને P-N જંક્શન કહે છે. જ્યારે P-N જંક્શનના P વિભાગને વિદ્યુતકોષના ધન છેડા સાથે અને N વિભાગને ઋણ છેડા સાથે જોડવામાં આવે છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રૉન અને છિદ્રો જંક્શનની આરપાર વિસરિત (diffuse) થાય છે. પરિણામે Pથી N વિભાગ તરફ સારો વિદ્યુતપ્રવાહ મળે છે. P-N જંક્શનના P વિભાગને વિદ્યુતકોષના ધન અને N વિભાગને ઋણ છેડા સાથે જોડતાં મળતી રચનાને અગ્ર-ઝોક(forward bias)વાળું જોડાણ કહે છે. P-N જંક્શનના P વિભાગને વિદ્યુતકોષના ઋણ અને N વિભાગને ધન છેડા સાથે જોડતાં મળતી રચનાને વિપરીત-ઝોક જોડાણ (reverse bias) કહે છે. અગ્ર-ઝોક જોડાણ હોય ત્યારે વિદ્યુતદબાણના તફાવતના વધારા સાથે વિદ્યુતપ્રવાહનું મૂલ્ય વધે છે. વિપરીત-ઝોક જોડાણ હોય ત્યારે વિરુદ્ધ દિશામાં નહિવત્ વિદ્યુતપ્રવાહ મળે છે. જુઓ આકૃતિ 1 અને 2.

P-N જંક્શન ડાયોડ : એક જ દિશામાં વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન કરે તેવી આ યુક્તિ છે. આવી રચના પ્રત્યાવર્તી વિદ્યુતપ્રવાહ(alternate current)નું એકદિશ વિદ્યુતપ્રવાહ(direct current)માં રૂપાંતર કરે છે. વ્યવહારમાં P-N જંક્શન ડાયોડનો દિષ્ટકારક તરીકેનો ઉપયોગ ઘણો મહત્વનો છે.

P-N જંક્શન ડાયોડ ઉપર વિપરીત-ઝોક ધરાવતું વિદ્યુતદબાણ વધારતાં એક એવા મૂલ્ય ઉપર પહોંચાય છે જ્યારે અર્ધવાહકના સહસંયોજક બંધોમાં ભંગાણ સર્જાય છે. આવા ક્રાંતિક (critical) વિદ્યુતદબાણને ભંજન-વોલ્ટતા (breakdown voltage) કહે છે. આયનીકરણની પ્રક્રિયાથી તૈયાર થતા નવા વિદ્યુતસંવાહકોના ઘસારાને અવધાન (avalanche) કહે છે. પરિણામે વિદ્યુતપ્રવાહ વિરુદ્ધ દિશામાં સારા પ્રમાણમાં વધી જાય છે. આવા વિદ્યુતપ્રવાહને ઝેનર પ્રવાહ કહે છે. ભંજન-વોલ્ટતા કરતાં ઓછા વિપરીત દબાણે ડાયોડ દિષ્ટકારક તરીકે કાર્ય કરે છે. ભંજન-વિદ્યુત-વોલ્ટતા પ્રાપ્ત થયા પછી વધુ વિપરીત વિદ્યુતપ્રવાહ વડે વિદ્યુતદબાણનું નિયમન કરી શકાય છે. આવા હેતુ માટે તૈયાર કરવામાં આવતી ડાયોડની રચનાને ભંજન અથવા ઝેનર ડાયોડ કહે છે. વિપરીત-ઝોક ધરાવતા P-N જંક્શન સાથે સંધારિતા (capacitance) સંકળાયેલી હોય છે, જેનો આધાર લગાડવામાં આવતા વિદ્યુતદબાણ ઉપર રહેલો હોય છે. વિદ્યુતદબાણ ચલિત સંધારિતાનો ઉપયોગ સમસ્વરિત (tuned) પરિપથ માટે થાય છે. આ પ્રકારના ડાયોડને વેરૅક્ટર ડાયોડ કહે છે.

અત્યંત પાતળા અને બંને બાજુએ ભારે ડોપિંગ કરાયેલા P જંક્શનને એકાએક (abruptly) ઉદભવતું જંક્શન કહે છે. આવા જંક્શનનો ઉપયોગ સુરંગ (tunnel) ડાયોડમાં થાય છે. આવા ડાયોડમાં ઇલેક્ટ્રૉન જંક્શનમાં થઈને આરપાર નીકળી જાય છે. સુરંગમાંથી ઇલેક્ટ્રૉન પસાર થવાની ઘટના ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીય છે. આ ઘટના દરમિયાન ઇલેક્ટ્રૉન વિભવ અંતરાય (potential barrier) ઓળંગવાને બદલે અંતરાયમાં અંત:પ્રવેશ (penetration) કરીને બહાર નીકળી જાય છે. વિપરીત ઝોક અને અગ્ર-ઝોક-વોલ્ટતા હોય ત્યારે ટનલ ડાયોડમાં ઘણા નીચા વિદ્યુતદબાણે વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થાય છે. ક્રાંતિક અગ્ર-ઝોક-વિદ્યુત-દબાણે ટનલિંગ ઓછું થવા લાગે છે. તે વખતે Pથી N તરફનો સામાન્ય પ્રવાહ અંતે આધિપત્ય ધરાવતો થાય છે. જ્યારે વિદ્યુતદબાણ ક્રાંતિક મૂલ્ય કરતાં વધારે થાય છે ત્યારે ટનલિંગને લીધે પ્રાપ્ત થતો વિદ્યુતપ્રવાહ ઘટવા લાગે છે. વિદ્યુતદબાણની અવધિ દરમિયાન ટનલિંગ ઘટે છે ત્યારે ઋણ અવરોધ પેદા થાય છે. ઋણ અવરોધનું ખાસ મહત્વ એ છે કે તેનો ઉપયોગ સ્વિચ, દોલક (oscillator), પ્રવર્ધક (amplifier) તથા અન્ય પરિપથમાં થાય છે. અત્યંત વધારે ઝડપથી કાર્ય કરતા કમ્પ્યૂટરના સ્વિચ-પરિપથમાં ટનલ ડાયોડનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે.

ટનલ ડાયોડ : ટનલ ડાયોડ એ મહત્વની ઘન-અવસ્થા પ્રયુક્તિ છે. તેની શોધ 1958માં ઇસાકીએ કરી હતી. આ પ્રયુક્તિ ભારે પ્રમાણમાં ડોપિંગ કરેલ P-N જંક્શન ધરાવે છે. આ જંક્શન આગળ 10^-6 સેમી. કરતાં ઓછા અંતરે Pથી N દ્રવ્ય તરફ સંક્રાંતિ થતી હોય છે. ઝડપી ઇલેક્ટ્રૉનિક પરિપથમાં ટનલ ડાયોડનો ખૂબ ઉપયોગ થાય છે. તે 10¹⁰ સાઇકલ/સેકન્ડ કરતાં ઊંચી આવૃત્તિઓ તથા 10^-9 સેકન્ડ કરતાં ઓછા સમય માટે સ્વિચ તરીકે કાર્ય કરે છે. ટનલ ડાયોડના કેટલાક સીધેસીધા ફાયદા છે, જેમ કે ટનલ ડાયોડનું કદ અત્યંત ઓછું હોય છે, ઓછી વોલ્ટતા અને ઓછા પાવરે તે કાર્ય કરે છે, તાપમાનની લાંબી અવધિ માટે તે કાર્ય કરે છે. તે સસ્તો છે અને તેની રચના (fabrication) અત્યંત સરળ છે. આ સાથે તેની કાર્ય કરવાની ઝડપ ખૂબ છે. તેનો મુખ્ય ગેરફાયદો એ છે કે તેને માત્ર બે છેડા (terminal) જ હોય છે. આથી તેની લાક્ષણિકતાનો અમુક ભાગ સમતુલ્ય પરિપથ માટે સક્રિય હોય છે. તેથી આદાન (input) અને પ્રદાન (output) પરિપથને અલગ કરી શકાતા નથી અને બિનજરૂરી ઉચ્ચ આવૃત્તિનાં દોલનોને દૂર કરવા માટે પૂરતી કાળજી રાખવી પડે છે. ટનલ ડાયોડ નામ ટનલ ઘટના ઉપરથી પડ્યું છે. આ ઘટના માત્ર ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી વડે જ સમજાવી શકાય છે. ચિરપ્રતિષ્ઠિત યાંત્રિકીમાં ટનલ ઘટના ઉદભવતી નથી.

ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીય ટનલિંગ : ચિરપ્રતિષ્ઠિત યાંત્રિકી મુજબ જે કણની ગતિજ ઊર્જા (E) સ્થિતિ-ઊર્જા (U) કરતાં વધારે હોય તેવો જ વિભવ અંતરાય ઓળંગી શકે છે (જુઓ આકૃતિ 3a અને 3b.); એટલે કે જો કણની ગતિજ ઊર્જા ½Mυ² સ્થિતિ ઊર્જા (mgh) કરતાં વધારે હોય તો જ તે અંતરાયને ઓળંગી શકે છે. અહીં, m = કણનું દ્રવ્યમાન; v = કણનો વેગ; h = અંતરાયની ઊંચાઈ તથા g = ગુરુત્વ પ્રવેગ છે. ન્યૂક્લિયર અને પારમાણ્વિક ભૌતિકવિજ્ઞાનની કેટલીક ઘટનાઓ સૂક્ષ્મકણોની અંત:પ્રવેશની ક્રિયાથી સમજાવી શકાય છે. ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીના ઉપયોગને આધારે બતાવી શકાય છે કે ઉચ્ચ-ઊર્જા અંતરાયમાં થઈને કણ આરપાર નીકળી જાય તે માટે ઓછી; પરંતુ ચોક્કસ સંભાવ્યતા (probability) ધરાવે છે. આ રીતે અંતરાયને વેધીને કણની પ્રવેશ કરવાની ઘટનાને ટનલ ઘટના કહે છે.

ટનલ ઘટના દ્વારા આપાત ઇલેક્ટ્રૉન-પુંજ(beam)ના પારગમન પામતા અંશને પારગમન ગુણાંક (transmission coefficient) કહે છે.

પારગમન ગુણાંક  સૂત્ર વડે મળે છે.

અહીં A₁ અને A₃ અનુક્રમે આપાત અને પારગત તરંગોના કંપવિસ્તાર છે. અંતરાય ઓળંગવા માટે કણની પ્રારંભિક ઊર્જા પૂરતી ન હોય તોપણ આ સૂત્ર દર્શાવે છે કે કણની પારગત થવાની સંભાવ્યતા ઓછી પણ ચોક્કસ હોય છે. અંતરાયની પહોળાઈ વધે તેમ આ સંભાવ્યતાનું મૂલ્ય ઘટે છે. વળી અંતરાયની ઊંચાઈ વધે તેમ પણ આ સંભાવ્યતાનું મૂલ્ય ઘટે છે. આપાત થતા અને પારગત થતા ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા E જેટલી જ રહે છે. અંતરાયની બંને બાજુએ ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા એકસરખી રહે તો જ ટનલિંગ શક્ય બને છે.

જેમ વોલ્ટતા વધે તેમ ટનલ પ્રવાહમાં ઘટાડો થાય છે. આથી ઋણ અવરોધ વિભાગ ઉદભવે છે. આ વિભાગમાં પાવરના પુરવઠામાંથી બાહ્ય પરિપથમાં ઊર્જાનું સ્થાનાંતરણ થાય છે. ટનલ ડાયોડનો આ એક એવો ગુણધર્મ છે જેનો ઉપયોગ પ્રવર્ધક અને દોલક અથવા સ્વિચ તરીકે થઈ શકે છે. અર્ધવાહક તત્વો જર્મેનિયમ અથવા સિલિકનમાંથી ટનલ ડાયોડ બનાવી શકાય છે. ગૅલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) અને આવર્તક કોષ્ટકના જૂથ(3)નાં એટલે કે બોરૉન (B), ઍલ્યુમિનિયમ (Al), ઇન્ડિયમ (In), ટેન્ટેલમ (Tl) તથા જૂથ(5)ના ફૉસ્ફરસ (P), આર્સોનિક (As), ઍન્ટિમની (Sb) અને બિસ્મથ(Bi)નાં સંયોજનો વડે પણ ટનલ ડાયોડ તૈયાર કરી શકાય છે. જૂથ(3) અને (5)ના પરમાણુઓ સ્ફટિકમય સંયોજનો રચે છે અને તેમના ગુણધર્મો જૂથ(4)ના એટલે કે સિલિકન (Si), જર્મેનિયમ (Ge), સીસું (Pb) વગેરે અર્ધવાહકના ગુણધર્મો જેવા હોય છે. ટનલ ડાયોડની બધી જ મૂળભૂત લાક્ષણિકતાઓ એકસરખી હોય છે. ભારે પ્રમાણમાં ડોપિંગ કરેલા અર્ધવાહકમાંથી ટનલ ડાયોડની રચના કરવામાં આવે છે. તેથી ઔદ્યોગિક નિર્માણમાં દ્રવ્ય અત્યંત શુદ્ધ હોવું જરૂરી નથી. વધારામાં કેટલીક બાબતો ટ્રાન્ઝિસ્ટરની રચના કરતાં ટનલ ડાયોડના પૃષ્ઠની પરિસ્થિતિ ઘણી ઓછી ક્રાંતિક હોય છે. આથી ટનલ ડાયોડનું ઔદ્યોગિક નિર્માણ સસ્તું અને સરળ બને છે.

ટનલ ડાયોડની ઋણ અવરોધ લાક્ષણિકતા, તાપમાનના વિસ્તૃત વિસ્તાર માટે જોવા મળે છે. આ પ્રયુક્તિની બંને બાજુએ ભારે ડોપિંગ કરેલું હોવાથી અને ટનલિંગ વખતે તાપમાન પ્રત્યે સંવેદનશીલ લઘુમતી સંવાહકો (carriers) ઓછા સંભવિત હોવાથી ઊંચા અને નીચા તાપમાને પ્રક્રિયા શક્ય બને છે. જર્મેનિયમ એકમ માટે તાપમાનનો વિસ્તાર 4.2 કૅલ્વિનથી 520 કૅલ્વિન અને સિલિકન એકમ માટે તાપમાનનો વિસ્તાર 4.2 કૅલ્વિનથી 620 કૅલ્વિન સુધી જોવા મળે છે.

P-N જંક્શન ડાયોડનો ફોટો-ડાયોડ અથવા સૌર કોષ (solar cell) તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે. આવા ફોટો-ડાયોડ અથવા સૌર કોષને ફોટોવોલ્ટેઇડ જંક્શન કહે છે. પ્રકાશ એ ફોટૉન નામના ઊર્જાકણનો બનેલો છે. સ્વચ્છ કરેલા P-N જંક્શન ડાયોડ ઉપર પૂરતી આવૃત્તિવાળો પ્રકાશ આપાત કરવામાં આવે છે ત્યારે પ્રકાશના ફોટૉનનું અર્ધવાહકના પરમાણુ વડે શોષણ થાય છે. આવા પરમાણુ વધારાના ઇલેક્ટ્રૉન અને છિદ્રનું નિર્માણ કરે છે. વધારાના સંવાહકો જંક્શનની સામસામે એકત્રિત થાય છે. આથી વધારાનો વિદ્યુતપ્રવાહ Nથી P તરફ વહે છે. આવા વિપરીત-પ્રવાહનું મૂલ્ય દર સેકન્ડે પેદા થતા વધારાના સંવાહકોના સમપ્રમાણમાં હોય છે. પેદા થતા સંવાહકોની સંખ્યાનો દર આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા ઉપર આધાર રાખે છે. જેમ તીવ્રતા વધે કે ઘટે તેમ પેદા થતા સંવાહકોની સંખ્યા પણ વધે કે ઘટે છે.

જ્યારે વિપરીત વિદ્યુતદબાણ નિશ્ચિત હોય ત્યારે ફોટો-ડાયોડમાં વિપરીત વિદ્યુતપ્રવાહ પ્રકાશની તીવ્રતા સાથે બદલાય છે. સામાન્ય રીતે ફોટો-ડાયોડનો ઉપયોગ પ્રકાશ-માપકો, ફોટોજ્ઞાપકો અને પ્રકાશીય લક્ષણ અભિજ્ઞાન (optical character recognition ­ OCR) પદ્ધતિઓમાં થાય છે.

સૌર કોષ વિદ્યુતઊર્જાને P-N જંક્શનથી બાહ્ય બોજ (external load) સુધી પહોંચાડે છે. વિપરીત વિદ્યુતપ્રવાહ પેદા થાય છે, પણ જંક્શન તો અગ્ર ઝોકવાળું જ રહે છે. તેથી વિદ્યુતપ્રવાહ બૅટરીમાં વહેતા વિદ્યુતપ્રવાહ જેવો જ હોય છે. એટલે કે વિદ્યુતદબાણની અપેક્ષાએ તે ઋણથી ધન વિભાગ તરફ વહે છે. સૌર કોષ વડે સૂર્યપ્રકાશનું સીધેસીધું વિદ્યુતમાં રૂપાંતર થાય છે. સિલિકન અર્ધવાહકના બનાવેલા આવા સૌર કોષોનો વિવિધ ક્ષેત્રે ઉપયોગ થાય છે. અવકાશ-સંશોધન માટે વપરાતા કૃત્રિમ ઉપગ્રહો ઉપર વિદ્યુત-ઊર્જાના સ્રોત તરીકે સૌર કોષોનો ઉપયોગ મહત્વનો બની રહે છે.

કેટલાક સંયુક્ત અર્ધવાહકો જેવા કે ગૅલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAS), ગૅલિયમ ફૉસ્ફાઇડ (Ga•P) અને ઇન્ડિયમ ફૉસ્ફાઇડ(InP)માં અગ્ર-ઝોક વિદ્યુત દબાણવાળા P-N જંક્શન આગળ ઇલેક્ટ્રૉન અને છિદ્રો પુન: મિલન પામે છે ત્યારે પ્રકાશ આપે છે. આવા પ્રકાશની તરંગલંબાઈ P-N જંક્શન માટે ઉપયોગમાં લીધેલા દ્રવ્યના પ્રકાર ઉપર આધારિત હોય છે. GaAsની બાબતે મળતા પ્રકાશની તરંગલંબાઈ ઇન્ફ્રારેડ વિભાગમાં હોય છે, જ્યારે GaP માટે આવા પ્રકાશની તરંગલંબાઈ ર્દશ્ય વિભાગમાં લીલા પ્રકાશની તરંગલંબાઈ જેટલી હોય છે. (3000 Åથી 8000  Å વચ્ચે તરંગલંબાઈ ધરાવતા વિદ્યુત ચુંબકીય વિકિરણને ર્દશ્ય વિભાગ કહે છે.) 3000 Åથી ઓછી તરંગલંબાઈવાળા ર્દશ્ય પ્રકાશ નજીકના વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણને અલ્ટ્રાવાયોલેટ વિકિરણ કહે છે. 8000 Åથી વધુ તરંગલંબાઈવાળા અને ર્દશ્ય પ્રકાશના નજીકના વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણને ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણ કહે છે. યોગ્ય ર્દશ્યની પસંદગી કરવામાં આવે તો પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરતા ડાયોડ(light emitting diode ­ LED)ની રચના કરી શકાય છે. આવી રચના કોઈ પણ અંગ(એટલે કે તરંગલંબાઈ)નો પ્રકાશ આપી શકે છે. આવી ‘લેડ’ રચનાનો ઉપયોગ કાંડા-ઘડિયાળમાં અને ઇલેક્ટ્રૉનિક ગણકયંત્રના નિદર્શક (display) ઉપર કરવામાં આવે છે. ઇન્ફ્રારેડ ‘લેડ’ રચનાઓનો ઉપયોગ પ્રકાશીય સંચારપદ્ધતિઓમાં કરી શકાય છે. આવી પદ્ધતિમાં પ્રકાશના રેષાઓ (optical fibres)  ઉપર મોકલેલા પ્રકાશ સંકેતો(signals)નું ફોટો-ડાયોડ વડે જ્ઞાપન કરી શકાય છે. ‘લેડ’ રચનાને ‘લેઝર’ જેવી બનાવવામાં આવે તો આવી જાતની ઑપ્ટોઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રણાલીઓ ખૂબ જ સક્ષમ બને છે અને ફોટો-જ્ઞાપકો વિપરીત-ઝોક અવધાન પદ્ધતિ(avalanche mode)માં કાર્ય કરે છે.

ટ્રાન્ઝિસ્ટર : ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં P-N જંક્શનનો ઉપયોગ થાય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરને ત્રણ અંત:સ્થ (terminals) હોય છે. સંકલિત પરિપથ ધરાવતી કરચ (chip) ઉપર અનેક ટ્રાન્ઝિસ્ટરોનું કાર્ય કંડારેલું હોય છે.

દ્વિધ્રુવીય (bipolar) ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં ઇલેક્ટ્રૉન અને છિદ્રો વિદ્યુતભારનું વહન કરે છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં ત્રણ જુદા જુદા સ્તર હોય છે, જેમાં બે જંક્શનો તદ્દન નજીક નજીક, એકની પીઠ બીજાની પીઠ તરફ (back to back) રહે તે રીતે ગોઠવેલાં હોય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર ત્રણ પડવાળી સૅન્ડવિચ જેવો હોય છે. દ્વિધ્રુવીય ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં PNP અથવા NPN જંક્શનોનો ઉપયોગ થાય છે. PNP ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં જે P વિભાગ આદાન તરીકે કાર્ય કરે છે તેને ઉત્સર્જક (emitter) કહે છે, મધ્યસ્થ N વિભાગને આધાર (base) કહે છે અને જે P વિભાગ પ્રદાન તરીકે કાર્ય કરે છે તેને સંગ્રાહક (collector) કહે છે. આ રીતે NPN ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં એક N વિભાગ ઉત્સર્જક, P  વિભાગ આધાર અને બીજો N વિભાગ સંગ્રાહક હોય છે. જુઓ આકૃતિ 4-a અને 4-b. PNP ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં અગ્ર-ઝોક ઉત્સર્જક જંક્શન આગળ છિદ્રોને અંત:ક્ષિપ્ત (injected) કરેલાં હોય છે અને તે વિપરીત-ઝોક સંગ્રાહક જંક્શન આગળ એકત્રિત થાય છે. NPN ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં આ જ પ્રમાણે ઇલેક્ટ્રૉનને અંત:ક્ષિપ્ત કરવામાં આવે છે અને તે ત્યાં એકઠાં થતાં હોય છે. આધાર ઉપર અંકુશ કરતો થોડોક વિદ્યુતપ્રવાહ આપવાથી અંત:ક્ષિપ્ત અને એકત્રીકરણની ક્રિયામાં ફેરફાર કરી શકાય છે.

 

ક્ષેત્ર-અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર (field effect transistor ­ FET) એકધ્રુવીય પ્રયુક્તિ છે. N વિભાગમાં મહદંશે ઇલેક્ટ્રૉન અને P વિભાગમાં છિદ્રોનું વાહક પ્રણાલીમાં થઈને વહન થાય છે. વિદ્યુતદબાણને લીધે પેદા થતા વિદ્યુતક્ષેત્રમાં ફેરફાર કરવાથી પ્રણાલીમાં વહેતા વિદ્યુતપ્રવાહને બદલી શકાય છે. આવું વિદ્યુતદબાણ કાં તો વિપરીત-ઝોક ધરાવતા જંક્શન આગળ અથવા પ્રયુક્તિની સપાટી ઉપરના અવાહક સ્તર ઉપર આપવામાં આવે છે.

ટૂંકમાં, દ્વિધ્રુવીય ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રવાહ-અંકુશિત પ્રયુક્તિ (current controlled device) અને એકધ્રુવીય FET રચના એ વિદ્યુતદબાણ (voltage) અંકુશિત પ્રયુક્તિ છે. માઇક્રૉઇલેક્ટ્રૉનિક્સમાં આ બંને પ્રયુક્તિઓનો વ્યાપક રીતે ઉપયોગ થાય છે.

PN PN પ્રયુક્તિઓ : આ પ્રયુક્તિ આકૃતિ 5માં દર્શાવી છે. આવી ચાર-સ્તરીય સંરચનાને અર્ધવાહક અંકુશિત ર્દષ્ટિકારક (semi- conductor controlled rectifier – SCR) કહે છે. SCR એ મહત્વની PNPN પ્રકારની પ્રયુક્તિ છે. આ પ્રકારમાં બે અંતસ્થ PNPN ડાયોડ અને બે બાજુવાળા દ્વિપાર્શ્વ (bilateral) PNPN ડાયોડનો સમાવેશ થાય છે.

SCR એ સક્ષમ સ્વિચ છે. તે નોંધપાત્ર ઊર્જા સાથે વ્યવહાર કરી શકે છે. અગ્ર-ઝોક દરમિયાન, જંક્શન B, વિપરીત-ઝોક ધરાવે છે. આથી વાસ્તવમાં વિદ્યુતપ્રવાહ વહેતો નથી પણ અગ્ર-ઝોક વોલ્ટતાને ક્રાંતિક મૂલ્ય સુધી વધારવામાં આવે ત્યારે જંક્શન B આગળ અવધાન થાય છે. ત્યારબાદ વિદ્યુતભાર સંવાહકો મધ્યસ્થ વિભાગો N અને Pમાં પિચકારીની સેર (jet) સ્વરૂપે દાખલ થાય છે. આ દરમિયાન PNP વિભાગના ઉત્સર્જક Aની આરપાર છિદ્રો વિસરિત થાય છે. તેવી જ રીતે NPN વિભાગના ઉત્સર્જક Cની આરપાર ઇલેક્ટ્રૉન વિસરિત થાય છે. પરિણામે વિદ્યુતપ્રવાહ વધે છે અને પ્રયુક્તિમાં થતો વોલ્ટતાપાત (voltage drop) ઓછો થાય છે. આ પ્રક્રિયાનો નીચા અગ્ર-ઝોક વોલ્ટતાએ પ્રારંભ કરવામાં આવે છે. તે માટે નીચેના P વિભાગને ‘ગેટ’ કહે છે (જુઓ આકૃતિ 5). ત્યાં આગળ થોડોક વિદ્યુતપ્રવાહ આપીને પ્રારંભ કરવામાં આવે છે. આથી SCR એક આદર્શ સ્વિચ તરીકે કાર્ય કરે છે. આવી સ્વિચ બંધ સ્થિતિમાં હોય ત્યારે બિલકુલ વિદ્યુતપ્રવાહ વહેતો નથી. પણ જ્યારે ચાલુ સ્થિતિમાં હોય ત્યારે નીચા દબાણે નોંધપાત્ર વિદ્યુતપ્રવાહ વહેતો હોય છે. મોટર, ભઠ્ઠી-અંકુશ, પ્રકાશદીપ્તિ-મંદક (dimmer) અને અન્ય પ્રયુક્તિઓમાં SCRનો બહોળો ઉપયોગ થાય છે.

સૂક્ષ્મ(micro)તરંગ પ્રયુક્તિઓ : સૂક્ષ્મતરંગ પરિપથમાં ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. સૂક્ષ્મતરંગો અર્ધવાહક ઘટકો વડે પેદા કરવામાં આવે છે. આવા અર્ધવાહક ઘટકો બે અંતરાય તથા ટનલ ડાયોડની જેમ ઋણ અવરોધ ધરાવતા હોવા જોઈએ. ‘ઇમ્પેક્ટ’ (Impact Avalanche Transit-Time — IMPATT) ડાયોડ અને ગન (Gunn) ડાયોડ એ આ પ્રકારની ખાસ મહત્ત્વની સૂક્ષ્મતરંગ પ્રયુક્તિઓ છે.

‘ઇમ્પેટ’ ડાયોડમાં, વિપરીત-ઝોકવાળા, PN જંકશનમાં થતું અવધાન-ભંજન (avalanche breakdown) વધારાના વિદ્યુતવાહકોને મંદપ્રવાહ (drift) વિભાગમાં તરતા કરે છે. મંદપ્રવાહ વિભાગ પટલે વિદ્યુતભારવાહકો આપેલ વોલ્ટતાની અસર નીચે ગતિ કરતા હોય એવો વિભાગ. જો આવા વિભાગ માટે યોગ્ય લંબાઈ પસંદ કરવામાં આવે તો વધારાના સંવાહકો પ્રયુક્તિના છેડે એવા સમયે પહોંચે છે જ્યારે પ્રત્યાવર્તી પ્રવાહ(AC)નું ચક્ર ઋણ હોય અને તે વખતે વિદ્યુતપ્રવાહ વધે અને વિદ્યુતદબાણ ઘટે છે. ઋણ વાહકતાના આ પ્રમાણેના પરિણામનો ઉપયોગ સૂક્ષ્મતરંગો પેદા કરતા વિવર અનુનાદક (cavity resonator) તરીકે કરવામાં આવે છે.

ગન ડાયોડની વિધિ (operation) GaAs અને InP જેવા અર્ધવાહકોના ગુણધર્મો ઉપર આધાર રાખે છે. GaAs અને InP વિદ્યુતક્ષેત્રના ક્રાંતિક મૂલ્ય ઇલેક્ટ્રૉનને દ્રવ્યમાં ધીમા પાડે છે. ઓહમના નિયમ મુજબ જ્યારે ક્ષેત્ર ઓછું હોય ત્યારે વિદ્યુતપ્રવાહ વિદ્યુતક્ષેત્રની તીવ્રતાને સમપ્રમાણ હોય છે. પણ ક્ષેત્ર વધારે (એટલે કે દર સેન્ટિમીટરે અમુક હજાર વોલ્ટ) હોય ત્યારે GaAs અને InPમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા એવા મૂલ્ય સુધી વધે છે કે જેથી અર્ધવાહક સ્ફટિકમાં ઇલેક્ટ્રૉન ગતિ કરવા માટે ઓછા મુક્ત બને છે. ગતિશીલતા (mobility) ઘટી જવાને કારણે ક્રાંતિક મૂલ્ય કરતાં વિદ્યુતક્ષેત્ર વધુ બને ત્યારે ઇલેક્ટ્રૉન ધીમા પડી જાય છે. ‘ઇમ્પેટ’ ડાયોડમાં ઋણવાહકતા પેદા થાય છે. આ ઋણવાહકતાનો ઉપયોગ સૂક્ષ્મતરંગો પેદા કરવા માટે થાય છે.

અન્ય પ્રયુક્તિઓ : ઘણી ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓમાં અર્ધવાહકનો ઉપયોગ થાય છે. નવી ને નવી પ્રયુક્તિઓ સતત શોધાતી જાય છે. આવી અદ્યતન પ્રયુક્તિઓમાં શૉટ્કી (Schottky) અંતરાય ડાયોડ, શ્રેણી જંક્શન પ્રયુક્તિ, જંક્શન ક્ષેત્ર-અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર (JFET) અને વિદ્યુતભાર યુગ્મિત પ્રયુક્તિ (charge coupled device ­ CCD)નો સમાવેશ થાય છે.

શૉટ્કી અંતરાય (barrier) : ઇલેક્ટ્રૉનને ધાતુની સપાટીમાંથી બહાર કાઢવા માટે જરૂરી લઘુતમ ઊર્જાને ધાતુનું કાર્ય-વિધેય (work function) કહે છે. ફર્મી સ્તરે ધાતુમાંથી ઇલેક્ટ્રૉનને દૂર કરવા માટે q Φm જેટલી ઊર્જાની જરૂર પડે છે; અહીં q = ઇલેક્ટ્રૉનનો વિદ્યુતભાર અને Φm = કાર્યવિધેય છે. ઍલ્યુમિનિયમ (Al) અને સોના(Au)ની શુદ્ધ કરેલી સપાટીઓ માટે કાર્યવિધેયનાં મૂલ્યો અનુક્રમે 4.3 V અને 4.8 V છે. ધાતુની સપાટી પાસે ઋણ વિદ્યુતભારને લાવવામાં આવે ત્યારે ધાતુના પ્રતિબિંબિત ધન વિદ્યુતભાર પ્રેરિત થાય છે. પ્રયોજેલા વિદ્યુતક્ષેત્ર સાથે પ્રતિબિંબિત બળ સંયોજાય છે ત્યારે કાર્યવિધેયનું મૂલ્ય કંઈક અંશે ઘટે છે. અંતરાયને નીચે લાવવાની આ ઘટનાને શૉટ્કી ઘટના કહે છે. ટૂંકમાં, શૉટ્કી ઘટના એટલે ધાતુ-અર્ધવાહકના સંપર્કમાં ઉદભવતો વિભવ અંતરાય. દિષ્ટકારક સંપર્કોને ખાસ કરીને શૉટ્કી બૅરિયર ડાયોડ કહે છે. અગ્ર દિશામાં વહેતા વિદ્યુતપ્રવાહનું શૉટ્કી બૅરિયર ડાયોડ વડે સરળતાથી દિષ્ટીકરણ કરી શકાય છે અને વિપરીત પ્રવાહનું થોડુંક જ દિષ્ટીકરણ થાય છે. અર્ધવાહકમાંથી ધાતુમાં મોટા ભાગના સંવાહકો અંત:ક્ષિપ્ત થતાં અગ્ર પ્રવાહ મળે છે. લઘુમતી સંવાહકોનો અભાવ એ શૉટ્કી ડાયોડનું ધ્યાનાકર્ષક લક્ષણ છે. તે છતાં વધુ પ્રવાહ હોય ત્યારે લઘુમતી સંવાહકો થોડાક પ્રમાણમાં અંત:ક્ષિપ્ત થતા હોય છે. આથી તેના ઉચ્ચ-આવૃત્તિ ગુણધર્મો તથા તેની સ્વિચિંગ ઝડપ, PN જંક્શન કરતાં વધારે સારી હોય છે.

અર્ધવાહક ટૅક્નૉલૉજીમાં અર્ધવાહક સપાટી ઉપર તારને દબાવી રાખી દિષ્ટકારક સંપર્ક કરવામાં આવતો હતો. અર્ધવાહકની સપાટી ઉપર યોગ્ય રીતે ધાતુની પાતળી ફિલ્મ તૈયાર કરીને આધુનિક પ્રયુક્તિઓમાં ધાતુ-અર્ધવાહક સંપર્ક કરવામાં આવે છે. ફોટો લિથોગ્રાફીની મદદથી સંપર્કનો પ્રકાર નિશ્ચિત કરવામાં આવે છે. શૉટ્કી અંતરાયનો ઉપયોગ સઘન સંકલિત પરિપથમાં સારી રીતે થાય છે; કારણ કે PN જંક્શન પ્રયુક્તિઓ કરતાં તેમાં લિથોગ્રાફીનું ઘણું ઓછું પ્રચ્છાદન (masking) કરવું પડે છે.

શૉટ્કી અંતરાય સૌર કોષ (Schottky barrier solar cell) : પરંપરાગત PN જંક્શન સૌર કોષ કરતાં શૉટ્કી અંતરાય સૌર કોષના ઘણા ફાયદા છે; જેમ કે, તે વધુ સક્ષમ અને વધુ સસ્તા છે અને તેની રચના સરળ છે. તેનો મોટો ગેરફાયદો એ છે કે તેમાં સંતૃપ્ત વિદ્યુતપ્રવાહ ઘણો વધારે હોય છે. આથી ખુલ્લા પરિપથની વોલ્ટતા ઘણી ઓછી હોય છે. ધાતુ અને અર્ધવાહકની વચ્ચે વિસંવાહક સ્તર (insulating layer) દાખલ કરવાથી ક્ષમતા અને ખુલ્લા પરિપથની વોલ્ટતામાં વધારો થાય છે. તાજેતરમાં પોનપોન અને સિફર્ટે બતાવ્યું છે કે Au-nSi શૉટ્કી અંતરાય સૌર કોષની રચના ખુલ્લા પરિપથની વોલ્ટતામાં સારા પ્રમાણમાં વધારો કરે છે.

વિદ્યુતભાર યુગ્મિત પ્રયુક્તિ વિદ્યુતભાર સ્થાનાંતરણ પ્રયુક્તિનો CCD એક ભાગ છે. આ ગતિક (dynamic) પ્રયુક્તિઓ છે અને તે નિયતકાલીન સ્પંદો વડે અંકુશિત કરેલા પૂર્વનિર્ધારિત પથ પર વિદ્યુતભારને ગતિ આપે છે. આ પ્રયુક્તિઓનો ઉપયોગ મેમરી, જુદા જુદા તાર્કિક વિધેયો, સંકેત-પ્રક્રમણ (processing) અને પ્રતિબિંબની રચના(imaging)માં થાય છે.

ગતિક સંચયન અને MOS (metal oxide silicon) સંધારિતો(capacitors)ની શ્રેણીમાં વિદ્યુતભારનું અપનયન (withdrawal) એ CCDનો આધાર છે. આકૃતિ 6માં ધન ‘ગેટ’ પલ્સ સાથે P પ્રકારના અવસ્તર (substrate) ઉપર MOS સંધારિત દર્શાવેલ છે. ગેટ નીચે ખાલી વિભાગ છે જેને અવક્ષય (depletion) કહે છે. ‘ગેટ’ ઇલેક્ટ્રૉડ નીચે પૃષ્ઠ-વિભવમાં સારો વધારો થાય છે. પરિણામે પૃષ્ઠ-વિભવ વડે વિભવ-કૂપ (well) રચાય છે. તેનો ઉપયોગ વિદ્યુતભારનો સંગ્રહ કરવા માટે થાય છે. ધન-ગેટ-ઝોક લાંબા સમય સુધી લાગુ પાડવામાં આવે તો સપાટી ઉપર ઇલેક્ટ્રૉન એકત્રિત થાય છે અને સ્થાયી અવસ્થા વ્યુત્ક્રમ પરિસ્થિતિ (inversion condition) સ્થપાય છે. કૂપની વિદ્યુતભાર સંગ્રહ કરવાની ક્ષમતા વ્યુત્ક્રમ વિદ્યુતભાર વડે જાણી શકાય છે. ઉષ્મીય રીતે કૂપ ભરાય તે માટે જરૂરી સમયને ઉષ્મીય વિશ્રાંતિસમય (thermal relaxation time) કહે છે. આ સમય અર્ધવાહક-દ્રવ્યની ગુણવત્તા અને આંતર-પૃષ્ઠ પર આધારિત છે. ઘણાં દ્રવ્યો માટે ઉષ્મીય વિશ્રાંતિસમયનું મૂલ્ય ઘણું વધારે હોય છે.

1969માં બેલ (Bell) પ્રયોગશાળાના પ્રયોગકર્તા બૉઇલ અને સ્મિથે CCDની સંરચના કરી. તેમાં MOS સંધારિતોની હાર(array) રચાય તે રીતે ધાતુના ઇલેક્ટ્રૉડની શ્રેણીનો ઉપયોગ કર્યો હતો. પણ આવી CCD સંરચનાનો અમલ કરવા જતાં કેટલીક મુશ્કેલીઓ પડે છે; જેમ કે, બે ઇલેક્ટ્રૉડ વચ્ચે અંતર ઘણું ઓછું હોવું જોઈએ જેથી બે કૂપ વચ્ચે યુગ્મન શક્ય બને. અતિવ્યાપન (overlapping) ગેટ સંરચનાનો ઉપયોગ કરવાથી આ સંરચનામાં સુધારો કરી શકાય છે. SiO₂ વડે છૂટા પાડેલા બહુ-Si (poly-Si) ઇલેક્ટ્રૉડથી અથવા એક બહુ-Si અને બીજો ધાતુનો ઇલેક્ટ્રૉડ ક્રમિક રીતે લેવાથી આ શક્ય બને છે.

CCDનો વિનિયોગ (applications) : CCDના વિવિધ ઉપયોગોમાં સંકેત પ્રક્રમક વિધેયો, ડિજિટલ મેમરી અને તાર્કિક હાર (logic array) વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. પ્રકાશીય ક્ષેત્રે પ્રતિમા રચવા(imaging)માં ઉપયોગ થાય છે. આ માટે પ્રકાશ સંવેદક(photo sensor)ની હારનો ઉપયોગ થાય છે. આ પ્રકાશ સંવેદકો પ્રકાશની તીવ્રતાના સમપ્રમાણમાં વિદ્યુતભાર-પૅકેટ રચે છે. આ પૅકેટની માત્રા જ્ઞાપકના દર્શક વડે જાણી શકાય છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ