டிரான்ஸிஸ்டர்: சிலிக்கன் ஏன் ஒரு குறை கடத்தி? (Why is silicon a semiconductor?)

குறிப்பு இந்தப் பகுதியை எழுதும் பொழுது ‘சொல்ல வந்த கருத்தை எப்படி எளிமையாகவும் அதேசமயம் துல்லியமாகவும் சொல்வது' (simple and at the same time accurate, with out unnecessary approximation) என்பது சரியாகப் பிடிபடவில்லை. முடிந்த வரை எழுதி இருக்கிறேன். இதைப் படிக்கும் பொழுது எந்த இடத்தில் (இடங்களில்) தெளிவாக இல்லை என்பதை குறிப்பிட்டால், நான் மறுபடி முயல்கிறேன். எதுவுமே புரியவில்லை என்று சொன்னால்........ என்ன செய்வதென்று இன்னும் யோசிக்கவில்லை:-)

---

சிலிக்கன் என்ற தனிமம் டிரான்ஸிஸ்டர் செய்யப் பயன்படும் பொருளாகும். இது மின்சாரத்தை ‘ஓரளவு' கடத்தும். அதனால் இது குறைகடத்தி என்ற வகையை சார்ந்தது. கண்ணாடி, பிளாஸ்டிக் ஆகியவை மின்கடத்தாப் பொருள்களாகும். தாமிரம், அலுமினியம் ஆகிய உலோகங்கள் மின்கடத்தும் பொருள்களாகும்.

ஒரு பொருள் எப்படி மின்சாரத்தைக் கடத்துகிறது. நாம் திட நிலையில் இருக்கும் பொருள்களை மட்டும் கவனிப்போம். ஏனென்றால், திட நிலையிலும், திரவ நிலையிலும், வாயு நிலையிலும் மின்சாரம் செல்லும் விதம் மாறுபடும். டிரான்ஸிஸ்டர்கள் எல்லாம் திட நிலையில் இருப்பதால், அவற்றைப் பற்றி புரிந்து கொள்ள, ‘திட நிலையில் மின்சாரம் செல்வது எப்படி?' என்பது பற்றி சற்று விளக்கமாகப் பார்ப்போம்.

முதலில் கொஞ்சம் இயற்பியல்:

• எல்லா அணுக்களிலும் அணுக்கரு (Nucleus) என்பது புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்களைக் கொண்டது. எலக்ட்ரான்கள் இந்த அணுக்கருவை சுற்றி வரும். (ஏறக்குறைய பூமி, சூரியனைச் சுற்றுவதைப் போல)


• எலக்ட்ரான்கள் அணுக்கருவை சுற்றி வரும் பாதையின் ஆரம் (Radius), இஷ்டப் படி இருக்க முடியாது. அவை குறிப்பிட்ட அளவுகளில்தான் இருக்க முடியும். இது குவாண்டம் இயற்பியல் என்பதில் வரும். ஆற்றல் அதிகமாக இருந்தால் ஆரம் அதிகமாக இருக்கும். குறைவான ஆற்றல் இருக்கும் எலக்ட்ரான், அணுக்கருவுக்கு அருகில்தான் இருக்கும். இவ்வாறு வரையறுக்கப் பட்டுள்ள பாதைகள் , ‘அனுமதிக்கப் பட்ட ஆரங்கள்' (allowed radius) அல்லது ”அனுமதிக்கப் பட்ட ஆற்றல் மட்டங்கள்” (allowed energy levels) என்று கூறப்படும்.


• ”ஏன் இந்த குறிப்பிட்ட அளவுகளில்தான் இருக்க வேண்டும்” என்று எனக்கு தெரியாது. இதுவரை எந்தப் புத்தகத்திலும் இத்ன் காரணத்தை படித்ததில்லை. ஆனால், இந்த அளவுகளில் இருந்தால், அவை ‘கதிர்வீச்சு' இல்லாமல் (without radiation of energy) அணுக்கருவை சுற்றி வர முடியும். இல்லா விட்டால், அவை கொஞ்சம் ஆற்றலை கதிர்வீச்சாக வெளிப்படுத்தி, இழந்து, ”அனுமதிக்கப்பட்ட பாதைக்கு (அ) ஆற்றல் மட்டத்திற்கு “ வந்து விடும். என்பது மட்டும் தெரியும்.


• இது தவிர, பாலி விதி /Pauli's Exclusion Principle என்று ஒரு விதி இருக்கின்றது. அதன்படி, ஒரு ஆற்றல் மட்டத்தில் ஒரு எலக்ட்ரான் மட்டுமே இருக்க முடியும். இரண்டு (அல்லது அதற்கு மேலான) எலக்ட்ரான்கள் ஒரே ஆற்றல் மட்டத்தில் இருக்க முடியாது.





• இரண்டு ஹைட்ரஜன் அணுக்கள் அருகில் வந்தால் என்ன நடக்கும். ஒவ்வொரு ஹைட்ரஜன் அணுவும் அதிக தூரத்தில் இருக்கும் பொழுது, மற்ற ஹைட்ரஜன் அணுவை கணக்கில் எடுத்துக்கொள்ள வேண்டியதில்லை. ஆனால், இரண்டும் அருகில் வந்தால், இந்த ”அனுமதிக்கப்பட்ட ஆற்றல்” இரண்டிலும் சமமாக இருக்க முடியாது. இந்த நிலையில் குவாண்டம் இயற்பியல் கணக்குகள்(Quantum Physics calculations show) அனுமதிக்கப்பட்ட ஆற்றல் மட்டங்கள் என்று விடை தரும்பொழுது அருகருகே இரண்டு ஆற்றல் மட்டங்களை தரும். இதை விளக்க, கீழே “ஆற்றல் மட்ட வரைபடம்” கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. ஆங்கிலத்தில் இது “Energy level diagram" என்று சொல்லப்படும்.
• 
  
  
  
• இரண்டு அணுக்கள் அருகில் வந்தால்,
  E1 ஆற்றல் மட்டம் இரண்டாகப் பிரியும். ஒன்று E1_A என்று சொல்லலாம். அது E1ஐ விட கொஞ்சம் அதிகமாக இருக்கும். இன்னொன்று, E1_B என்று சொல்லலாம். அது E1ஐ விட கொஞ்சம் குறைவாக இருக்கும். மொத்த ஆற்றல் மாறாது.


• இதைப்போல, பல அணுக்கள் அருகில் வந்தால், (உதாரணமாக, திடப்பொருளில், பல கோடிக்கணக்கான அணுக்கள் நெருக்கமாக இருக்கும்), அப்போது, இந்த ஆற்றல் மட்டங்கள் ஒவ்வொன்றும், பல ஆற்றல்மட்டங்களாகப் பிரியும். ஐந்து அணுக்கள் அருகில் வந்தால், ஒவ்வொரு ஆற்றல் மட்டமும் ஐந்து மட்டங்களாகப் பிரியும். பல அணுக்கள் வரும் பொழுது, அது பல ஆற்றல் மட்டங்களாகப் பிரியும். அப்பொழுது, பல ஆற்றல் மட்ட்ங்கள் சேர்ந்து ஒரு பட்டை போல காட்சி அளிக்கும். இது ஆற்றல் பட்டை (Energy Band) எனப்படும்.

இப்படி ஒரு அணுவிற்கான ஆற்றல் மட்டங்கள், பல அணுக்கள் சேரும்பொழுது ஆற்றல் பட்டைகளாக மாறும்பொழுது, எந்த இரண்டு ஆற்றல் மட்டங்களுக்கும் இடையே இருக்கும் இடைவெளி குறையும். இந்த இடைவெளி band gap என்று ஆங்கிலத்தில் அழைக்கப்படும்.



இந்த ஆற்றல் பட்டைகள் என்பவை உண்மையில் பல ஆற்றல் மட்டங்கள் தான். அவை மிக அருகில் இருப்பதாலும், பல கோடுகளை நாம் அருகில் வரையும் பொழுது அந்த தொகுப்பு ஒரு பட்டை போல இருப்பதாலும் அவை ஆற்றல் பட்டைகள் என்று சொல்லப் படுகின்றன. இது, விஞ்ஞானிகள் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் அணுக்கரு ஆகியவற்றை புரிந்து கொள்வதற்காக காகிதத்தில் ஆற்றல் மட்டங்கள் என்று வரைந்து அவ்வாறு வரைந்த படத்தில் பல் ஆற்றல் மட்டங்கள் பட்டை போல தோற்றமளித்ததால் வந்த பெயர். அணுவில் அல்லது திடப் பொருளில் ‘பட்டை' எதுவும் இல்லை என்பதை நினைவில் கொள்ளவும். அதாவது அணுவைப் பற்றி நாம் , நம் வசதிக்காக எளிமையாக வரையும் ஆற்றல் படத்தில், பட்டை போல் இருக்கிறது.

ஒரு எலக்ட்ரான், ஒரு ஆற்றல் மட்டத்திலிருந்து இன்னொரு ஆற்றல் மட்டத்திற்கு செல்ல, அதற்கு ‘உபரி ஆற்றல்' (excess energy) தேவைப்படும். இது நாம் மாடி ஏறுவது போல. சிறிய மாடி ஏற கொஞ்சம் ஆற்றலும், உயரமான மாடி ஏற அதிக ஆற்றலும் தேவை. ஒரு பட்டையிலேயே, எல்லா மட்டங்களும் நிரம்பாவிட்டால், அதில் சில ‘காலி இடங்கள்' இருக்கும். சாதாரணமாக, குறைந்த ஆற்றல் மட்டங்களில் எலக்ட்ரான் இருக்கும். அவற்றிற்கு இன்னும் கொஞ்சம் ஆற்றலைக் கொடுத்தால், அவை மேலே இருக்கும் ‘காலி இடங்களுக்கு' செல்லும். சிறிது நேரத்திற்கு பிறகு கீழே வந்துவிடும். இவ்வாறு சுலபமாக மேலிருக்கும் ஆற்றல் மட்டங்களுக்கு செல்லக் கூடிய பொருள்கள் ‘மின் கடத்தி' எனப்படும்.

இதற்கு பதிலாக, ஒரு பட்டையில் முழுவதும் எலக்ட்ரான்கள் இருப்பதாக வைத்துக் கொள்வோம். மேலே இருக்கும் பட்டையில் எலக்ட்ரான்களே இல்லை என்று வைத்துக் கொள்வோம். இவற்றில் கீழே இருக்கும் எலக்ட்ரானை மேலிருக்கும் பட்டைக்கு எடுத்துச் செல்ல அதிக ஆற்றல் தேவைப்படும். ஏனென்றால், ஆற்றல் இடைவெளி (band gap)ஐ தாண்டி செல்ல வேண்டும். இவ்வகைப் பொருள்கள் ‘insulator' என்ற மின்கடத்தாப் பொருள்கள் ஆகும். இவற்றில் மின்சாரம் செல்லாது.

இதே, ஆற்றல் இடைவெளி கொஞ்சமாக இருந்தால், அவ்வகைப் பொருள்கள் ‘குறை கடத்தி' என்று சொல்லப்படும். அதாவது சாதாரணமாக மின்புலம் கொடுத்தால் ஏதோ கொஞ்சம் எலக்ட்ரான்கள் இந்த ஆற்றல் இடைவெளியை தாண்டி செல்லும். மின் கடத்தியைப் போல சுலபமாகவும் செல்லாது. அதே சமயம், மின்கடத்தாப் பொருள் போல ஒரேடியாக ஒன்றும் நடக்காமலும் இருக்காது.


எலக்ட்ரான்களுக்கு எப்படி ஆற்றலை அளிக்கலாம்? ஒளி மூலமாகவோ அல்லது மின்புலம் மூலமாகவோ ஆற்றல் அளிக்கலாம். மின் கடத்தாப் பொருளில் கூட, அதிக மின் அழுத்தம் கொடுத்தால், மின்சாரம் செல்லும். (உதாரணமாக, 50 volt கொடுத்தால், மனித உடல் மூலம் மின்சாரம் செல்லாது. 230 V கொடுத்தால், நமக்கு ”ஷாக்” அடிக்கும்.)

அடுத்து: வெப்பம் என்றால் என்ன? குவாண்டம் இயற்பியல் படி, வெப்பம் என்பது அணுக்களின் அதிர்வையே (vibration) குறிக்கும். இதைப் பற்றி அடுத்த பதிவில். இந்த இரண்டு கருத்துக்களையும் ( அதாவது 'ஆற்றல் பட்டைகள்' மற்றும் வெப்பம்) சேர்த்து, குவாண்டம் இயற்பியல் எவ்வாறு பல விஷயங்களை அழகாக விளக்குகிறது என்பதைப் பார்க்கலம். இது விளக்கும் விஷயங்கள். (1). மின்கடத்தியின் வெப்பனிலை அதிகரித்தால், அதன் மின் தடை அதிகரிக்கும். (2). குறைகடத்தியில் அல்லது மின் கடத்தாப் பொருளின் வெப்பனிலையை அதிகரித்தால் அதன் மின் தடை குறையும். (3) குறைகடத்தில்யில் சில மின்கடத்தாப் பொருளை சேர்த்தால், அதன் மின் தடை (தடாலடியாகக்) குறையும்!