ઘન-અવસ્થા જ્ઞાપકો (solid-state detectors)

ઘન-અવસ્થા જ્ઞાપકો (solid-state detectors) : ભિન્ન તીવ્રતા અને ભિન્ન તરંગલંબાઈવાળા વિકિરણના જ્ઞાપન માટે યોગ્ય ઘન પદાર્થો કે તેમના મિશ્રણમાંથી તૈયાર કરેલી અર્ધવાહક રચનાઓ (semiconductors devices). વિકિરણને દ્રવ્યની ઉપર આપાત કરતાં, તેની અને દ્રવ્યની ઇલેક્ટ્રૉન-સંરચના (electronic configuration) વચ્ચે આંતરક્રિયા (interaction) થાય છે, જે વિકિરણ અને દ્રવ્યના પ્રકાર ઉપર આધારિત હોય છે. ઑપ્ટોઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓમાં તેનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અર્ધવાહકોના ઉત્પાદનમાં સતત સુધારા-વધારાને કારણે ઑપ્ટોઇલેક્ટ્રૉનિક સુવિધાઓ આર્થિક રીતે પરવડે તે પ્રમાણેની બનાવવામાં આવી છે. તેનો વિવિધ ક્ષેત્રે ઉપયોગ થાય છે.

ઑપ્ટોઇલેક્ટ્રૉનિક્સ (optoelectronics) એટલે વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનું ર્દશ્ય પ્રકાશ(આશરે 3,000 Åથી 7,000  Å મર્યાદાની તરંગલંબાઈ)માં પરિવર્તન અને ઉપયોગ. પ્રકાશના આવા તરંગોનું વિદ્યુત-સંકેતો(signals)માં રૂપાંતર કરવાની ઘટનાનો પણ તેમાં સમાવેશ થાય છે. આ ઘટના પ્રત્યક્ષ કરવા માટે વિકિરણનો સ્રોત (source), તેને ગ્રહણ કરનાર (receiver) તથા ફોટોઇલેક્ટ્રિક પરિવર્તક (converter) જરૂરી છે. જે ઘટકો પારજાંબલી (ultraviolet) તથા અવરક્ત (infrared) વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરે છે અથવા તેમના પ્રત્યે સંવેદનશીલતા દાખવે છે તેમને ઑપ્ટોઇલેક્ટ્રૉનિક ઘટકો કહે છે.

વિકિરણ ઊર્જા-પદાર્થના પરમાણુમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉનને ઉત્તેજિત (excite) કરે છે અથવા ઇલેક્ટ્રૉનનું, વાહક-પટ (conduction band) કે ઉચ્ચ ઊર્જા-કક્ષામાં સંક્રમણ (transition) કરી શકે છે. પદાર્થ ઉપર યોગ્ય આવૃત્તિ(frequency)ના વિકિરણને આપાત કરતાં તેની વિદ્યુતવાહકતામાં વધારો થાય તો તે અસરને આંતરિક(internal) ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર કહે છે. PN જંક્શનવાળા અર્ધવાહકમાં જંક્શન આગળ મળતી ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઘટના એ સૈદ્ધાંતિક રીતે આંતરિક ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર છે. પ્રકાશ દ્વારા ઉત્તેજિત કરવામાં આવતા પદાર્થમાંથી ઇલેક્ટ્રૉનનું ઉત્સર્જન થાય તે અસરને બાહ્ય (external) ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર કહે છે.

ફોટોજ્ઞાપકો (photodetectors) : ફોટૉન(પ્રકાશ-ઊર્જાકણ)ના જ્ઞાપન માટે વપરાતા ઉપકરણને ફોટોજ્ઞાપક કહે છે. તે આંતરિક અથવા બાહ્ય ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરના સિદ્ધાંત ઉપર કાર્ય કરે છે. બાહ્ય ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર પર આધારિત ફોટોજ્ઞાપક બે પ્રકારના છે : (1) બિનવિવર્ધક ફોટોસેલ, (2) વિવર્ધક ફોટોસેલ.

ફોટોસેલમાં પ્રકાશ-સંવેદનશીલ પદાર્થ ઉપર યોગ્ય આવૃત્તિનો પ્રકાશ આપાત કરતાં ફોટોઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહનું નિર્માણ થાય છે. ફોટોસેલમાં એક કૅથોડ અને ઍનોડવાળી શૂન્યાવકાશ કરેલી અથવા વાયુ ભરેલી નળી હોય છે. તેના વડે મળતો વિદ્યુતપ્રવાહ (IP) આપાત પ્રકાશની તીવ્રતાના સમપ્રમાણમાં હોય છે.

મહત્વના અર્ધવાહક વિકિરણસ્રોત અને ફોટોજ્ઞાપકોની માહિતી આકૃતિ 1માં દર્શાવી છે. જ્યારે આકૃતિ 2માં ઘણા મહત્વના ફોટોજ્ઞાપકોનો સારાંશ આપ્યો છે.

અર્ધવાહક ઉપર વિકિરણ આપાત કરવાથી તેનો અવરોધ બદલાય છે તેનો ફોટોવાહક(photoconductor)માં ઉપયોગ થાય છે. શુદ્ધ (intrinsic) અર્ધવાહકો અથવા N અથવા P પ્રકારના અર્ધવાહક ફોટોજ્ઞાપક તરીકે કાર્ય કરે છે. ર્દશ્યપ્રકાશ માટે શુદ્ધ ફોટોવાહક વપરાય છે. કૅડિયમ સલ્ફાઇડ (CdS), કૅડમિયમ સિલેનાઇડ (CdSe) અને કૅડમિયમ ટેલ્યુરાઇડ(CdTe)માંથી નીકળતા અને ર્દશ્ય પ્રકાશની તદ્દન નજીકના અવરક્ત વિકિરણ માટે પણ શુદ્ધ, ફોટોવાહક વપરાય છે. મધ્ય અને અંતિમ તરંગલંબાઈના અવરક્ત વિકિરણના જ્ઞાપન માટે ઇન્ડિયમ આર્સેનાઇડ (InAs), ઇન્ડિયમ ઍન્ટિમૉનાઇડ ((InSb), ટેલ્યુરિયમ (Te) અને મર્ક્યુરી-કૅડમિયમ-ટેલ્યુટાઇડ(HgCdTe)નો ઉપયોગ થાય છે.

ડોપ્ડ (doped) ફોટોઅર્ધવાહકમાં યોગ્ય પદાર્થનું ડોપિંગ કરવામાં આવે છે જેથી તે મધ્યસ્થ અને અંતિમ (40 m તરંગલંબાઈ સુધીના)

અવરક્ત વિકિરણ માટે સંવેદનશીલ બને. (1 μm = 10^-6 મીટર = એક દસ લક્ષાંશ મીટર) સામાન્યત: તો અનુકૂળ કોડોપિંગ સાથેના જર્મેનિયમ અથવા જર્મેનિયમ-સિલિકન-સંયોજનનો ઉપયોગ થાય છે. મહત્વના ડોપ્ડ ફોટોઅર્ધવાહક આ પ્રમાણે છે : સોનાના ડોપિંગવાળું જર્મેનિયમ (Ge : Au), સોના અને ઍન્ટિમની વડે ડોપિંગ કરેલું જર્મેનિયમ (Ge : Au, Sb), જસતના ડોપિંગવાળું જર્મેનિયમ (Ge : Zn), જસત-ઍન્ટિમનીના ડોપિંગવાળું જર્મેનિયમ (Ge : Zn, Sb), તાંબાના ડોપિંગવાળું જર્મેનિયમ(Ge : Cu);  તે જ પ્રમાણે(Ge : Cd), (Ge-Si : Au); (Ge-Si : Zn, Sb)ના ડોપિંગવાળાં સંયોજનો.

જંક્શન ફોટોજ્ઞાપક : આ જ્ઞાપકના બાહ્ય ફોટોઇલેક્ટ્રિક બે પ્રકાર છે : (1) બિનવિવર્ધક અને (2) વિવર્ધક. ફોટોડાયોડ, ફોટોડ્યુઓડાયોડ, શૉટી બૅરિયર ફોટોડાયોડ અને ફોટોસેલનો બિનવિવર્ધક જૂથમાં સમાવેશ થાય છે. ફોટો-ટ્રાન્ઝિસ્ટર, ફોટોફિલ્ડ-ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર (FET), ફોટોથાઇરિસ્ટર અને અવધાન (avalanche) ફોટોડાયોડનો વિવર્ધક જૂથમાં સમાવેશ થાય છે. આપાત પ્રકાશની તીવ્રતા સાથે જેવો અવરોધ બદલાય છે તેવા પદાર્થના બનેલા પ્રકાશ-શામકનો ઘરગથ્થુ ઉપયોગ, સામાન્ય થઈ ગયો છે. આવા જ્ઞાપકોનું નિયંત્રણ પ્રકાશની તીવ્રતા વડે થતું હોય છે. પ્રદીપ્ત(illumination)ના માપન માટે પણ તેનો ઉપયોગ કૅમેરાના ઉદભાસન-માપક (exposuremeter) તરીકે થાય છે. વિકિરણના ઉદગમ અને જ્ઞાપક વચ્ચે કોઈ પદાર્થ વડે વિકિરણ કપાઈ જતાં અંતરાય ઊભો થાય ત્યારે તે પદાર્થના અસ્તિત્વની નોંધ લેવાય છે. આ હકીકતનો ઉપયોગ ભયઘંટડી(alarm)ની રચનામાં થાય છે. આવી ભયઘંટડી બકમાં તેમજ મોટા બંગલાઓમાં સુરક્ષા માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

ફોટો-વાહકની પસંદગી તેના ઉપયોગ અનુસાર કરવામાં આવે છે અને તેને લઈને સંવેદનશીલ તરંગલંબાઈ, સમય-અનુક્રિયા (time-response) અને દ્રવ્યની પ્રકાશીય સંવેદનશીલતાનું ધ્યાન રાખવામાં આવે છે. વ્યાપક રીતે અર્ધવાહકો પટ-અંતરાલ (band gap) ઊર્જા જેટલા કે તેનાથી વધારે ઊર્જાવાળા ફોટૉન પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે. ઓછી ઊર્જાવાળા ફોટૉનનું અર્ધવાહક વડે શોષણ થતું નથી. ફોટૉનની ઊર્જા(hυ)-પટ, અંતરાલ ઊર્જા (E_g) કરતાં બહુ વધારે હોય (hυ >> E_g] ત્યારે અર્ધવાહક સપાટી વડે ફોટૉનનું શોષણ થાય છે; તેથી તેની સ્થૂળ વાહકતામાં વધારો થાય છે; ઉદાહરણ તરીકે, કૅડમિયમ સલ્ફાઇડ (CdS) માટે E_g = 2.42 ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ (eV) છે. [1eV = 1.6 × 10^-19 જૂલ ઊર્જા]. સામાન્ય રીતે તેનો ઉપયોગ ર્દશ્ય પ્રકાશના ફોટોવાહકમાં થાય છે. જર્મેનિયમ (Ge) અને ઇન્ડિયમ ઍન્ટિમૉનાઇડ (InSb) માટે E_gનાં મૂલ્યો અનુક્રમે 0.67 eV અને 0.18 eV જેટલાં ઓછાં હોવાથી, તેમનો ઉપયોગ ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણના જ્ઞાપન માટે કરવામાં આવે છે. અમુક અર્ધવાહકમાં આવેલાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિશીલતા ઘણી વધારે હોવાને કારણે તેમનો ઉપયોગ ફોટોવાહક તરીકે કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, InSbની ઇલેક્ટ્રૉન ગતિશીલતા આશરે   જેટલી છે. તેથી ઇન્ફ્રારેડ જ્ઞાપક તરીકે તેનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે.

કેટલીક વાર જંક્શન-પ્રયુક્તિઓનો ઉપયોગ કરીને ઝડપી અનુક્રિયા (response) મેળવી શકાય છે તથા પ્રકાશીય કે ઉચ્ચ-ઊર્જા-વિકિરણ જ્ઞાપકની સંવેદિતા વધારી શકાય છે. ફોટૉનના શોષણની અનુક્રિયા આપતા એક જંક્શનવાળા જ્ઞાપકને ફોટોડાયોડ કહે છે. કેટલાક ફોટોડાયોડ ઘણી વધારે સંવેદિતા ધરાવે છે અને અનુક્રિયા પણ તરત જ કરે છે. ન્યૂક્લીય-કણ જ્ઞાપકો માટે જર્મેનિયમ(Ge)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રૉન, પ્રોટૉન જેવા અત્યંત શક્તિશાળી કણ, અર્ધવાહક ઉપર આપાત થાય ત્યારે લૅટિસમાં નોંધપાત્ર અંતર સુધી તેમનું શોષણ થાય છે. Light Emitting Diode–LEDનો ગણકયંત્ર અને ડિજિટલ ઘડિયાળમાં થતો ઉપયોગ સામાન્ય છે.

ઘન-અવસ્થા પ્રયુક્તિઓ અને જ્ઞાપકોમાં ‘વિદ્યુતભાર અંતરિત પ્રયુક્તિ’ (charge transfer device – CTD) મહત્વનું વ્યાપક જૂથ છે. વિદ્યુતભાર યુગ્મિન પ્રયુક્તિ (charged couple device – CCD) એ CTDનો અગત્યનો પેટાભાગ છે. યોગ્ય સ્પંદનો (pulses) વડે CCD, વિદ્યુતભારને અર્ધવાહક અવસ્તર(substrate)માં ગતિશીલ બનાવે છે. CCD વડે વિકિરણનું જ્ઞાપન થાય છે. બ્રહ્માંડમાં અતિ દૂરથી વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો, ફોટૉન સ્વરૂપે પૃથ્વી ઉપર આવતા હોય છે. તેમાં આવેલા નબળા ફોટૉનનું CCD વડે સફળતાપૂર્વક નિરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. ઘન-અવસ્થા પ્રતિબિંબ સંવેદક (image sensor) તરીકે તેનો વિકાસ એક ધ્યેય છે. CCD અત્યંત સસ્તી, સરળ અને સંક્ષિપ્ત રચના છે. તેમાં ઓછો પાવર વપરાય છે અને તે આંચકા, કંપનો તથા વિદ્યુતચુંબકીય ક્ષેત્રની સામે પ્રતિરક્ષિત છે. વધુ વિશ્વસનીયતા અને લાંબી વય CCDનાં મહત્વનાં લક્ષણો છે. CCDનો ઉપયોગ અવરક્ત વિકિરણ વિભાગમાં પ્રતિબિંબ-સંવેદન (image sensory) માટે થાય છે. અવાહક તેમજ અવરક્ત વિકિરણને સંવેદનશીલ દ્રવ્યોની આંતરસપાટીના અજ્ઞાત ગુણધર્મોના અભ્યાસ માટે તથા સંકેત પ્રક્રમણ(signal processing)ના ક્ષેત્રે CCDનો ઉપયોગ વ્યાપક બનતો જાય છે.

Monolithic (એટલે કે એક જ ટુકડામાંથી બનાવેલી સળંગ રચના) અભિગમમાં વિદ્યુતભાર અંતરિત (readout) ચૅનલ અને અધોરક્ત વિકિરણને સંવેદનશીલ તત્વને એક જ અવસ્તરમાં બનાવવામાં આવે છે. આજકાલ ઘણા પ્રકારનાં આવાં અવસ્તર-દ્રવ્યોનો અભ્યાસ થઈ રહ્યો છે. પ્રતિબિંબ-સંવેદન (sensing) સંકર (hybrid) અભિગમમાં યોગ્ય દ્રવ્યને સિલિકન CCDની આંતરસપાટી બને તે રીતે રાખવામાં આવે છે. આ પ્રણાલી readout વિધેયનું કાર્ય કરે છે.

પ્રહલાદ છ. પટેલ