NCERT বিস্তারিত ব্যাখ্যা: দ্বাদশ শ্রেণি পদার্থবিজ্ঞান, অধ্যায় ১৪ – অর্ধপরিবাহী ইলেকট্রনিক্স: উপাদান, যুক্তি ও সরল বর্তনী

বিষয়ের ভূমিকা

আধুনিক বিজ্ঞানের বিপ্লবের নেপথ্যে যে প্রযুক্তি সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করেছে, তা হলো ইলেকট্রনিক্স। স্মার্টফোন, কম্পিউটার, এলইডি টিভি, সোলার প্যানেল থেকে শুরু করে আধুনিক মহাকাশযান—সবকিছুর মূল কেন্দ্রবিন্দুতে রয়েছে অর্ধপরিবাহী বা সেমিকন্ডাক্টর (Semiconductor)। পূর্বে ইলেকট্রনিক বর্তনীতে ভ্যাকুয়াম টিউব (Vacuum Tubes) ব্যবহার করা হতো, যা ছিল আকারে বিশাল, প্রচুর তাপ উৎপন্ন করত এবং স্থায়িত্ব ছিল কম। কিন্তু অর্ধপরিবাহী পদার্থের আবিষ্কার পুরো চিত্রটি বদলে দিয়েছে।

এনসিইআরটি (NCERT) দ্বাদশ শ্রেণির পদার্থবিজ্ঞান পাঠ্যক্রমের অধ্যায় ১৪-এ অর্ধপরিবাহীর গঠন, এর বৈশিষ্ট্য এবং বিভিন্ন ইলেকট্রনিক উপকরণের কার্যনীতি বিস্তারিতভাবে আলোচনা করা হয়েছে। এই নিবন্ধে আমরা খুব সহজ ভাষায় ব্যান্ড তত্ত্ব, নিজ ও অপদ্রব্যী অর্ধপরিবাহী, p-n জংশন ডায়োড এবং এর ব্যবহার সম্পর্কে আলোচনা করব।

মূল ধারণাগুলির বিস্তারিত ব্যাখ্যা

১. শক্তি ব্যান্ড তত্ত্ব (Energy Band Theory)

কঠিন পদার্থের ইলেকট্রন শক্তির ওপর ভিত্তি করে শক্তি ব্যান্ড তৈরি হয়। একটি মুক্ত পরমাণুতে ইলেকট্রনের নির্দিষ্ট শক্তিস্তর থাকে, কিন্তু কঠিন পদার্থে পরমাণুগুলি খুব কাছাকাছি থাকায় ইলেকট্রনগুলির শক্তিস্তর পরস্পরকে প্রভাবিত করে ব্যান্ড তৈরি করে।

• পরিবহন ব্যান্ড (Conduction Band): এই ব্যান্ডে অবস্থিত ইলেকট্রনগুলি মুক্তভাবে চলাচল করতে পারে এবং তড়িৎ পরিবহনে অংশগ্রহণ করে।
• যোজ্যতা ব্যান্ড (Valence Band): পরমাণুর সর্ববহিঃস্থ কক্ষের যোজ্যতা ইলেকট্রন দ্বারা গঠিত ব্যান্ড।
• নিষিদ্ধ শক্তি ব্যবধান (Forbidden Energy Gap, $E_g$): পরিবহন ব্যান্ড এবং যোজ্যতা ব্যান্ডের মধ্যবর্তী শক্তির পার্থক্যকে নিষিদ্ধ শক্তি ব্যবধান বলে।

শক্তি ব্যবধানের ($E_g$) ওপর ভিত্তি করে পদার্থকে তিন ভাগে ভাগ করা হয়:

• পরিবাহী (Conductors): যোজ্যতা ব্যান্ড ও পরিবহন ব্যান্ড একে অপরের ওপর ওপরল্যাপ করে, ফলে $E_g \approx 0$। ধাতুসমূহ প্রচুর মুক্ত ইলেকট্রন ধারণ করে।
• অন্তরক (Insulators): যোজ্যতা ব্যান্ড ও পরিবহন ব্যান্ডের মধ্যে বিশাল শক্তির পার্থক্য থাকে ($E_g > 3\text{ eV}$)। উদাহরণ: কাচ, কাঠ।
• অর্ধপরিবাহী (Semiconductors): শক্তি ব্যবধান তুলনামূলকভাবে কম থাকে ($E_g < 3\text{ eV}$)। যেমন সিলিকন ($E_g \approx 1.1\text{ eV}$) এবং জার্মেনিয়াম ($E_g \approx 0.7\text{ eV}$)।

২. নিজ অর্ধপরিবাহী (Intrinsic Semiconductor)

যেকোনো প্রকার ভেজাল বা অপদ্রব্য মুক্ত বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীকে নিজ অর্ধপরিবাহী বলে। যেমন বিশুদ্ধ সিলিকন (Si) বা জার্মেনিয়াম (Ge)।

পরম শূন্য উষ্ণতায় ($0\text{ K}$) বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহী সম্পূর্ণ অন্তরকের মতো আচরণ করে। কিন্তু সাধারণ উষ্ণতায় তাপীয় শক্তির কারণে কিছু সমযোজী বন্ধন ভেঙে যায় এবং ইলেকট্রন মুক্ত হয়ে পরিবহন ব্যান্ডে চলে যায়। এর ফলে যোজ্যতা ব্যান্ডে ইলেকট্রনের শূন্যতা তৈরি হয়, যাকে হোল (Hole) বলা হয়। হোল ধনাত্মক আধানের মতো আচরণ করে।

নিজ অর্ধপরিবাহীতে মুক্ত ইলেকট্রনের সংখ্যা ($n_e$) এবং হোলের সংখ্যা ($n_h$) সমান হয়:

$$n_e = n_h = n_i$$

মোট তড়িৎ প্রবাহ হলো ইলেকট্রন প্রবাহ ($I_e$) এবং হোল প্রবাহের ($I_h$) সমষ্টি: $I = I_e + I_h$।

৩. অপদ্রব্যী অর্ধপরিবাহী (Extrinsic Semiconductor) ও ডোপিং

বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীর তড়িৎ পরিবাহিত অত্যন্ত কম। পরিবাহিত বৃদ্ধির জন্য বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীর সাথে সামান্য পরিমাণে নির্দিষ্ট ভেজাল মেশানো হয়। এই প্রক্রিয়াকে ডোপিং (Doping) বলা হয়। অপদ্রব্য মেশানো অর্ধপরিবাহীকে অপদ্রব্যী অর্ধপরিবাহী বলে।

ডোপিংয়ের জন্য ব্যবহৃত অপদ্রব্যের ওপর ভিত্তি করে অপদ্রব্যী অর্ধপরিবাহী দুই প্রকার:

• n-টাইপ অর্ধপরিবাহী (n-type Semiconductor): বিশুদ্ধ সিলিকন বা জার্মেনিয়ামের সাথে পঞ্চযোজী (Pentavalent) মৌল যেমন ফসফরাস (P), আর্সেনিক (As) বা অ্যান্টিমনি (Sb) যোগ করলে n-টাইপ অর্ধপরিবাহী গঠিত হয়। এখানে অতিরিক্ত মুক্ত ইলেকট্রন তৈরি হয়। n-টাইপে ইলেকট্রন হলো সংখ্যাগুরু আধান বাহক (Majority Carrier) এবং হোল হলো সংখ্যালঘু আধান বাহক (Minority Carrier)। অর্থাৎ $n_e \gg n_h$।
• p-টাইপ অর্ধপরিবাহী (p-type Semiconductor): বিশুদ্ধ সিলিকন বা জার্মেনিয়ামের সাথে ত্রিযোজী (Trivalent) মৌল যেমন অ্যালুমিনিয়াম (Al), বোরন (B) বা গ্যালিয়াম (Ga) যোগ করলে p-টাইপ অর্ধপরিবাহী গঠিত হয়। এর ফলে প্রচুর হোল সৃষ্টি হয়। p-টাইপে হোল হলো সংখ্যাগুরু আধান বাহক এবং ইলেকট্রন হলো সংখ্যালঘু আধান বাহক। অর্থাৎ $n_h \gg n_e$।

তাপীয় সাম্যাবস্থায় উভয় ক্ষেত্রে আধান বাহকের ঘনত্বের গাণিতিক সম্পর্কটি হলো: $$n_e \cdot n_h = n_i^2$$

৪. p-n জংশন ডায়োড (p-n Junction Diode)

যখন একটি p-টাইপ সেমিকন্ডাক্টর এবং একটি n-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরকে পারমাণবিক স্তরে যুক্ত করা হয়, তখন p-n জংশন গঠিত হয়।

• নিঃশেষিত অঞ্চল (Depletion Region): জংশন তৈরির সাথে সাথে n-অঞ্চল থেকে ইলেকট্রন p-অঞ্চলে এবং p-অঞ্চল থেকে হোল n-অঞ্চলে ব্যাপন (Diffusion) প্রক্রিয়ায় ছড়িয়ে পড়ে। জংশনের কাছাকাছি অঞ্চলে স্থির ধনাত্মক ও ঋণাত্মক আয়ন জমা হয় এবং কোনো মুক্ত আধান থাকে না। এই অঞ্চলকে নিঃশেষিত অঞ্চল বলা হয়।
• বিভব বাধা (Potential Barrier): নিঃশেষিত অঞ্চলে তৈরি অভ্যন্তরীণ তড়িৎক্ষেত্রের কারণে অতিরিক্ত আধানের প্রবাহ বন্ধ হয়। এই বিভবকে বিভব বাধা ($V_0$) বলে। সিলিকনের জন্য এটি প্রায় $0.7\text{ V}$ এবং জার্মেনিয়ামের জন্য $0.3\text{ V}$।

৫. p-n জংশনের বায়াসিং (Biasing)

বহিঃস্থ ব্যাটারির সাথে p-n জংশন যুক্ত করার প্রক্রিয়াকে বায়াসিং বলে। এটি দুই প্রকার:

• সম্মুখবর্তী বায়াস (Forward Bias): ব্যাটারির ধনাত্মক প্রান্তকে p-অঞ্চলের সাথে এবং ঋণাত্মক প্রান্তকে n-অঞ্চলের সাথে যুক্ত করা হয়। এতে নিঃশেষিত অঞ্চলের প্রস্থ কমে যায় এবং বর্তনীতে সহজ প্রবাহমাত্রা উৎপন্ন হয়।
• পশ্চাৎবর্তী বায়াস (Reverse Bias): ব্যাটারির ধনাত্মক প্রান্তকে n-অঞ্চলের সাথে এবং ঋণাত্মক প্রান্তকে p-অঞ্চলের সাথে যুক্ত করা হয়। এতে নিঃশেষিত অঞ্চলের প্রস্থ বৃদ্ধি পায় এবং প্রায় কোনো তড়িৎ প্রবাহ চলে না।

৬. একমুখী কারক হিসেবে ডায়োড (Diode as Rectifier)

পরিবর্তী প্রবাহকে (Alternating Current - AC) একমুখী প্রবাহে (Direct Current - DC) রূপান্তরিত করার প্রক্রিয়াকে একমুখীকরণ (Rectification) বলে।

• অর্ধ-তরঙ্গ একমুখী কারক (Half-Wave Rectifier): এটি এসি সংকেতের কেবল অর্ধেক চক্রকে ডিসিতে রূপান্তর করে। এর দক্ষতা কম।
• পূর্ণ-তরঙ্গ একমুখী কারক (Full-Wave Rectifier): দুটি ডায়োড বা ব্রিজ সার্কিট ব্যবহার করে এসি সংকেতের সম্পূর্ণ চক্রকেই ডিসিতে রূপান্তর করা হয়। এর কার্যক্ষমতা অনেক বেশি।

প্রশ্নোত্তর (Q&A)

প্রশ্ন ১: পরম শূন্য উষ্ণতায় বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরের তড়িৎ পরিবাহিত কেমন হয়?

উত্তর: পরম শূন্য উষ্ণতায় ($0\text{ K}$) বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরের কোনো ইলেকট্রন সমযোজী বন্ধন ভেঙে মুক্ত হতে পারে না। তাই এতে কোনো মুক্ত আধান বাহক থাকে না এবং এটি একটি আদর্শ অন্তরক (Insulator) হিসেবে কাজ করে।

প্রশ্ন ২: ডোপিং কেন করা হয়?

উত্তর: বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহীর তড়িৎ পরিবাহিত ঘরের উষ্ণতায় অত্যন্ত কম থাকে, যা কোনো কার্যকর ইলেকট্রনিক ডিভাইস তৈরিতে যথেষ্ট নয়। সামান্য ডোপিং করার মাধ্যমে সেমিকন্ডাক্টরের পরিবাহিত বহুগুণ বৃদ্ধি করা যায়।

প্রশ্ন ৩: n-টাইপ সেমিকন্ডাক্টর কি ঋণাত্মকভাবে আহিত?

উত্তর: না, n-টাইপ সেমিকন্ডাক্টর সম্পূর্ণ আধান-নিরপেক্ষ (Charge Neutral)। যদিও এতে মুক্ত ইলেকট্রনের সংখ্যা বেশি, কিন্তু সামগ্রিকভাবে পরমাণুর প্রোটন ও ইলেকট্রনের মোট সংখ্যা সমান থাকে।

প্রশ্ন ৪: সম্মুখবর্তী এবং বিপরীতবর্তী বায়াসের মধ্যে প্রধান পার্থক্য কী?

উত্তর: সম্মুখবর্তী বায়াসে p-n জংশনের বিভব বাধা এবং নিঃশেষিত অঞ্চলের প্রস্থ হ্রাস পায়, ফলে প্রচুর তড়িৎ প্রবাহিত হয়। অন্যদিকে বিপরীতবর্তী বায়াসে নিঃশেষিত অঞ্চলের প্রস্থ বৃদ্ধি পায় এবং বিভব বাধা বাড়ে, ফলে প্রবাহ প্রায় শূন্য হয়।

সারসংক্ষেপ

• সেমিকন্ডাক্টর পদার্থের পরিবাহিত পরিবাহী ও অন্তরকের মাঝামাঝি ($E_g < 3\text{ eV}$)।
• বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরকে নিজ সেমিকন্ডাক্টর এবং অপদ্রব্য মেশানোকে অপদ্রব্যী সেমিকন্ডাক্টর বলে।
• পঞ্চযোজী ডোপ্যান্ট যোগ করলে n-টাইপ এবং ত্রিযোজী ডোপ্যান্ট যোগ করলে p-টাইপ সেমিকন্ডাক্টর তৈরি হয়।
• p-n জংশন ডায়োড কেবল একমুখে তড়িৎ প্রবাহ পাঠাতে পারে, তাই এটি একমুখী কারক (Rectifier) হিসেবে ব্যবহৃত হয়।