আজ আমরা যে বিষয়টি নিয়ে আলোচনা করবো তা হচ্ছে সেমিকন্ডাক্টর (Semiconductor) বা অর্ধপরিবাহী। এটি সম্পর্কে আমরা সবাই কিছু না কিছু জানি। কারণ দৈনন্দিন জীবনে আমাদের ব্যবহৃত প্রায় সকল ডিভাইসেই সেমিকন্ডাক্টর রয়েছে। প্রত্যাহিক জীবনে এর গুরুত্ব কতটুকু তা আমরা নিশ্চয় জানি। তাই আজ আমরা সেমিকন্ডাক্টর সম্পর্কে বিস্তারিত জানার চেষ্টা করব।
সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহী কি? (What is semiconductor?)
সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহী এমন একটি পদার্থ যার পরিবাহীতা (Conductivity) পরিবাহী (Conductor) পদার্থের চেয়ে কম এবং অপরিবাহী (Insulator) পদার্থের চেয়ে বেশি। অর্থাৎ এর পরিবাহিতা বা কন্ডাক্টিভিটি পরিবাহী এবং অর্ধপরিবাহীর মাঝামাঝি। উদাহরণঃ কার্বন, সিলিকন, জার্মেনিয়াম ইত্যাদি।
সেমিকন্ডাক্টরের রোধের (Resistance) মান সাধারণত ০.৫ থেকে ৫০ ওহমের মাঝামাঝি হয়ে থাকে।
সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসসমূহ (Semiconductor Devices)
- রেজিস্টর (Resistor)
- ক্যাপাসিটর (Capacitor)
- ডায়োড (Diode)
- Op-Amp = অপারেশনাল এমপ্লিফায়ার (Operational amplifier)
- ICs = ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট (Integrated Circuit)
- ট্রানজিস্টর (Transistor)
এগুলো ছাড়াও সেমিকন্ডাক্টরের তৈরি অনেক ডিভাইস আমাদের নিয়মিত ব্যবহার করতে হয়।
সেমিকন্ডাক্টর তৈরিতে ব্যবহৃত উপাদানসমূহ
আসুন দুটি উপাদান সম্পর্কে জেনে নেই যেগুলো বেশিরভাগ ক্ষেত্রে সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহী তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়।
১। সিলিকন
সিলিকন এমন একটি উপাদান যা পৃথিবীতে প্রচুর পরিমানে পাওয়া যায়। এটি পৃথিবীর ভূত্বকে অক্সিজেনের পর দ্বিতীয় সর্বাধিক প্রাপ্ত মৌল (পৃথিবীর ভরের হিসেবে প্রায় ২৮%)। তবে এটি প্রকৃতিতে বিশুদ্ধ অবস্থায় পাওয়া যায়না। এটি মূলত ধুলি, বালি গ্রহাণুপুঞ্জ এবং গ্রহসমুহে সিলিকনের অক্সাইড (সিলিকা) বা সিলিকেট আকারে থাকে। ইলেকট্রনিক শিল্পে সিলিকনের সবচেয়ে বেশি ব্যবহার লক্ষ্য করা যায়।
২। জার্মেনিয়াম
জার্মেনিয়াম এমন একটি রাসায়নিক উপাদান যা সিলিকনের মতো দেখতে একই রকম, এবং এটিও প্রকৃতিতে মুক্ত উপাদান হিসাবে পাওয়া যায় না। পৃথিবীপৃষ্ঠে সহজে পাওয়া যায় এমন মৌলের মধ্যে জার্মেনিয়ামের অবস্থান ৫০তম।
জার্মেনিয়াম তার তাপ সংবেদনশীলতা এবং ব্যয়ের কারণে সিলিকনের চেয়ে তুলনামূলক কম প্রয়োজনীয় তবে এটি এখনও কিছু উচ্চ-গতির ডিভাইসে ব্যবহারের জন্য সিলিকনের সাথে পাল্লা দিয়ে যাচ্ছে। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র, কানাডা, রাশিয়া এবং বেলজিয়াম সহ অন্যান্য বড় উৎপাদকদের পাশাপাশি চীনও জার্মেনিয়াম উৎপাদনে শীর্ষস্থানীয়।
সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহীর বৈশিষ্ট্য (Characteristics of semiconductor)
- এর সর্ববহিস্থ স্তরে 4 টি ইলেকট্রন থাকে।
- এর পরিবাহিতা (Conductivity) পরিবাহির তুলনায় কম এবং অপরিবাহীর (Insulator) তুলনায় বেশি।
- এতে বিভিন্ন উপাদান মিশিয়ে এর পরিবাহিতা বাড়ানো বা কমানো যায়।
সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহীর প্রকারভেদ (Types of semiconductor)
সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহী দুই প্রকার।
- বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টর (Intrinsic Semicondctor)
- ভেজাল মিশ্রিত বা Extrinsic সেমিকন্ডাক্টর
ভেজাল মিশ্রিত সেমিকন্ডাক্টরকে আবার ২ ভাগে ভাগ করা হয়েছে।
- p-type সেমিকন্ডাক্টর
- n-type সেমিকন্ডাক্টর
বিশুদ্ধ বা ইনট্রিনসিক সেমিকন্ডাক্টর
যেসব সেমিকন্ডাক্টরে কোন ভেজাল উপাদান বা অপদ্রব্য মেশানো থাকেনা তাদেরকে ইনট্রিনসিক সেমিকন্ডাক্টর বলে। যেমন, বিশুদ্ধ সিলিকন,জার্মেনিয়াম।
ইনট্রিনসিক সেমিকন্ডাক্টরের ক্ষেত্রে, স্বাভাবিক তাপমাত্রায় ইলেকট্রন সংখ্যা = হোল সংখ্যা ( উপরের চিত্রে )
ভেজাল মিশ্রিত বা এক্সট্রিনসিক সেমিকন্ডাক্টর
বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরের সাথে প্রয়োজনমত ত্রিযোজী বা পঞ্চযোজী পরমাণু অপদ্রব্য বা ভেজাল উপাদান মিশিয়ে যে সেমিকন্ডাক্টর তৈরি করা হয় তাকে ভেজাল মিশ্রিত বা এক্সট্রিনসিক Semi-conductor বলে।
p-type সেমিকন্ডাক্টর
বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরের সাথে প্রয়োজনমত ত্রিযোজী ভেজাল উপাদান মিশিয়ে যে সেমিকন্ডাক্টর তৈরি করা হয় তাকে p-type সেমিকন্ডাক্টর বলে।
বিশুদ্ধ সিলিকন বা জার্মেনিয়াম পরমাণুর সাথে একটি ত্রি-যোজী পরমাণু ভেজাল হিসেবে যুক্ত করলে ত্রি-যোজী পরমাণু্র তিনটি ভ্যালেন্স ইলেকট্রন নিকটবর্তী তিনটি সিলিকনের ভ্যালেন্স ইলেকট্রনের সাথে শেয়ারিং এর মাধ্যমে সমযোজী বা কো-ভ্যালেন্ট বন্ড সৃষ্টি করে।
কিন্তু ত্রিযোজী পরমাণুর যোজ্যতা স্তরে একটি ইলেকট্রনের ঘাটতি থাকায় সিলিকনের চতুর্থ ইলেকট্রনের সাথে বন্ধন তৈরি করতে পারে না। ফলে একটি ফাঁকা স্থান বা হোল সৃষ্টি হয়।
এরকমভাবে প্রত্যেকবার ত্রি-যোজী পরমাণু মেশানোর ফলে একটি করে হোল সৃষ্টি হয়। আর এই হোল পজেটিভ চার্জ বহন করে বলে এই নতুন সেমিকন্ডাক্টরকে বলা হয় p-type সেমিকন্ডাক্টর।
এভাবে যত বেশি অপদ্রব্য বা ভেজাল ডোপিং করা হয় তত বেশি হোল উৎপন্ন হয়। এজন্য পি-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরে মেজোরিটি চার্জ ক্যারিয়ার হল হোল বা ফাকা স্থান এবং ইলেকট্রন হচ্ছে মাইনোরিটি চার্জ ক্যারিয়ার।
ত্রি-যোজী পরমাণুকে একসেপ্টর বা গ্রহীতা পরমাণুও বলা হয়, কারণ রিকম্বিনেশনের সময় প্রতিটি হোল একটি করে ইলেকট্রন গ্রহণ করে। এরকম আরো গ্রহীতা পরমাণু হল অ্যালুমিনিয়াম, বোরন এবং গ্যালিয়াম।
n-type সেমিকন্ডাক্টর
বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরের সাথে প্রয়োজনমত পঞ্চযোজী অপদ্রব্য বা ভেজাল উপাদান মিশিয়ে যে সেমিকন্ডাক্টর তৈরি করা হয় তাকে n-type সেমিকন্ডাক্টর বলে।
বিশুদ্ধ সিলিকন পরমাণুর সাথে একটি পঞ্চ-যোজী পরমাণু ভেজাল বা অপদ্রব্য হিসেবে মিশানো হলে পঞ্চ-যোজী পরমাণুর চারটি ইলেকট্রন নিকটবর্তী চারটি সিলিকন পরমাণুর ভ্যালেন্স ইলেকট্রনের সাথে শেয়ারিং এর মাধ্যমে সমযোজী বা কো-ভ্যালেন্ট বন্ড সৃষ্টি করার মাধ্যমে তার ভ্যালেন্স ব্যান্ডকে আটটি ইলেকট্রন দ্বারা পূর্ণ করে।
ফলে পঞ্চযোজী পরমাণুর একটি অতিরিক্ত ইলেকট্রন মুক্ত হয়ে যায়, তখন এই মুক্ত ইলেকট্রনটি কন্ডাকশন ব্যান্ডে চলে যায়। এভাবে যত বেশি অপদ্রব্য বা ভেজাল ডোপিং করা হয় কন্ডাকশন ব্যান্ডের ইলেকট্রন তত বেশি বৃদ্ধি পায়।
এজন্য এন-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরে মেজোরিটি চার্জ ক্যারিয়ার হল ইলেকট্রন এবং মাইনোরিটি চার্জ ক্যারিয়ার হল হোল বা ফাকা স্থান। আমরা জানি ইলেকট্রন নেগেটিভ চার্জ বহন করে, এজন্য এভাবে গঠিত ভেজাল সেমিকন্ডাক্টরকে এন-টাইপ সেমিকন্ডাক্টর বলা হয়।
পঞ্চযোজী পরমাণুকে ডোনর বা দাতা পরমাণুও বলা হয়, কারণ এরা কন্ডাকশন ব্যান্ডে ইলেকট্রন উৎপন্ন করে। দাতা পরমাণু গুলো হল আর্সেনিক, অ্যান্টিমনি এবং ফসফরাস।
