অর্ধপরিবাহী কাকে বলে

অর্ধপরিবাহী কাকে বলে? কোনো পদার্থের দুই প্রান্ত দিয়ে Voltage দিলে করলে যদি সেই পদার্থ দিয়ে Charge চলাচল করে তবে সেই পদার্থকে পরিবাহী পদার্থ বা conductor material বলে। অর্থাৎ Conductor দিয়ে চার্জ, কারেন্ট, ইলেকট্রন সবাই সহজে চলাচল করতে পারে। কয়েকটা conductor পদার্থ হচ্ছে- কপার (Cu), এলুমিনিয়াম (Al), নিকেল (Ni), সোনা (Au), আয়রন (Fe) etc.

আবার কোনো পদার্থের দুই প্রান্ত দিয়ে voltage apply করার পরেও যদি সেই পদার্থ দিয়ে কোনো চার্জ প্রবাহিত না হয় তবে এই ধরনের পদার্থকে বলা হয় অপরিবাহী পদার্থ বা Insulator. অর্থাৎ insulator দিয়ে current, charge, electron এসব কিছুই চলাচল করতে পারে না। কয়েকটা Insulator পদার্থ হচ্ছে- Mica, wood (কাঠ), কাঁচ, সিরামিক, প্লাস্টিক etc. এদের মধ্যে Mica অনেক ভালো অপরিবাহী, বিভিন্ন ইন্ড্রাস্ট্রিয়াল কাজে এটিকে ব্যবহার করা হয়। Mica কে আবার thermal insulating element  হিসেবে ব্যবহার করা হয়।

অর্ধপরিবাহী কাকে বলে

Semiconductor হচ্ছে এক ধরনের পদার্থ যাদের বিদ্যুৎ পরিবাহীতা মাঝামাঝি ধরনের। অর্থাৎ এদের মধ্য দিয়ে যাওয়া current, charge, electron এর পরিমান conductor এর চেয়ে কম থাকে কিন্তু  Insulator থেকে বেশি। এখানে Semi মানে অর্ধেক, Conductor মানে পরিবাহী।

পর্যায় সারণিতে অনেকগুলো Semiconductor এর নাম দেয়া আছে। ইলেকট্রিক্যাল ইঞ্জিনিয়ারিং এর ক্ষেত্রে দুটো semiconductor বা অর্ধপরিবাহী অনেক গুরুপ্তপূর্ণ। এগুলো হচ্ছে- জার্মেনিয়াম (Ge) এবং সিলিকন (Si).

Electronics এর প্রায় পুরো জায়গাটাই গড়ে উঠেছে সিলিকন এবং জার্মেনিয়াম নামক দুটো মৌল দিয়ে। দুটো মৌলই পর্যায় সারণিতে একই গ্রুপে থাকে। তাই এদের ইলেকট্রন বিন্যাসও প্রায় একই-

Si – 2, 8, 4

Ge – 2, 8, 18, 5

এদের দুজনের শেষ কক্ষপথে ৪টা করে ইলেকট্রন থাকে। তাই এরা নিষ্ক্রিয় গ্যাস বা Nobel Gas এর ইলেকট্রন বিন্যাস অর্জন করার জন্য তাদের শেষ অরবিটে অন্য কোনো মৌলের সাথে চারটা ইলেকট্রন শেয়ার করে। ফলে তাদের Nobel Gas এর Configuration হয়।

Si এবং Ge এরা দুজন নির্দিষ্ট একটা প্যাটার্ন ফলো করে নিজেদের মধ্যে যুক্ত থাকে। তাদের পরমানু গুলো নিজেরা নিজেরা সমযোজী বা Co-valent bond দিয়ে এমনভাবে যুক্ত থাকে যাতে তাদের শেষ অরবিটে ৮টা করে ইলেকট্রন থাকে।

নিচে একটা সিলিকনের Atomic Structure দেখানো হলো-

 

খেয়াল করো, এর শেষ অরবিটে ৪টা electron. তাই এটি আরো ৪টা electron শেয়ার করতে আগ্রহী। তাই সে তার আশেপাশের সিলিকন পরমানুর সাথে Co-valent bond তৈরি করবে যাতে তার শেষ অরবিটে ৮ টা electron থাকে। নিচের ছবি থেকে ক্লিয়ার ধারনা পাবে-

এভাবে প্রতিটা সিলিকন পরমানু এরকম প্যাটার্ন তৈরি করে যাকে সিলিকনের ল্যাটিস বলা হয়।

এবার জার্মেনিয়ামের Atomic Structure দেখো-

 

অর্থাৎ এটিরও শেষ অরবিটে ৪টা electron থাকে। তাই এটি আরো ৪টা electron শেয়ার করতে পারবে।

যদি কোনো Metal এর মধ্য দিয়ে current flow হবার ক্ষমতা (যার আরেক নাম conductivity) σ এবং আপেক্ষিক রোধ বা Resistivity ρ হয় তবে-

   ρ ∝ 1/σ

আবার যদি কোনো পদার্থের resistance R হয়, পদার্থটির দৈর্ঘ্য বা length l হয় এবং পদার্থটির cross section area A হয় তবে সেই পদার্থের Resistivity হবে-

   ρ = RA / l

Resistivity (ρ) হচ্ছে কোনো Material এর বৈশিষ্ট্য এবং property. প্রতিটা ভিন্ন ভিন্ন material এর জন্য ρ এর মান নির্দিষ্ট। এর একক হচ্ছে ohm meter (Ωm).

Conductor, Semi conductor এবং insulator এর জন্য আলাদা আলাদা ρ এর মান আছে।

Conductor এর জন্য- ρc = 10^-6 Ωcm (Cu)

Insulator এর জন্য- ρi = 10¹² Ωcm (Mica)

Semiconductor এর জন্য- ρs = 50 x 10³ Ωcm (Si)

                                               = 50 Ωcm (Ge)

যাদের Resistivity বেশি তাদের মধ্য দিয়ে কম কারেন্ট প্রবাহিত হয় এবং যাদের Resistivity কম তাদের মধ্য দিয়ে বেশি কারেন্ট প্রবাহিত হয়। অর্থাৎ-

   ρc < ρs < ρi

   Ic > Is > Ii

এখানে Ic, Is এবং Ii দিয়ে যথাক্রমে conductor, semiconductor এবং insulator এর মধ্য দিয়ে Current Flow হওয়াকে বোঝাচ্ছে।

সেমিকন্ডাক্টরের পরিবাহীতা

আমরা ইতোমধ্যে জেনে গেছি অর্ধপরিবাহী কাকে বলে। বেশির ভাগমাত্র Conductor ১টা charge carrier ব্যবহার charge flow করে। তাই যেকোনো metal হচ্ছে unipolar. কিন্তু semiconductor গুলোতে electron আর hole এই দুটো charge carrier লাগে charge কে flow হবার জন্য। তাই Semiconductor Material কে bipolar বলা হয়।

যখন Semiconductor material এর মধ্যে কোনো electric field বা voltage apply করা হয় তখন তাদের বডিতে ইলেকট্রন এবং hole দুজন সেই electric field দ্বারা প্রভাবিত হয় এবং একজনের প্রভাব আরেকজনের থেকে opposite হয়। এই ঘটনাকে বলা হয় Drift (ড্রিফট).

Drift অবস্থায় ইলেকট্রন এর একটা Speed থাকে যাকে ইলেকট্রন এর Drift velocity বলে। ইলেকট্রন এর Drift velocity এবং applied electric field intensity পরস্পরের সমানুপাতিক। অর্থাৎ

যদি ইলেকট্রন এর drift velocity = Vd এবং apply করা electric field এর intensity E হয় তবে-

   Vd ∝ E

   Vd = µE

এখানে µ হচ্ছ একটা constant যাকে mobility বলা হয়। প্রতিটা material এর mobility value টা constant থাকে। এর একক হচ্ছে-  

 µ = Vd / E

    = (m/s) / (V/m)

    = m²Vs

কোন অর্ধপরিবাহীতে যখন current flow হয় তখন তার মান হয়-

   i = neAVd 

যেখানে n হচ্ছে সেই অর্ধ পরিবাহীর charge carrier এর সংখ্যা, e হচ্ছে ১টা ইলেকট্রন এর charge, A হচ্ছে অর্ধপরিবাহীর ক্ষেত্রফল এবং Vd হচ্ছে drift velocity.

এই formula দিয়ে সহজে current density J কে বের করা যায়। J মানে হচ্ছে প্রতি unit cross section area তে current এর মান। অর্থাৎ

   J = i / A

      = (neAVd) / A

  J = neVd

এখান থেকে N, e, Vd এর মান জানা থাকলে current-density-এর মান জানা যায়। Vd = µE হয় বলে

   J = neµE

   J = σE [যেখানে neµ কে সিগমা (σ) ধরা হয়েছে। σ মানে কোনো পরিবাহীর conductivity.]

µ হচ্ছে ইলেকট্রন এর mobility, কিন্তু hole এর mobility আলাদা। আবার ইলেকট্রন এর mobility এর মান hole এর চেয়েও বেশি হয়।

সেমিকন্ডাক্টরের নিউট্রাল ধর্ম

Electrical neutrality হচ্ছে এমন একটা system যেখানে কোনো electrical equipment দিয়ে যে পরিমান charge ঢুকবে ঠিক সেই পরিমান charge বের হবে।

Cu (কপার) এর তৈরি wire হচ্ছে এক ধরনের পরিবাহী বা Conductor. এখন এর দুই প্রান্তে যদি DC voltage apply করি তাহলে Cu wire এর মধ্যে কিছু পরিমান charge flow হবে। যে পরিমান electron DC source এর -ve টার্মিনাল দিয়ে বের হবে ঠিক একই পরিমান current DC source এর +ve terminal দিয়ে বের হবে।

ধরা যাক একটা DC voltage source এর -ve terminal থেকে ৫০ টা ইলেকট্রন Cu তারে চলে আসলো। এই ৫০ টা ইলেকট্রনই আবার DC voltage source এর +ve terminal দিয়ে DC voltage source এর ভেতরে ঢুকবে। আবার এই ঘটনাটাই হচ্ছে electrical neutrality.

একটা semiconductor এর আচরণও ঠিক এমন, অর্থাৎ semiconductor এর electrical neutrality থাকে। তাহলে আমরা বুঝলাম অর্ধপরিবাহী কাকে বলে।