ટ્રાન્ઝિસ્ટર

January, 2014

ટ્રાન્ઝિસ્ટર : ઘન અવસ્થા ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ(soild state electronics)નું એક ઉપકરણ જેના દ્વારા ઇલેક્ટ્રૉનિક્સની બધી જ પ્રક્રિયાઓ શક્ય બને છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરના અમુક ભાગમાં અવરોધ (resistance) ઘટી જતો હોઈ અને બીજા ભાગમાં વધી જતો હોવાથી અવરોધના મૂલ્યનું પરિવર્તન થાય છે. તેથી તેનું નામ ‘transfer + resistor’ ઉપરથી ‘transistor’ આપવામાં આવેલું છે. અવરોધના મૂલ્યમાં પરિવર્તન થવાને કારણે ટ્રાન્ઝિસ્ટર, વિદ્યુતપ્રવાહને ઇચ્છા મુજબ નિયંત્રિત કરતી રચના (current controlling device) છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરની શોધ, જે વીસમી સદીની એક સૌથી મહત્ત્વની શોધ કહી શકાય, તે અમેરિકાની સુપ્રસિદ્ધ ‘બૅલ ટેલિફોન લૅબોરેટરી’માં બારડીન અને બ્રિટેઇન નામના વિજ્ઞાનીઓ દ્વારા, 23 ડિસેમ્બર, 1947ના રોજ થઈ હતી. ત્યારબાદ પાંચેક વર્ષના ગાળામાં એટલે કે 1952માં ટ્રાન્ઝિસ્ટર બજારમાં ઉપલબ્ધ થયો.

ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવવામાં ટેટ્રાવૅલન્ટ જર્મેનિયમ (Ge) કે સિલિકોન (Si) જેવા અર્ધવાહક (semi-conductor) દ્રવ્યનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.[ અર્ધવાહક એ એવાં દ્રવ્ય તત્વો છે જેમનો વિદ્યુત-અવરોધ, ધાતુઓ (એટલે કે સુવાહકો)ના વિદ્યુત-અવરોધ કરતાં વધારે, પરંતુ અધાતુઓ (એટલે કે અવાહકો)ના વિદ્યુત-અવરોધ કરતાં ઓછો હોય છે. આમ અર્ધવાહકના ગુણધર્મ સુવાહક અને અવાહકની વચ્ચેના હોય છે.] અર્ધવાહકમાં અમુક પ્રકારની અશુદ્ધિ ભેળવતાં (dope કરતાં) તેમની વિદ્યુતવાહકતામાં વધારો કરી (1) N–પ્રકાર અને (2) P–પ્રકારના અર્ધવાહક મેળવવામાં આવે છે.

N–પ્રકારનો અર્ધવાહક : ટેટ્રાવૅલન્ટ Ge કે Siમાં ફૉસ્ફરસ, ઍન્ટિમની કે આર્સેનિક જેવી પાંચ સંયોજકતા (valency) ધરાવતી પેન્ટાવેલન્ટ અશુદ્ધિ ઉમેરવાથી તેના ચાર ઇલેક્ટ્રૉન સહસંયોજક બંધ (covalent bond) રચે છે અને પાંચમો મુક્ત ઇલેક્ટ્રૉન મૂળ તત્વને દાનમાં મળે છે. આમ મુખ્ય વિદ્યુતભારવાહક (majority charge carrier) તરીકે ઇલેક્ટ્રૉન ઉપલબ્ધ થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન ઉપર ઋણ (Negative) વિદ્યુતભાર રહેલો હોવાથી Negativeના પ્રથમ અક્ષર ઉપરથી અર્ધવાહક N–પ્રકારના અર્ધવાહક તરીકે ઓળખાય છે.

P–પ્રકારનો અર્ધવાહક : Ge કે Siમાં ઍલ્યુમિનિયમ, ગૅલિયમ, બૉરૉન કે ઇન્ડિયમ જેવી ત્રણ સંયોજકતા ધરાવતી ટ્રાયવૅલન્ટ અશુદ્ધિ ઉમેરતાં, Si કે Geના પરમાણુના સહસંયોજક બંધ(covalent bond)માં અશુદ્ધ પરમાણુનો એક ઇલેક્ટ્રૉન ખૂટતો હોઈ ત્યાં ખાલી જગ્યા કે છિદ્ર (hole) ઉત્પન્ન થાય છે, જે ધન વિદ્યુતભાર (positive charge) ધરાવતા કણની જેમ વર્તે છે. Positiveના પ્રથમ અક્ષર ઉપરથી અર્ધવાહકને P–પ્રકારનો અર્ધવાહક કહે છે.

ઇલેક્ટ્રૉન તથા છિદ્ર બંને વિદ્યુતભારવાહક છે. N–પ્રકારના ટાન્ઝિસ્ટરમાં ઇલેક્ટ્રૉન, બહુસંખ્યક વિદ્યુતભારવાહક (majority charge carrier) તરીકે હોય છે, જ્યારે છિદ્રને કારણે થતું વિદ્યુતવહન બહુ જ ઓછું હોવાથી, છિદ્ર અલ્પસંખ્યક વિદ્યુતભાર-વાહક (minority charge carrier) તરીકે કાર્ય કરે છે. તેથી ઊલટું, P–પ્રકારના ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં બહુસંખ્યક વિદ્યુતભારવાહક તરીકે છિદ્ર અને અલ્પસંખ્યક વિદ્યુતભારવાહક તરીકે ઇલેક્ટ્રૉન કાર્ય કરે છે.

P અને N પ્રકારના અર્ધવાહકનું જોડાણ (junction) કરીને P–N જંક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવવામાં આવે છે. ઐતિહાસિક રીતે શોધાયેલો સૌપ્રથમ ટ્રાન્ઝિસ્ટર ‘બિંદુસ્પર્શ ટ્રાન્ઝિસ્ટર’ (point contact transistor) હતો. ત્યારપછી વિલિયમ શૉકલે નામના વિજ્ઞાનીએ જંક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટરની શોધ કરી, જેના રસપ્રદ ગુણધર્મોને કારણે તેનો વપરાશ વધ્યો. આજે સામાન્ય વપરાશમાં લેવાતો ટ્રાન્ઝિસ્ટર મોટે ભાગે જંક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર હોય છે.

ફૉરવર્ડ-બાયસ જોડાણ અને રિવર્સ-બાયસ જોડાણ : P–N જંક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટરના P છેડાને વિદ્યુતકોષના ધન ધ્રુવ સાથે અને N છેડાને ઋણ ધ્રુવ સાથે જોડતાં ફૉરવર્ડ-બાયસ જોડાણ મળે છે. આવા જોડાણમાં વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થતું હોય છે. રિવર્સ-બાયસ જોડાણમાં વિદ્યુતકોષના ધન ધ્રુવને N સાથે અને ઋણ ધ્રુવને P સાથે જોડવામાં આવે છે. આવા જોડાણથી વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થતું નથી. તેથી દિષ્ટધારા (direct current, D.C.) માટે P–N જંક્શન વાપરી શકાય છે. P–N જંક્શન ડાયોડ વડે પ્રત્યાવર્તી વિદ્યુતપ્રવાહ (alternating current, A.C.)નું D.C.માં રૂપાંતરણ કરી શકાય છે. આવા ઉપયોગને દિષ્ટકારક (rectifier) કહે છે.

એક કરતાં વધુ P–N જંક્શન વાપરીને જુદાં જુદાં અર્ધવાહક ઉપકરણો બનાવી શકાય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર એ બે P–N જંક્શનનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવતું ઉપકરણ છે, તેથી તેને ત્રણ ટર્મિનલ હોય છે (ડાયોડ વાલ્વને બે ટર્મિનલ હોય છે). દ્વિ-જંક્શન ડાયોડને તેના સામસામેના છેડાઓને જુદી જુદી રીતે જોડીને બે પ્રકારના ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવી શકાય છે :

આમ, P–N–P પ્રકારના ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં P પ્રકારના બે અર્ધવાહક વચ્ચે N પ્રકારના અર્ધવાહકની એક પાતળી ચીપ ‘સૅન્ડવિચ’ કરેલી હોય છે, જ્યારે N–P–N પ્રકારમાં બે N પ્રકાર વચ્ચે P પ્રકારના અર્ધવાહકની પાતળી ચીપ ‘સૅન્ડવિચ’ કરેલી હોય છે. ટૂંકમાં, બે ડાયોડને એકબીજા સાથે જોડી દઈને તેમનાં બે ટર્મિનલમાંથી એક ટર્મિનલને સામાન્ય (common) બનાવતાં, ત્રણ ટર્મિનલ મળે છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરના એક તરફના (ડાબી તરફના) છેડાને ‘એમિટર’ એટલે કે ઉત્સર્જક કહે છે અને તેની સંજ્ઞા E છે; જ્યારે બીજી તરફના (જમણી તરફના) છેડાને ‘કલેક્ટર’ કહે છે અને તેની સંજ્ઞા C છે. તે કશુંક એકત્રિત કરે છે તેવો અર્થ થાય છે. એમિટર કરતાં કલેક્ટરનું કદ મોટું હોય છે અને કલેક્ટર કરતાં એમિટરમાં અશુદ્ધિનું પ્રમાણ વધુ હોય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં E અને Cની વચ્ચેના ભાગને ‘બેજ’ B કહે છે. આમ, ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં ‘એમિટર-બેજ-કલેક્ટર’ એ પ્રમાણેની રચના બને છે અને તેમાં બે જંક્શન હોય છે : (1) એમિટર (E) અને બેજ (B) વચ્ચેનું અને (2) બેજ-કલેક્ટર એટલે કે B અને Cની વચ્ચેનું. સામાન્ય વપરાશમાં E-B જંક્શનને ફૉર્વર્ડ-બાયસ (વિદ્યુતકોષનો ધન છેડો E સાથે અને ઋણ છેડો B સાથે) અને બીજા B-C જંક્શનને રિવર્સ-બાયસ (વિદ્યુતકોષનો ઋણ છેડો B સાથે અને ધન છેડો C સાથે જોડી) કરવામાં આવે છે. ફૉર્વર્ડ-બાયસ જંક્શનને ‘ઇનપુટ’ જંક્શન અને રિવર્સ-બાયસ જંક્શનને ‘આઉટપુટ’ જંક્શન પણ કહે છે. આમ, ટ્રાન્ઝિસ્ટરને કાર્યાન્વિત કરવા માટે બે વિદ્યુતકોષની આવશ્યકતા રહેલી છે. એક વિદ્યુતકોષ ઇનપુટ જંક્શનને ફૉર્વર્ડ-બાયસ બનાવે છે; જ્યારે બીજો, આઉટપુટ જંક્શનને રિવર્સ-બાયસ કરે છે. E-B વચ્ચેનો અવરોધ ઘણો ઓછો હોય છે, જ્યારે B-C વચ્ચેનો અવરોધ ઘણો મોટો બને છે. આ પ્રમાણે ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં અવરોધના મૂલ્યનું પરિવર્તન થાય છે અને પરિપથમાં વિદ્યુતપ્રવાહ નીચાથી ઊંચા અવરોધ પ્રતિ વહે છે. અવરોધ વધે છે અને તેની વૃદ્ધિ (gain) થાય છે.

ટ્રાન્ઝિસ્ટરને ત્રણ ટર્મિનલ હોવાથી, તેનો પરિપથ (circuit) બનાવતી વખતે કોઈ પણ એક ટર્મિનલને ઉભયાન્વયી (common) રાખીને નીચે દર્શાવ્યા પ્રમાણે ત્રણ પ્રકારના ટ્રાન્ઝિસ્ટર પરિપથ બનાવી શકાય છે :

(1) એમિટરને સામાન્ય રાખીને કૉમન-એમિટર પરિપથ, (2) બેજને સામાન્ય રાખીને કૉમન-બેજ પરિપથ અને (3) કલેક્ટરને સામાન્ય રાખીને કૉમન કલેક્ટર પરિપથ. ત્રણે પ્રકારમાં સૌથી વધુ કાર્યક્ષમ કૉમન એમિટર પ્રકાર છે. ત્રણે પ્રકારના પરિપથમાં બંને વિદ્યુતકોષનો એક-એક છેડો સામાન્ય રાખવામાં આવતા ભાગની સાથે જોડવામાં આવે છે.

ટ્રાન્ઝિસ્ટર વિદ્યુતપ્રવાહનું નિયંત્રણ કરવા માટેનું ઉપકરણ હોવાથી તેને કાર્યાન્વિત કરવા તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવો જરૂરી હોય છે. ઇનપુટ જંક્શનને ફૉર્વર્ડ-બાયસ બનાવી તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે. બેજનું પડ અતિ પાતળું હોવાથી, એમિટરમાંથી બેજમાં દાખલ થતા મોટાભાગના બહુસંખ્યક (majority) વિદ્યુતભારવાહકો, બેજ કલેક્ટર જંક્શન નજીક પહોંચી જાય છે. અહીં તેમને ખેંચી લેવા માટે બેજ-કલેક્ટર ઉપરનો વોલ્ટેજ તૈયાર હોવાથી, મોટાભાગના બહુસંખ્યક વિદ્યુતભારવાહકો, કલેક્ટરમાં પહોંચી જાય છે. એમિટરમાંથી આવી રહેલા અસંખ્ય બહુસંખ્યક વિદ્યુતભાર વાહકોમાંથી અતિઅલ્પ સંખ્યામાંનાં વાહકોનું બેજમાં રહેલા વિરુદ્ધ પ્રકારના વિદ્યુતભાર વાહકો સાથે સંયોજન થવાથી બેજ પ્રવાહ બને છે. આમ, ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ત્રણે ટર્મિનલમાં ત્રણ જુદા જુદા વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે : (1) એમિટર વિદ્યુતપ્રવાહ I_E, (2) બેજ વિદ્યુતપ્રવાહ I_B અને (3) કલેક્ટર વિદ્યુતપ્રવાહ I_C. I_Eનું મૂલ્ય સૌથી વધુ અને I_Bનું મૂલ્ય સૌથી ઓછું હોય છે, જ્યારે I_Cનું મૂલ્ય I_E કરતાં સહેજ ઓછું એટલે લગભગ I_E જેટલું હોય છે [I_C ~ I_E]. આમ, મોટાભાગના બહુસંખ્યક વિદ્યુતભારવાહકો એમિટરમાંથી નીકળીને કલેક્ટર ઉપર પહોંચી જાય છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે,

I_E = I_C + I_B …………………….. (1)

[નોંધ : I_C < I_E અને ~ I_E હોવાથી I_Bનું મૂલ્ય બહુ ઓછું હોય છે.]

કૉમન-બેજ જોડાણ પરિપથ

N–P –N ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે P–N –P ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે

E–B ફૉર્વર્ડબાયસ છે. B–C રિવર્સ-બાયસ છે.

E = એમિટર; B = બેજ; C = કલેક્ટર.

I_E = એમિટર કે ઇનપુટ વિદ્યુતપ્રવાહ; I_C = કલેક્ટર કે આઉટપુટ વિદ્યુતપ્રવાહ;

I_B = બેજ વિદ્યુતપ્રવાહ.

V_B = એમિટર-બેજ વચ્ચેની બૅટરી; V_C = બેજ-કલેક્ટર વચ્ચેની બૅટરી

– = N–માંના ઋણ વિદ્યુત-ભારિત ઇલેક્ટ્રૉન.

o = P–માંના ધન વિદ્યુતભાર જેમ વર્તતા કણ – હોલ (છિદ્ર)

કૉમન-બેજ પરિપથમાં આઉટપુટ વિદ્યુતપ્રવાહ (I_C) અને ઇનપુટ વિદ્યુતપ્રવાહ (I_E)ના ગુણોત્તરને ‘પ્રવાહ ગેઇન’ (α) કહે છે. તેને ‘પ્રવાહવર્ધન અંક’ (current amplification factor) પણ કહે છે.

I_Eનું મૂલ્ય I_C કરતાં સહેજ મોટું હોવાથી, α નું મૂલ્ય હંમેશાં 1 કરતાં ઓછું હોય છે. [α < 1]. સામાન્યત: α નું મૂલ્ય 0.98 અથવા 0.99 કે 0.995 જેટલું હોય છે.

આ જ પ્રમાણે કૉમન-એમિટર પરિપથ માટે ઇનપુટ વિદ્યુતપ્રવાહ I_B અને આઉટપુટ વિદ્યુતપ્રવાહ I_C છે. તેને માટેના વિદ્યુતપ્રવાહ વૃદ્ધિ અંકને b વડે દર્શાવવામાં આવે છે.