Semi-Conductor Explained - How semi-cinductor work. সেমি-কন্ডাক্টর ব্যাখ্যা করা হয়েছে - কিভাবে সেমি-কন্ডাক্টর কাজ করে।

 অর্ধপরিবাহী বা সেমি কন্ডাক্টর

 অর্ধপরিবাহী কাকে বলে বা কি তা জানার আগে পরিবাহী কি কিংবা অপরিবাহী কি জেনে রাখা ভালো। 

পরিবাহী ( Conductor )--- যে সব পদার্থের মধ্যে দিয়ে খুব ভালভাবে বিদ্যুৎ যেতে পারে তাদেরকে পরিবাহী বলে। যেমন- রুপা , তামা , এলুমিনিয়াম ও অন্যান্য ধাতু। 

অন্তরক ( Insulator )--- যে সব পদার্থের মধ্যে দিয়ে বিদ্যুৎ যেতে পারে না বা যে সব পদার্থ বিদ্যুৎ পরিবহন করতে পারে না তাদেরকে অন্তরক বলে। যেমন কাঁচ , ব্যাকেলাইট , অভ্র , গন্ধক ইত্যাদি।  এই অন্তরককে আবার অপরিবাহী ( Non Conductor ) পদার্থ বলা হয়। 

অর্ধপরিবাহী ( সেমী কন্ডাক্টর  ) ( Semi-Conductor )--- কিছু কিছু পদার্থ আছে যেগুলি ভাল পরিবাহী নয় আবার ভাল অন্তরক নয় , এরা ঠিক মাঝামাঝি ধরনের বিদ্যুৎ পরিবহন করে। অর্থাৎ সাধারণ অবস্থাতে এরা বিদ্যুৎ পরিবহন করতে পারে না , তবে বিশেষ ভাবে বল প্রয়োগ করলে তখন বিদ্যুৎ পরিবহন করতে শুরু করে, এগুলোকে অর্ধপরিবাহী বা সেমি কন্ডাক্টর বলে। কিছু পদার্থের ইলেকট্রনগুলো তড়িৎ ক্ষেত্রে তাপ বা আলোর দ্বারা উত্তেজিত হয়ে গতিশীল হয়ে পড়ে। যেমন --- সিলিকন , জারমেনিয়াম ( আমরা খুবই সংক্ষিপ্ত ও সহজভাবে সেমি কন্ডাক্টর আলোচনা করছি ) দুই ধরণের কৃষ্টাল স্তর সেমিকন্ডাক্টরে ব্যবহৃত হয়ে থাকে। একটাকে P টাইপ ও অপরটাকে N টাইপ কৃষ্টাল বলা হয়। 

N  টাইপ কৃষ্টাল --- সাধারণতঃ বিশুদ্ব জারমেনিয়াম বা সিলিকনের সঙ্গে অল্প মাত্রায় আর্সেনিক মিশিয়ে এই কৃষ্টাল গঠন করা হয়। এই কৃষ্টাল স্তরে অতিরিক্ত ইলেকট্রন থাকে। সেগুলোকে স্বাধীন ইলেকট্রন বলে। আর্সেনিক পরমাণুর থেকে পাওয়া এই কৃষ্টালে প্রতি ঘন সেন্টিমিটারে 10 সংখ্যক ইলেকট্রন থাকে। এই প্রচুর স্বাধীন ইলেকট্রন থাকার জন্য এই কৃষ্টালকে ঋণাত্মক বা N টাইপ কৃষ্টাল বলা হয়। 

P  টাইপ কৃষ্টাল--- সাধারণতঃ জারমেনিয়ামের সঙ্গে এলুমিনিয়াম মিশিয়ে P টাইপ কৃষ্টাল তৈরি করা হয়। এই কৃষ্টালে প্রচুর পরিমাণে পজেটিভ আয়ন থাকে। এই কৃষ্টালে প্রচুর পরিমাণে পজেটিভ আয়নের ফলে ইলেকট্রন গ্রহণ করার জন্য এরা উম্মুখ হয়ে থাকে। এখানে ইলেকট্রনের অভাব থাকার জন্য এগুলোকে পজেটিভ বা P টাইপ কৃষ্টাল বলা হয়। 

ডায়োড ( Diode )--- একটা P টাইপ কৃষ্টাল এবং  একটা N টাইপ কৃষ্টাল পরস্পর পাশাপাশি যুক্ত করে তাতে দুটো তড়িৎ দ্বার ( Electrode ) লাগিয়ে দিয়ে একটা ডায়োড গঠন করা হয়। ডায়োডের মধ্যে দিয়ে তড়িৎ পরিবহন কতকগুলি বিশেষ নিয়মের উপর নির্ভর করে।  যথা ---

ফরোয়ার্ড বায়াস বা সম্মুখবর্তী বায়াস ( Forward Bias )--- একটা ব্যাটারী থেকে P কৃষ্টালে পজেটিভ এবং N কৃষ্টালে নেগেটিভ কানেকশন করলে ডায়োডের মধ্যে দিয়ে জোরালো তড়িৎ প্রবাহ শুরু হয়। একেই ফরোয়ার্ড বায়াস বলে। 

রিভার্স বায়াস বা বিপরীতমুখী বায়াস ( Reverse Bias )--- P কৃষ্টালকে নেগেটিভ ও N কৃষ্টালকে পজিটিভের সঙ্গে যুক্ত করলে কৃষ্টাল সংযোগের মধ্যে দিয়ে বিদ্যুৎ যাবে না। বরং N স্তরের ইলেকট্রন ব্যাটারীর পজিটিভের দিকে যাবে। আর P স্তরের পজিটিভ চার্জ ব্যাটারীর নেগেটিভের দিয়ে যাবে। যেহেতু এই অবস্থায় কৃষ্টাল স্তরদ্বয়ের সংযোগের মধ্যে দিয়ে কারেন্ট ফ্লো হয় না , তাই একে রিভার্স বায়াস বলে। এই ডায়োডকে আবার বিভিন্ন কাজে ব্যবহার করা হয়। যথা--- রেকটিফায়ার , ডিটেক্টর , ভোল্টেজ স্ট্যাবিলাইজার হিসাবে ইত্যাদি।

 

 

রেকটিফায়ার--- এই PN জংশন ডায়োডের সাহায্যে এ,সি,কে  ডি,সি,তে পরিণত করা যায়। ডায়োডের P স্তরে ( অ্যানোডে ) এ,সি, প্রয়োগ করলে N স্তর ( ক্যাথোড ) থেকে পজিটিভ হাফ ওয়েভ পাওয়া যাবে। এ,সি,র পরবর্তী বিদ্যুৎ  প্রবাহের জন্য ও ডায়োডের একবার ফরোয়ার্ড ও একবার রিভার্স বায়াস পাওয়ার জন্য A.C কে D.C করা সম্ভব হয়। ডায়োড A.C কারেন্টকে D.C-তে পরিণত করে তাই একে রেকটিফায়ার ডায়োড বলে। 

জেনার ডায়োড ( Zener Diode )--- জেনার ডায়োড একটি বিশেষ ধরনের ডায়োড , যা ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রন করতে ব্যবহৃত হয়। এটি দেখতে সাধারণ ডায়োডের মতন। সিলিকন দিয়ে তৈরি এই ডায়োডের বিপরীত দিকের রোধ খুব বেশী থাকে। এই ডায়োডকে যখন একটি বিপরীতমুখী বিভব প্রভেদ ( Reverse Voltage ) দেওয়া হয় , তখন বিপরীতমুখী রোধ খুব বেশি থাকার দরুন কোনো তড়িৎ প্রবাহ যায় না। কিন্তূ জেনারটি যে ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রন করার জন্য তৈরি সেই ভোল্টেজ বিপরীতমুখী ভাবে ডায়োডটিতে দেওয়া হলে ডায়োডটির বিপরীত রোধ হঠাৎ খুব কমে যায় ( Avalanch Effect ) এবং বিপরীত দিকে তড়িৎ প্রবাহ খুব বেড়ে যায়। তাহলে এই বিপরীতমুখী রোধ কমে যাওয়া ও বিপরীতমুখী তড়িৎ প্রবাহ হঠাৎ বেড়ে যাওয়া এই দুইয়ে মিলে ডায়োডটির দুই প্রান্তে বিভব প্রভেদ সব সময় সমান রাখে যা ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ করতে খুবই উপযোগী। ধরুন একটা 12 ভোল্টের জেনার ডায়োডে 12 ভোল্টের থেকে সামান্য বেশি ভোল্টেজ ( 15/18V ) প্রয়োগ করা হল , জেনারটি কিন্তু ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ করে সব সময় 12 ভোল্টই ( Output ) দেবে।

ট্রানজিষ্টার ( Transistor )--- দুটি ডায়োডকে সংযোগ করলে ট্রানজিষ্টারের উৎপত্তি হয়। যথা--- দুইধারে দুটি N টাইপ কৃষ্টাল ও মধ্যিখানে একটি P টাইপ কৃষ্টাল পাশাপাশি সংযুক্ত করলে একটা ট্রানজিষ্টার হয়। যাকে NPN টাইপ ট্রানজিষ্টার  বলে। অন্যদিকে দুধারে দুটি P টাইপ কৃষ্টাল ও মধ্যিখানে একটি N টাইপ কৃষ্টাল পাশাপাশি সংযোগ করে PNP টাইপ ট্রানজিষ্টারের সৃষ্টি হয়। সব ট্রানজিষ্টারের তিনটি করে ইলেকট্রোড থাকে। যথা --- কালেক্টর , এমিটার ও বেস। NPN ও PNP টাইপের ট্রানজিষ্টারের জন্য কালেক্টর, এমিটার ও বেস আলাদা আলাদা ভাবে চিহ্নিত হয়। নীচের চিত্রের মতো---

 

 

ট্রানজিষ্টারের তিনটি স্তরকে যথাক্রমে বলে---

১) কালেক্টর --- সংগ্রাহক অর্থাৎ যে ইলেকট্রন সংগ্রহ করে,

২) এমিটর --- নিঃসারক, যে ইলেকট্রন নিঃসারিত করে,

৩) বেস --- যে কারেন্ট ফ্লো নিয়ন্ত্রিত করে।

ট্রানজিষ্টারের কাজগুলি হল ---  

১. ট্রানজিষ্টারের সাহায্যে দুর্বল সিগন্যালকে জোরালো বা এমপ্লিফাই করা হয়। 

২. ট্রানজিষ্টারের সাহায্যে স্পন্দন ( অসিলেশন ) সৃষ্টি করা যায়। ট্রানজিষ্টারের এই কাজে ব্যবহারকে অসিলেটর বলে। 

৩. ট্রানজিষ্টারের সাহায্যে দুটি সিগন্যালকে মিশ্রিত ( Mixture ) করা যায়। 

একটা NPN ট্রানজিষ্টরের কালেক্টরে পজিটিভ ও বেসে অল্প পজিটিভ ও এমিটরে নেগেটিভ বিভব দিলে এমিটার (N) থেকে ইলেকট্রন বেসের (P) দিকে চলে আসবে। এখানে এমিটর ইলেকট্রনের নিঃসরণ  

( এমিশন ) করে। বেসে এলেই ইলেকট্রন ক্রমশঃ কালেক্টরের দিকে (পজিটিভ বায়াস থাকার জন্য )আকৃষ্ট হয়ে চলে যায়। এই ইলেকট্রন সংগ্রহ করার জন্য এই স্তরকে কালেক্টর (N) বলা হয়। বেসে দুর্বল সিগন্যাল প্রয়োগ করলে সাধারণতঃ কালেক্টর থেকে জোরালো সিগন্যাল পাওয়া যায়। PNP ট্রানজিষ্টরের ক্ষেত্রে বিপরীত বায়াস করতে হয় অর্থাৎ কালেক্টরে নেগেটিভ ও এমিটারে পজিটিভ দেওয়া হয়। 

( ব্যবহারিক ক্ষেত্রে আরও জানার জন্য এমপ্লিফায়ার/অসিলেটর অধ্যায় পড়ুন। )

 

থাইরিষ্টর THYRISTOR --- আধুনিক অনেক কিছু কম্পোনেন্টের মধ্যে একটা হল থাইরিষ্টর। যদিও এগুলো সবই অর্ধপরিবাহী বা সেমিকন্ডাক্টর। থাইরেট্রন নামে আগে ব্যবহৃত এক প্রকার টিউবের সাথে চরিত্রগত কিছু মিল থাকার জন্যই এগুলোকে থাইরিষ্টর বলা হয়। তিনটি প্রধান থাইরিষ্টর হল---

(১) S.C.R. বা Silicon Controlled Rectifiers ( S.C.R )

(২) ডায়াড এ সি  Diac ( diode ac ) 

(৩) ট্রায়াক Triac ( triode ac ) 

এই থাইরিষ্টরগুলোর সাহায্যে খুব সহজেই কোন সার্কিটকে চালু বা বন্ধ করা যায় ( সুইচিং  ) এবং তা খুব তাড়াতাড়ি করাও সম্ভব হয়। এই কম্পোনেন্টটির তিনটি তড়িৎদ্বার থাকে। 

১) অ্যানোডে--- Anode

২) ক্যাথোড--- Cathode

৩) গেট ----      Gate

S.C.R. প্রধানতঃ চার ধরনের কৃষ্টাল নিয়ে তৈরি। যথা  P, N, P ও N। এই কৃষ্টালগুলি পাশাপাশি বসিয়ে S.C.R তৈরি করা হয়। দুটো পদ্ধতিতে S.C.R চালু ( Turn On ) ও বন্ধ ( Turn Off ) করানো হয়। যতক্ষণ গেটে পজিটিভ পালস দেওয়া না হয় ততক্ষন অ্যানোডে ক্যাথোড পরিবাহী ( কন্ডাকশন ) হয় না।গেটে পজিটিভ পালস প্রয়োগ করা হলে এই পালসটি পরে না থাকলেও S.C.R. টি পরিবাহী থাকবে। এবার এটিকে বন্ধ করতে ( Turn Off ) হলে দুটো পদ্ধতি করা যায়। 

১) S.C.R টি থ্রেসহোল্ড ( সব চাইতে কম কারেন্ট যেখানে S.C.R টি পরিবাহী থাকতে পারে ) কারেন্টের নীচে গেলে বন্ধ হয়ে যাবে। 

২) যদি মূহূর্তের জন্য বিপরীতমুখী ( Reverse ) বিভব (ভোল্টেজ ) প্রয়োগ করা যায় তাহলে S.C.R টি বন্ধ হয়ে যাবে। এই পদ্ধতিটা মাইক্রোপসেসরে ব্যবহার করা হয়ে থাকে।

ডায়াক ডায়োড ও এ,সি, এই দুটি শব্দের সংযোগে ডায়াক কথাটির উৎপত্তি , Diode ও AC = Diac. সাধারণ PN জংশন ডায়োডের থেকে এই ডায়াকের কিছু তফাৎ ও বিশিষ্ট্য আছে। সাধারণ ডায়োডগুলোর মধ্যে থাকে দুটো স্তর ( Layer ) একটা P স্তর ( পজিটিভ ) অপরটা N স্তর ( নেগেটিভ ) কিন্তু ডায়াক হল তিন স্তরের। এটাকে দ্বিমুখী ট্রিগার ডায়োডও বলা যায় , কারণ এটা অনেকটা দুটো সামনাসামনি কানেকশন করা জেনার ডায়োডের মতই। ডায়াকের কাজটা আবার অনেকটা নিওন ল্যাম্পের মতই। নিওন ল্যাম্পের 

দু-পিনের মধ্যে যেমন বেশি মাত্রায় ভোল্টেজ দিলে নিওন ল্যাম্প পরিবাহী হয়ে ওঠে এবং জ্বলতে আরম্ভ করে, ঠিক এইরকম ডায়াকের দুটো প্রান্তের রোধ খুব বেশি। অসীম রোধযুক্ত এই দুটো পিনের মধ্যে ক্রমশঃ ভোল্টেজ বাড়ালে একটা পয়েন্টে ( ভোল্টেজের একটি নিৰ্দিষ্টমানে ) ডায়াকটি সপূর্ণ পরিবাহী হয়ে যায়,  অনেকটা জেনারের ব্রেকডাউনের মতই। অর্থাৎ ডায়াকটি সম্পূর্ণ বন্ধ থেকে হঠাৎই চালু হতে পারে। ট্রায়াকের ট্রিগারকে চালু করার কাজে ডায়াক খুব ব্যবহার করা হয়।

ট্রায়াক ডায়াকের তুলনায় ট্রায়াক সম্পূর্ণ অন্য ধরনের হলেও প্রধান ব্যতিক্রমের মধ্যে হল ট্রায়াকের তিনটি পা। তার মধ্যে একটা গেট আর অন্য দুটো হল মেন টারমিনাল 1 ( MT 1 ) এবং মেন টারমিনাল 2 ( MT 2 )

ট্রায়াক কথাটির অর্থ Triode ও AC = Triac. ট্রায়াককে চালু করতে হলে বা ট্রিগার করতে হলে ট্রায়াকের গেটে পজিটিভ বা নেগেটিভ ভোল্টেজ দেওয়া হয়। তখনই ট্রায়াক পরিবাহী হয়ে ওঠে। পরিবাহী অবস্থায় ট্রায়াকের মধ্যে দুদিকেই অর্থাৎ MT 1 ও MT 2র দিকে বিদ্যুৎ প্রবাহ  ( Current Flow ) যেতে পারে। কিন্তু মুহূর্তের জন্যও ( মাত্র কয়েক মাইক্রো সেকেন্ডের জন্য ) তড়িৎ প্রবাহ বন্ধ করলে ট্রায়াক সম্পূর্ণ অপরিবাহী হয়ে পড়ে। পরিবাহী অবস্থায় ট্রায়াকের গেট খুব কম ( mili ) কারেন্ট টানে। ট্রায়াকের ব্রেকওভার ভোল্টেজকে নেগেটিভ বা পজিটিভ পালসকে কমিয়ে বা বাড়িয়ে নিয়ন্ত্রণ করা যায়। পালসের এমপ্লিচুড বাড়ালে ব্রেকওভার পয়েন্ট কমতে থাকে। 

S.C.R. এর আরও কিছু তথ্য S.C.R. অথবা সিলিকন কন্ট্রোল রেকটিফায়ার , এমন এক বিশেষ ধরনের রেকটিফায়ার যার তড়িৎ প্রবাহকে একটি কন্ট্রোল ইলেকট্রোডে +ve পালস অথবা ভোল্টেজ না দিয়ে চালু করা যায় না।

S.C.R. এর তিনটি তড়িৎ দ্বার অথবা ইলেকট্রোড থাকে। এর মধ্যে দুটি সাধারণ অ্যানোড ও ক্যাথোড ও আর একটি হচ্ছে উপরিউক্ত কন্ট্রোল ইলেকট্রোড , যাকে বলা হয় Gate. S.C.R. এর কারেন্ট প্রবাহ সাধারণ ডায়োড এর মতোই একমুখী হয়। এবার তাহলে প্রশ্ন উঠতে পারে যে যেখানে S.C.R. এর কাজ অনেকটা সেই ডায়োডেরই মত তাহলে সেখানে এমন ব্যবস্থা কেন যেখানে গেটে +ve পালস না যাওয়া পর্যন্ত তড়িৎ প্রবাহ ( Current Conduction ) হবে না। আরও অবাক কান্ড , একবার Conduction আরাম্ভ হলে +ve Gate Puls বন্ধ হলেও কিন্তু তড়িৎ প্রবাহ বন্ধ হবে না। আসলে এর ব্যবহার কিন্তু Power Control Application - এ প্রচুর আছে , যেখানে একটি Load এর Current -কে হয়ত সেকেন্ডে হাজার বার অফ এবং অন করাতে হবে। তবে S.C.R. এর gate এ +ve Puls দিলেই যেমন তার Conduction হয় , তেমনি বন্ধ করা তত সহজ নয়। তা নিয়ে আমরা পরে আলোচনা করব। S.C.R. -কে আমরা ভেবে নিতে পারি যে এটি একটি Switch এর কাজ করে। 

এবার S.C.R. এর Theoritical অংশটি অল্প কোথায় বোঝানো হল। সাধারণ ডায়োড একটি মাত্র PN Junction দিয়ে তৈরি হয়। কিন্তু S.C.R. তৈরি হয় একটি P-N-P-N সংকলন হিসাবে। এখানে Junction তিনটি ও Electrode তিনটি এবং Layer চারটি ( P-N-P-N ) রয়েছে আগের চিত্রটি দেখলে বোঝা যাবে। চারটি Layer P-N-P-N দিয়ে , তাদের তিন Junction J1, J2, J3 দিয়ে এবং তিনটি Terminal A( Anode ), G( Gate ), ও  C(Cathode ) দিয়ে বোঝানো হয়েছে। এই S.C.R. এর Gate এ +ve Pulse না দেওয়া অবস্থায় যেভাবেই DC Voltage অ্যানোডে ও ক্যাথোড-এ সংযোগ করা যাক না কেন , অন্তত একটি Junction রিভার্স বায়াস হয়ে থাকবে এবং তড়িৎ প্রবাহ হবে না। একটু ভেবে দেখলেই ব্যাপারটা বোঝা যাবে। এবার যদি Gate +ve Pulse বা +ve ভোল্টেজ দেওয়া হয় , তাহলে S.C.R. টি অন হবে অথবা যে Junction অথবা Junction গুলি রিভার্স বায়াস করা হয়েছিল , সেগুলি ফরোয়ার্ড বায়াস হয়ে তড়িৎ প্রবাহ আরম্ভ হবে। এই কাজটিকে S.C.R. এর Triggering অথবা Firing বলা হয়। এবার দেখা যাক S.C.R.-এর তড়িৎ প্রবাহ কি ভাবে বন্ধ করা হয়। Gate দিয়ে S.C.R. Fire করা হলে Avalanch Breakdown হয়। কাজেই Gate Pulse বন্ধ করে S.C.R. টিকে বন্ধ করা সম্ভব নয়। S.C.R. টিকে তিনটে পদ্ধতিতে Off করা যায়। 

১) অ্যানোডে কারেন্ট সামান্যক্ষণের জন্য বন্ধ রাখা। 

২) Anode, Cathode ভোল্টেজ এর Polarity রিভার্স করা ( যা AC Supply Negative Half Cycle-এ হয়। এইজন্য S.C.R. AC Supply এর ve Half Cycle এ চালু ও ve Half Cycle এ বন্ধ থাকে।

৩) তড়িৎ প্রবাহের মান একটি মাত্রার নীচে নিয়ে যাওয়া। এই কাজটিকে বলা হয় Low Current Droppet. এবার দেখা যাক S.C.R. কি কাজে লাগে। S.C.R. এর একটি বিশেষত্ব হল যে এটি খুব বেশি Power Vary করলেও নিজে খুব অল্প পরিমাণ ক্ষমতার ক্ষয় ( Power Dissipiation ) করে এইজন্য S.C.R. কে Power Control অথবা Phase Control সার্কিটে কাজে লাগানো হয়। এই Phase Control সার্কিটগুলিতে S.C.R এর Off করার দুই নম্বর পদ্ধতিটি কাজে লাগানো হয়। Avalache Breakdown একটি শক্তিশালী ইলেকট্রন তার গমনপথে অন্য ইলেকট্রনগুলি কে Avalance Bond থেকে ধাক্কা দিয়ে বের করে দেয়। কাজেই হঠাৎ প্রবাহও বেড়ে যায় এবং ইহাকেই Avalache Breakdown বলে। এ ছাড়াও S.C.R. কে--- 

(১) রিলে কন্ট্রোল (২) রেগুলেটেড পাওয়ার সাপ্লাই (৩) মোটর কন্ট্রোল (৪) ইনভার্টার (৫) ব্যাটারী চার্জার ইত্যাদিতে ব্যবহার করা হয়। এখন পর্যন্ত যে সব S.C.R. আছে তাতে সর্বোচ্চ Power Control 10MW অবধি করা যায় এবং এমন S.C.R. ও আছে যার সর্বোচ্চ ভোল্টেজ ও কারেন্ট রেটিং যথাক্রমে,

1.8 এবং 2000 Ampere।