ஒரு சிலிக்கன் சிப் / சில்லு (Silicon Chip)என்பதை எப்படி செய்கிறார்கள் என்பதைப் பற்றி அடுத்து சில பதிவுகளில் எழுதுகிறேன். டிரான்ஸிஸ்டர் அமைப்பு எப்படி இருக்கும், அது வேலை செய்யும் விதம் பற்றி ஏற்கனவே பதிவு இருக்கிறது. இங்கு, ஒரு புத்தகத்தில் வருவது போல, அறிமுகம் முதல் கடைசி வரை பார்க்கலாம்.
1. அறிமுகம் (Introduction)
2. டிரான்ஸிஸ்டர் அமைப்பு மற்றும் வேலை செய்யும் விதம் (Transistor Structure and operation)
3. தயாரிப்பில் உள்ள பகுதிகள் (Manufacturing Steps)
4. லித்தோ கிராபி (Lithography)
5. பொருளை படிய வைக்கும் முறைகள் (Deposition Techniques)
6. (அதிகமாக இருக்கும்) பொருளை நீக்கும் முறைகள் (Removal Techniques)
7. அயனி பதித்தல் (Ion Implantation)
8. தயாரிப்பு முறைகளை ஒருங்கிணைத்தல் (Process Integration)
9. பரிசோதித்தல் (Testing)
10. பயன் விகிதம் (Yield)
11. பிற விவரங்கள். (Miscellaneous Details and Overview of Companies in this field)
Update on 27th Aug 2008: சில்லு தயாரிப்பது பற்றிய இந்தப் பதிவுகளை சேர்த்து, சீரமைத்து ஒரு புத்தகமாக்கும் முயற்சியில் இருக்கிறேன். இன்னும் சில மாதங்களில் வந்துவிடும் என்று நினைக்கிறேன்.
Friday, February 15, 2008
Silicon Chip Manufacturing. Introduction - சிலிக்கன் சில்லு செய்முறை. அறிமுகம்
இன்று எல்லா இடங்களிலும் மின்னணு சாதனஙகளின் (electronic devices) உபயோகம் பெருகி விட்டது. செல்போன், டி.வி. (தொலைகாட்சி),, கால்குலேட்டர், வாக்மேன், டிஜிட்டல் கைக்கடிகாரம் (digital watch) என பல சாதனங்கள் ஏறக்குறைய அத்தியாவசியப் பொருள்களாகி விட்டன. இவற்றில், செல்போன் மற்றும் கம்ப்யூட்டரின் விலை நாளுக்கு நாள் குறைந்து வருகிறது. மேலும் அதன் திறனும் மிகுந்து வருகிறது.
இரண்டு ஆண்டுகளுக்கு முன் வாங்கிய செல்போன் மாடல் இப்போது கிடைப்பதில்லை. கடைக்காரார், “அது ஓல்டு மாடல் (old model) சார். இப்போ வருவதில்லை. இப்போ புது மாடல் இன்னும் விலை குறைவாக வந்திருக்கிறது. இதுதான் சீப் அண்டு பெஸ்ட் (cheap and best)” என்று கூறுகிறார். நாளுக்கு நாள் அரிசி, பருப்பு பெட்ரோல் முதல் எல்லாப் பொருள்களின் விலையும் ஏறிக்கொண்டே போகும் போது, புது செல்போனின் விலையும், புதிய கம்ப்யூட்டரின் விலையும் மட்டும் குறைவது எப்படி? நாம் இதை கவனிக்க வேண்டும்.
கால்குலேட்டெரிலிருந்து கம்ப்யூட்டர் (கணிப்பொறி) வரை இவை அனைத்திற்கும் உயிர் நாடியாக இருப்பது ஒருங்கிணைந்த சில்லு அல்லது இன்டெக்ரேடட் சிப் (integrated chip) எனப்படும் ஐ.சி. (I.C.). ஆகும். மின்னணு சாதனங்களின் விலை குறையவும், திறன் அதிகரிக்கவும் ஒரே ஒரு காரணம் தான் உண்டு. இந்த சாதனங்களில் உள்ள ஐ.சி. தயாரிக்கும் முறையில் ஒவ்வொரு வருடமும் பல முன்னற்றங்கள் ஏற்படுகின்றன. அதனால் தயாரிப்பில் செலவும் மிச்சம்; தயாரித்த பொருளின் திறனும் அதிகம்.
ஐ.சி. என்றால் என்ன? அதை தயாரிப்பது எப்படி? அதன் முக்கியத்துவம் என்ன என்பதை இந்நூலில் காண்போம். இந்த ஐ.சி. என்பது பல சாதனங்களை ஒன்றாக சேர்த்து, ஒருங்கிணைத்து செய்யப்பட்டது. சுமார் அறுபது ஆண்டுகளுக்கு முன் (1947ல்) டிரான்ஸிஸ்டர் (transistor) என்னும் சாதனத்தை அமெரிக்காவில் ஷாக்லி (Shockly), பார்டீன் (Bardeen), பிராட்டெய்ன் (Brattain) என்னும் விஞ்ஞானிகள் கண்டு பிடித்தனர் டிரான்ஸிஸ்டர் என்பது ஒரு மின் ஸ்விச் மாதிரி. அதை ஆன் (On) அல்லது ஆஃப் (Off) செய்யலாம்
(குறிப்பு: டிரான்ஸிஸ்டர் என்றால் உடனே பாக்கெட் ரேடியோ என்று நினைக்க வேண்டாம்! பல வருடங்களுக்கு முன், இது போன்ற பல டிரான்ஸிஸ்டர் சாதனங்களை வைத்து செய்யப்பட்ட சிறிய பாக்கெட் ரேடியோ நன்றாக விற்பனையாகி பிரபலமானது. அவை “டிரான்ஸிஸ்டர் ரேடியோ” என அழைக்கப்பட்டு, பின் சுருக்கமாக “டிரான்ஸிஸ்டர்” என அழைக்கப்படுகின்றன.
அக்காலத்தில் டிரான்ஸிஸ்டர் வருவதற்கு முன், ரேடியோக்கள், ஏறக்குறைய இப்போதுள்ள டி.வி. போல பெரிதாகவும் கனமாகவும் இருக்கும். அவை ‘வேகுவம் ட்யூப்” (vacuum tube) எனப்படும் குறைவழுத்த குழாய்களை வைத்து தயாரிக்கப்பட்டன. அவை கனமாக இருப்பதோடு, அதிக அளவு மின்சாரத்தையும் உபயோகம் செய்யும். அவற்றை சாதாரண பேட்டரி செல்(battery cell) வைத்து உபயோகிக்க முடியாது.)
இந்த டிரான்ஸிஸ்டர்களை, தனித்தனியாக செய்து பின்னர் மின்சாரக் கம்பிகள் (electrical wires) மூலம் இணைத்து ”சுற்று சாதனங்கள்” எனப்படும் சர்க்யூட் டிவைஸஸ் (circuit devices) செய்யப்பட்டன. இவ்வாறு செய்யும் பொழுது, அதிக அளவில் உற்பத்தி செய்ய முடியவில்லை. 1957ல் முதன் முதலாக ஒரே சமயத்தில் ஐந்து டிரான்ஸிஸ்டர்கள் சேர்த்து ஜேக் கில்பி (Jack Kilby) என்ற அமெரிக்க விஞ்ஞானி ஐ.சி.யை தயாரித்தார்.பல டிரான்ஸிஸ்டர்களை சேர்த்து ஒரே சாதனித்தில் தயார் செய்வதால் இந்த வகை சாதனம், ஒருங்கிணைந்த சில்லு அல்லது இன்டெக்ரேடட் சிப் (integrated chip) அல்லது ஐ.சி. (i.c.) என அழைக்கப்படுகிறது. இந்த செய்முறையை, ராபர்ட் நோய்ஸ் (Robert Noyce) என்பவர், இன்னும் மேம்படுத்தினார்(improved). தற்போது ஒரு கோடிக்கும் மேற்பட்ட டிரான்ஸிஸ்டர்கள் ஒரு ஐ.சி.யில் தயாரிக்கப்படுகின்றன. இம்முறையில், அதிக உற்பத்தித் திறனை எட்ட முடிகிறது.
எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு செய்தித்தாளை அச்சிடும் போது, ஒவ்வொரு எழுத்தாக அச்சிட்டால், மிகச் சில பிரதிகளை மட்டுமே அச்சிட முடியும். ஆனால், எல்லா எழுத்துக்களையும் கோர்த்து, ஒவ்வொரு பக்கமாக அச்சிட்டால், குறைந்த நேரத்தில் பல பிரதிகளை அச்சிடலாம்
இவை பார்ப்பதற்கு சிறிய துணுக்கு போல் இருப்பதால் சில்லு அல்லது சிப் (chip) என அழைக்கப்படுகின்றன. பெரும்பாலான சில்லுக்கள் சிலிக்கன் (silicon) என்னும் தனிமத்தில் (element) தயாரிக்கப்படுவதால், சிலிக்கன் சில்லு (silicon chip) எனப்படுகின்றன. இப்போது பேச்சு வழக்கில் சிலிக்கன் சில்லு என்பதும் ஐ.சி. என்பதும் ஒரே அர்த்தத்தில் உபயோகப்படுத்தப் படுகின்றன.
ஒரு சில்லு என்பது சாதாரணமாக சுமார் 5 மி.மீ. நீளமும், 5 மி.மீ. அகலமும், 0.5 மி.மீ. தடிமனும் (உயரமும்) இருக்கும். மிகப் பெரிய சில்லு என்பது, தற்சமயம் 25 மி.மீ. நீளமும், 25 மி.மீ. அகலமும் 1 மி.மீ. தடிமனும் இருக்கும். இவற்றைப் பேக்கேஜ் (package) செய்த பின்னர், நீள அகலங்கள் சற்று அதிகமாகும். தடிமன் சுமார் 4 மி.மீ. ஆகும். சில்லு என்பது எளிதில் உடைந்துவிடும் பொருள். அதைப் பாதுகாக்கவே பேக்கேஜ் செய்யப் படுகிறது.
ஒரு டிரான்ஸிஸ்டர் என்பது என்ன அளவில் இருக்கும்? தற்சமயம் (2008ல்) தயாரிக்கப்படும் டிரான்ஸிஸ்டர்கள் சுமார் 0.0004 மி.மீ. அகலமும், 0.0005 மி.மீ. நீளமும், 0.0001 மி.மீ. உயரமும் இருக்கும். நாம் எப்படி துணியை அளக்க மீட்டர் என்றும், ஊருக்கு இடையே உள்ள தூரத்தை அளக்க கிலோ மீட்டர் என்றும் வசதிக்கு ஏற்ப வெவ்வேறு அளவு முறைகளை உபயோகிக்கிறோமோ, அதைப் போல, டிரன்ஸிஸ்டரை அளக்க தனி அளவு முறை உண்டு.
ஒரு மில்லி மீட்டரில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு, ஒரு மைக்ரோ மீட்டர் (micro meter) அல்லது மைக்ரான் (micron) எனப்படும். ஒரு மைக்ரோ மீட்டரில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு, ஒரு நேனோ மீட்டர் (nano meter) அல்லது நே.மீ. (nm) எனப்படும். இப்போது எதற்கெடுத்தாலும் அறிவியல் துறையில் ‘நேனோ' என்று தான் சொல்கிறார்கள். அவ்வளவு ஏன், டாடாவின் புதிய காரின் பெயர் கூட நேனோதான்.
அந்த நேனோ அளவு முறையில், ஒரு டிரன்ஸிஸ்டர் சுமார் 400 நே.மீ. அகலமும் 500 நே.மீ. நீளமும், 100 நே.மீ. உயரமும் இருக்கும். இது கண்ணுக்குத் தெரியாத மிகச் சிறிய அளவாகும். பூதக்கண்ணாடி வைத்து பெரிதாக்கிப் பார்த்தாலும் இவை தெரியாது. இவற்றைக் காண சில விசேஷ கருவிகள் (special instruments) தேவைப்படும்.
முதன் முதலில் 1947ல் உருவாக்கப்பட்ட டிரான்ஸிஸ்டர் சில மி.மீ. நீளம், அகலம் மற்றும் உயரம் இருக்கும். தொழில்நுட்ப முன்னேற்றத்தினால் அவற்றை இப்போது சிறியதாகச் செய்ய முடிகிறது. அதனால், பல கோடி டிரான்ஸிஸ்டர்களையும் ஒரு சில்லில் செய்ய முடிகிறது.
மிகச் சிறிய அளவிலான டிரான்ஸிஸ்டர் செய்ய, மிகச் சிறந்த தொழில்நுட்பம் தேவைப்பட்கிறது. இந்தத் துறையில் தற்போது இந்தியாவில் உள்ள தொழில்நுட்பம், உலகத்தரத்திற்கு ஈடாக இல்லை என்பதே உண்மை. இந்த ஐ.சி. களை லாபகரமாக செய்ய வேண்டும் என்றால், நிறைய முதலீடும், தடையில்லாத மின்சாரமும் (continuous power supply) தண்ணீரும், தொழில்நுட்ப வல்லுனர்களும் தேவை.
ஒரு ஐ.சி. தொழிற்சாலை தொடங்க சுமார் 4,000 கோடி ரூபாய் (ஒரு பில்லியன் அமெரிக்கன் டாலர்) தேவைப்படும். ஏனெனில் இதற்கு பல விசேஷ கருவிகள் தேவை. ஒவ்வொரு கருவியும் குறைந்தது 4 அல்லது 5 கோடி ரூபாய் (ஒரு மில்லியன் அமெரிக்கன் டாலர்) விலை இருக்கும்.
முதன்முறையாக ஒர் புதிய சில்லை வடிவமைத்து (டிஸைன் செய்து) தயாரித்தால், முதல் மாதம் நூற்றுக்கு ஒரிரண்டு சில்லுக்கள் தான் சரியாக வேலை செய்யும். தேர்ச்சி பெறாத (failed) சில்லை சோதித்து, தயாரிப்பு முறையில் ( production process) முன்னேற்றம் (improvement) கொண்டு வர ஆறு மாதம் முதல் ஒரு ஆண்டு வரை பிடிக்கும். அதன் பின் நூற்றுக்கு அறுபது அல்லது எழுபது சிப் வேலை செய்யும். இது பெரும்பாலான சில்லுக்களுக்கு பொருந்தும்.
இவ்வாறு பரிசோதனை செய்வதற்கும் தேவையான இயந்திரங்கள் பல கோடி மதிப்பை எட்டும். ஒவ்வொரு சில்லையும் சோதிக்க சில நிமடங்கள் ஆகும். சோதனையில் தேர்ச்சி பெற்ற சில்லுக்களை packaging என்ற பகுதிக்கு அனுப்பி அதை நன்றாக பேக் செய்து விற்பனைக்கு அனுப்பப்படும்.
கடைகளில் இண்டெல் பென்டியம்(Intel Pentium) என்றும் ஏ-எம்-டீ ஏத்லான்(AMD Athlon) என்றும் விற்கப்படுபவை இவ்வாறு பேக் செய்யப்பட்ட சில்லுக்கள் தான். அவற்றை கணிப்பொறி தயாரிக்கும் நிறுவனங்கள் வாங்கி மற்ற பாகங்களுடன் இணைத்து (assemble) சில்லறை விற்பனைக்கு அனுப்பும்.
இவ்வாறு சில்லுக்களை வணிக ரீதியாக (commercial) தயாரிக்கும் தொழில் நுட்பம் சில நாடுகளில் சில நிறுவனங்களிடம் மட்டுமே உண்டு. அமெரிக்காவில் Intel, IBM, AMD, Micron, TI, LSI, Motorala ஜப்பானில், Sony, Toshiba, Seiko, Panasonic, தாய்வானில், TSMC, UMC, தென் கொரியாவில் Samsung, Huyndai, ஜெர்மனியில் Infenion, சிங்கப்பூரில் Chartered Semiconductor, இஸ்ரேலில் Tower என ஒரு சில நிறுவனங்களே உள்ளன.
கம்ப்யூட்டர் விற்கும் நிறுவனங்களான Dell, HCL, HP, Acer எனப் பல நிறுவங்களும் எந்த பாகத்தையும் தயாரிப்பதில்லை. எல்லாவற்றையும் பல்வேறு இடங்களில் வாங்கி இணைத்து, நன்கு சோதித்து, தத்தம் நிறுவனங்களின் பெயரை முத்திரையிட்டு விற்பனைக்கு அனுப்புகின்றன. அதைப்போலவே, பிரபலமான Nokia செல்போன்களுக்கான ஐ.சி.க்கள் வெளி நிறுவனங்களில் இருந்து வாங்கப் படுகிறது. அதற்கான வடிவமைப்பு (டிஸைன்) மட்டுமே நோக்கியாவில் செய்யப்படும்.
இவ்வாறு வடிவமைப்பு மட்டும் செய்யும் நிறுவனங்களை ஃபேப்லெஸ் (fabless) அல்லது ‘தயாரிப்பில்லாத’ நிறுவனம் என்று சொல்வார்கள். வடிவமைப்பு செய்யாமல், மற்றவர்கள் வடிவமைத்த சில்லுக்களை, தயாரிப்பு மட்டும் செய்யும் நிறுவனங்கள், ஃபௌண்டரி (foundary) என்று சொல்லுவார்கள். Intel போன்ற நிறுவனங்கள் வடிவமைப்பு மற்றும் தயாரித்தல் ஆகிய இரண்டையும் செய்கின்றன. இவை, ஐ.டீ.எம். (IDM- Integrated Device Manufacturer) எனப்படும்.
அடுத்து டிரான்ஸிஸ்டர் என்றால் என்ன, அதைத் தயாரிப்பது எப்படி, அதற்கு தேவையான வழிமுறைகளின் விவரங்கள் என்ன, பல டிரான்ஸிஸ்டர்கள் கொண்ட ஐ.சி. தயாரிப்பதில் என்ன சிக்கல்கள் வரும், அவற்றை எதிர்கொள்ளுவது எப்படி ஆகியவற்றின் விவரங்களைக் காண்போம்.
இரண்டு ஆண்டுகளுக்கு முன் வாங்கிய செல்போன் மாடல் இப்போது கிடைப்பதில்லை. கடைக்காரார், “அது ஓல்டு மாடல் (old model) சார். இப்போ வருவதில்லை. இப்போ புது மாடல் இன்னும் விலை குறைவாக வந்திருக்கிறது. இதுதான் சீப் அண்டு பெஸ்ட் (cheap and best)” என்று கூறுகிறார். நாளுக்கு நாள் அரிசி, பருப்பு பெட்ரோல் முதல் எல்லாப் பொருள்களின் விலையும் ஏறிக்கொண்டே போகும் போது, புது செல்போனின் விலையும், புதிய கம்ப்யூட்டரின் விலையும் மட்டும் குறைவது எப்படி? நாம் இதை கவனிக்க வேண்டும்.
கால்குலேட்டெரிலிருந்து கம்ப்யூட்டர் (கணிப்பொறி) வரை இவை அனைத்திற்கும் உயிர் நாடியாக இருப்பது ஒருங்கிணைந்த சில்லு அல்லது இன்டெக்ரேடட் சிப் (integrated chip) எனப்படும் ஐ.சி. (I.C.). ஆகும். மின்னணு சாதனங்களின் விலை குறையவும், திறன் அதிகரிக்கவும் ஒரே ஒரு காரணம் தான் உண்டு. இந்த சாதனங்களில் உள்ள ஐ.சி. தயாரிக்கும் முறையில் ஒவ்வொரு வருடமும் பல முன்னற்றங்கள் ஏற்படுகின்றன. அதனால் தயாரிப்பில் செலவும் மிச்சம்; தயாரித்த பொருளின் திறனும் அதிகம்.
ஐ.சி. என்றால் என்ன? அதை தயாரிப்பது எப்படி? அதன் முக்கியத்துவம் என்ன என்பதை இந்நூலில் காண்போம். இந்த ஐ.சி. என்பது பல சாதனங்களை ஒன்றாக சேர்த்து, ஒருங்கிணைத்து செய்யப்பட்டது. சுமார் அறுபது ஆண்டுகளுக்கு முன் (1947ல்) டிரான்ஸிஸ்டர் (transistor) என்னும் சாதனத்தை அமெரிக்காவில் ஷாக்லி (Shockly), பார்டீன் (Bardeen), பிராட்டெய்ன் (Brattain) என்னும் விஞ்ஞானிகள் கண்டு பிடித்தனர் டிரான்ஸிஸ்டர் என்பது ஒரு மின் ஸ்விச் மாதிரி. அதை ஆன் (On) அல்லது ஆஃப் (Off) செய்யலாம்
(குறிப்பு: டிரான்ஸிஸ்டர் என்றால் உடனே பாக்கெட் ரேடியோ என்று நினைக்க வேண்டாம்! பல வருடங்களுக்கு முன், இது போன்ற பல டிரான்ஸிஸ்டர் சாதனங்களை வைத்து செய்யப்பட்ட சிறிய பாக்கெட் ரேடியோ நன்றாக விற்பனையாகி பிரபலமானது. அவை “டிரான்ஸிஸ்டர் ரேடியோ” என அழைக்கப்பட்டு, பின் சுருக்கமாக “டிரான்ஸிஸ்டர்” என அழைக்கப்படுகின்றன.
அக்காலத்தில் டிரான்ஸிஸ்டர் வருவதற்கு முன், ரேடியோக்கள், ஏறக்குறைய இப்போதுள்ள டி.வி. போல பெரிதாகவும் கனமாகவும் இருக்கும். அவை ‘வேகுவம் ட்யூப்” (vacuum tube) எனப்படும் குறைவழுத்த குழாய்களை வைத்து தயாரிக்கப்பட்டன. அவை கனமாக இருப்பதோடு, அதிக அளவு மின்சாரத்தையும் உபயோகம் செய்யும். அவற்றை சாதாரண பேட்டரி செல்(battery cell) வைத்து உபயோகிக்க முடியாது.)
இந்த டிரான்ஸிஸ்டர்களை, தனித்தனியாக செய்து பின்னர் மின்சாரக் கம்பிகள் (electrical wires) மூலம் இணைத்து ”சுற்று சாதனங்கள்” எனப்படும் சர்க்யூட் டிவைஸஸ் (circuit devices) செய்யப்பட்டன. இவ்வாறு செய்யும் பொழுது, அதிக அளவில் உற்பத்தி செய்ய முடியவில்லை. 1957ல் முதன் முதலாக ஒரே சமயத்தில் ஐந்து டிரான்ஸிஸ்டர்கள் சேர்த்து ஜேக் கில்பி (Jack Kilby) என்ற அமெரிக்க விஞ்ஞானி ஐ.சி.யை தயாரித்தார்.பல டிரான்ஸிஸ்டர்களை சேர்த்து ஒரே சாதனித்தில் தயார் செய்வதால் இந்த வகை சாதனம், ஒருங்கிணைந்த சில்லு அல்லது இன்டெக்ரேடட் சிப் (integrated chip) அல்லது ஐ.சி. (i.c.) என அழைக்கப்படுகிறது. இந்த செய்முறையை, ராபர்ட் நோய்ஸ் (Robert Noyce) என்பவர், இன்னும் மேம்படுத்தினார்(improved). தற்போது ஒரு கோடிக்கும் மேற்பட்ட டிரான்ஸிஸ்டர்கள் ஒரு ஐ.சி.யில் தயாரிக்கப்படுகின்றன. இம்முறையில், அதிக உற்பத்தித் திறனை எட்ட முடிகிறது.
எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு செய்தித்தாளை அச்சிடும் போது, ஒவ்வொரு எழுத்தாக அச்சிட்டால், மிகச் சில பிரதிகளை மட்டுமே அச்சிட முடியும். ஆனால், எல்லா எழுத்துக்களையும் கோர்த்து, ஒவ்வொரு பக்கமாக அச்சிட்டால், குறைந்த நேரத்தில் பல பிரதிகளை அச்சிடலாம்
இவை பார்ப்பதற்கு சிறிய துணுக்கு போல் இருப்பதால் சில்லு அல்லது சிப் (chip) என அழைக்கப்படுகின்றன. பெரும்பாலான சில்லுக்கள் சிலிக்கன் (silicon) என்னும் தனிமத்தில் (element) தயாரிக்கப்படுவதால், சிலிக்கன் சில்லு (silicon chip) எனப்படுகின்றன. இப்போது பேச்சு வழக்கில் சிலிக்கன் சில்லு என்பதும் ஐ.சி. என்பதும் ஒரே அர்த்தத்தில் உபயோகப்படுத்தப் படுகின்றன.
ஒரு சில்லு என்பது சாதாரணமாக சுமார் 5 மி.மீ. நீளமும், 5 மி.மீ. அகலமும், 0.5 மி.மீ. தடிமனும் (உயரமும்) இருக்கும். மிகப் பெரிய சில்லு என்பது, தற்சமயம் 25 மி.மீ. நீளமும், 25 மி.மீ. அகலமும் 1 மி.மீ. தடிமனும் இருக்கும். இவற்றைப் பேக்கேஜ் (package) செய்த பின்னர், நீள அகலங்கள் சற்று அதிகமாகும். தடிமன் சுமார் 4 மி.மீ. ஆகும். சில்லு என்பது எளிதில் உடைந்துவிடும் பொருள். அதைப் பாதுகாக்கவே பேக்கேஜ் செய்யப் படுகிறது.
ஒரு டிரான்ஸிஸ்டர் என்பது என்ன அளவில் இருக்கும்? தற்சமயம் (2008ல்) தயாரிக்கப்படும் டிரான்ஸிஸ்டர்கள் சுமார் 0.0004 மி.மீ. அகலமும், 0.0005 மி.மீ. நீளமும், 0.0001 மி.மீ. உயரமும் இருக்கும். நாம் எப்படி துணியை அளக்க மீட்டர் என்றும், ஊருக்கு இடையே உள்ள தூரத்தை அளக்க கிலோ மீட்டர் என்றும் வசதிக்கு ஏற்ப வெவ்வேறு அளவு முறைகளை உபயோகிக்கிறோமோ, அதைப் போல, டிரன்ஸிஸ்டரை அளக்க தனி அளவு முறை உண்டு.
ஒரு மில்லி மீட்டரில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு, ஒரு மைக்ரோ மீட்டர் (micro meter) அல்லது மைக்ரான் (micron) எனப்படும். ஒரு மைக்ரோ மீட்டரில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு, ஒரு நேனோ மீட்டர் (nano meter) அல்லது நே.மீ. (nm) எனப்படும். இப்போது எதற்கெடுத்தாலும் அறிவியல் துறையில் ‘நேனோ' என்று தான் சொல்கிறார்கள். அவ்வளவு ஏன், டாடாவின் புதிய காரின் பெயர் கூட நேனோதான்.
அந்த நேனோ அளவு முறையில், ஒரு டிரன்ஸிஸ்டர் சுமார் 400 நே.மீ. அகலமும் 500 நே.மீ. நீளமும், 100 நே.மீ. உயரமும் இருக்கும். இது கண்ணுக்குத் தெரியாத மிகச் சிறிய அளவாகும். பூதக்கண்ணாடி வைத்து பெரிதாக்கிப் பார்த்தாலும் இவை தெரியாது. இவற்றைக் காண சில விசேஷ கருவிகள் (special instruments) தேவைப்படும்.
முதன் முதலில் 1947ல் உருவாக்கப்பட்ட டிரான்ஸிஸ்டர் சில மி.மீ. நீளம், அகலம் மற்றும் உயரம் இருக்கும். தொழில்நுட்ப முன்னேற்றத்தினால் அவற்றை இப்போது சிறியதாகச் செய்ய முடிகிறது. அதனால், பல கோடி டிரான்ஸிஸ்டர்களையும் ஒரு சில்லில் செய்ய முடிகிறது.
மிகச் சிறிய அளவிலான டிரான்ஸிஸ்டர் செய்ய, மிகச் சிறந்த தொழில்நுட்பம் தேவைப்பட்கிறது. இந்தத் துறையில் தற்போது இந்தியாவில் உள்ள தொழில்நுட்பம், உலகத்தரத்திற்கு ஈடாக இல்லை என்பதே உண்மை. இந்த ஐ.சி. களை லாபகரமாக செய்ய வேண்டும் என்றால், நிறைய முதலீடும், தடையில்லாத மின்சாரமும் (continuous power supply) தண்ணீரும், தொழில்நுட்ப வல்லுனர்களும் தேவை.
ஒரு ஐ.சி. தொழிற்சாலை தொடங்க சுமார் 4,000 கோடி ரூபாய் (ஒரு பில்லியன் அமெரிக்கன் டாலர்) தேவைப்படும். ஏனெனில் இதற்கு பல விசேஷ கருவிகள் தேவை. ஒவ்வொரு கருவியும் குறைந்தது 4 அல்லது 5 கோடி ரூபாய் (ஒரு மில்லியன் அமெரிக்கன் டாலர்) விலை இருக்கும்.
முதன்முறையாக ஒர் புதிய சில்லை வடிவமைத்து (டிஸைன் செய்து) தயாரித்தால், முதல் மாதம் நூற்றுக்கு ஒரிரண்டு சில்லுக்கள் தான் சரியாக வேலை செய்யும். தேர்ச்சி பெறாத (failed) சில்லை சோதித்து, தயாரிப்பு முறையில் ( production process) முன்னேற்றம் (improvement) கொண்டு வர ஆறு மாதம் முதல் ஒரு ஆண்டு வரை பிடிக்கும். அதன் பின் நூற்றுக்கு அறுபது அல்லது எழுபது சிப் வேலை செய்யும். இது பெரும்பாலான சில்லுக்களுக்கு பொருந்தும்.
இவ்வாறு பரிசோதனை செய்வதற்கும் தேவையான இயந்திரங்கள் பல கோடி மதிப்பை எட்டும். ஒவ்வொரு சில்லையும் சோதிக்க சில நிமடங்கள் ஆகும். சோதனையில் தேர்ச்சி பெற்ற சில்லுக்களை packaging என்ற பகுதிக்கு அனுப்பி அதை நன்றாக பேக் செய்து விற்பனைக்கு அனுப்பப்படும்.
கடைகளில் இண்டெல் பென்டியம்(Intel Pentium) என்றும் ஏ-எம்-டீ ஏத்லான்(AMD Athlon) என்றும் விற்கப்படுபவை இவ்வாறு பேக் செய்யப்பட்ட சில்லுக்கள் தான். அவற்றை கணிப்பொறி தயாரிக்கும் நிறுவனங்கள் வாங்கி மற்ற பாகங்களுடன் இணைத்து (assemble) சில்லறை விற்பனைக்கு அனுப்பும்.
இவ்வாறு சில்லுக்களை வணிக ரீதியாக (commercial) தயாரிக்கும் தொழில் நுட்பம் சில நாடுகளில் சில நிறுவனங்களிடம் மட்டுமே உண்டு. அமெரிக்காவில் Intel, IBM, AMD, Micron, TI, LSI, Motorala ஜப்பானில், Sony, Toshiba, Seiko, Panasonic, தாய்வானில், TSMC, UMC, தென் கொரியாவில் Samsung, Huyndai, ஜெர்மனியில் Infenion, சிங்கப்பூரில் Chartered Semiconductor, இஸ்ரேலில் Tower என ஒரு சில நிறுவனங்களே உள்ளன.
கம்ப்யூட்டர் விற்கும் நிறுவனங்களான Dell, HCL, HP, Acer எனப் பல நிறுவங்களும் எந்த பாகத்தையும் தயாரிப்பதில்லை. எல்லாவற்றையும் பல்வேறு இடங்களில் வாங்கி இணைத்து, நன்கு சோதித்து, தத்தம் நிறுவனங்களின் பெயரை முத்திரையிட்டு விற்பனைக்கு அனுப்புகின்றன. அதைப்போலவே, பிரபலமான Nokia செல்போன்களுக்கான ஐ.சி.க்கள் வெளி நிறுவனங்களில் இருந்து வாங்கப் படுகிறது. அதற்கான வடிவமைப்பு (டிஸைன்) மட்டுமே நோக்கியாவில் செய்யப்படும்.
இவ்வாறு வடிவமைப்பு மட்டும் செய்யும் நிறுவனங்களை ஃபேப்லெஸ் (fabless) அல்லது ‘தயாரிப்பில்லாத’ நிறுவனம் என்று சொல்வார்கள். வடிவமைப்பு செய்யாமல், மற்றவர்கள் வடிவமைத்த சில்லுக்களை, தயாரிப்பு மட்டும் செய்யும் நிறுவனங்கள், ஃபௌண்டரி (foundary) என்று சொல்லுவார்கள். Intel போன்ற நிறுவனங்கள் வடிவமைப்பு மற்றும் தயாரித்தல் ஆகிய இரண்டையும் செய்கின்றன. இவை, ஐ.டீ.எம். (IDM- Integrated Device Manufacturer) எனப்படும்.
அடுத்து டிரான்ஸிஸ்டர் என்றால் என்ன, அதைத் தயாரிப்பது எப்படி, அதற்கு தேவையான வழிமுறைகளின் விவரங்கள் என்ன, பல டிரான்ஸிஸ்டர்கள் கொண்ட ஐ.சி. தயாரிப்பதில் என்ன சிக்கல்கள் வரும், அவற்றை எதிர்கொள்ளுவது எப்படி ஆகியவற்றின் விவரங்களைக் காண்போம்.
Wednesday, February 13, 2008
Semiconductor Resistance. குறைகடத்தியில் மின் தடை
ஒரு திடப் பொருளில் மின்சாரம் எப்படி செல்கிறது, ஒரு பொருள் மின்கடத்தும் பொருளாக அல்லது குறை கடத்தியாக அல்லது மின் கடத்தாப் பொருள் என்பதை தீர்மானிப்பது எது என்பதை முன்பு பார்த்தோம். எலக்ட்ரான்கள் ஆற்றல் பட்டைகளில் (energy band)இருக்கும் என்பதையும், ஆற்றல் பட்டை இடைவெளி (band gap) எவ்வளவு என்பதைப் பொருத்து ஒரு பொருள் மின்கடத்தி அல்லது குறை கடத்தி அல்லது மின்கடத்தாப் பொருள் என்பதை முடிவு செய்யலாம்.
வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும் பொழுது குறை கடத்தியில் மின் தடை குறையும் என்பதையும் பார்த்தோம். இப்பொழுது அடுத்த கேள்வி: சிலிக்கன் என்ற குறை கடத்தியில், பாஸ்பரஸ் என்ற மின் கடத்தாப் பொருளை சேர்த்தால், சிலிக்கனின் மின் கடத்தும் திறன் அதிகரிக்கும். அதாவது மின் தடை குறையும். இது நாம் நினைப்பதற்கு நேர்மாறாக இருக்கிறதே, அது ஏன்?
இது தவிர, எல்லா மின்கடத்தாப் பொருளையும் சிலிக்கனில் சேர்த்தால் அதன் மின் கடத்தும் திறன் அதிகரிக்காது. எனவே இது ஒரு பொது விதி அல்ல.
நாம் மீண்டும் மின்சாரம் செல்லும் விதத்தை நினைவு படுத்திக் கொள்வோம். ஆற்றல் மட்டத்தில் கீழே இருக்கும் எலக்ட்ரான்கள் எல்லாம் கட்டுற்ற எலக்ட்ரான்கள் (bound electrons) . அவை மேலிருக்கும் ஆற்றல் மட்டத்திற்கு சென்றால் கட்டுறா எலக்ட்ரான்களாக, சுதந்திரமாக செல்ல முடியும். நடுவில் இருக்கும் இடைவெளியைத் தாண்டி செல்ல அவற்றிற்கு ஆற்றல் தேவை. இந்த இடைவெளி அதிகம் இருந்தால் அது ஒரு மின் கடத்தாப் பொருள். கொஞ்சமாக இருந்தால், குறைகடத்தி. ஏறக்குறைய பூஜ்யமாக இருந்தால் அது மின் கடத்தும் பொருள்.
குறை கடத்தியில் (சிலிக்கனில்), ஆற்றல் பட்டை இருப்பதை ஒரு வரை படம் மூலம் கீழே கொடுக்கப் பட்டு உள்ளது.
அடுத்து, பாஸ்பரஸ் அணுக்களில் ஆற்றல் மட்டங்கள் இருப்பதை வரைபடத்தில் காணலாம்.
இங்கு ஆற்றல் பட்டைகள் கொடுக்கவில்லை. ஆற்றல் மட்டங்களே உள்ளன. ஏனென்றால், நாம் பாஸ்பரஸ் அணுக்களை சேர்க்கும் பொழுது , பல கோடி சிலிக்கன் அணுக்களுக்கு இடையே ஒரு பாஸ்பரஸ் அணுவை சேர்ப்போம். ஒரு பாஸ்பரஸ் அணுவிற்கும் இன்னோர் பாஸ்பரஸ் அணுவிற்கும் இடையே நிறைய இடைவெளி இருக்கும். எனவே இதை ஏறக்குறைய தனி அணுவாக கருதலாம். இங்கே, நிரம்பிய மட்டத்திற்கும், காலி மட்டத்திற்கும் நிறைய இடைவெளி இருப்பதைப் பார்க்கலாம். நிறைய பாஸ்பரஸ் அணுக்கள் சேர்ந்து ஆற்றல் பட்டைகளாக் இருந்தாலும், நிறைய ஆற்றல் இடைவெளி இருக்கும். அதனால், பாஸ்பரஸ் ஒரு மின் கடத்தாப் பொருள்.
இப்போது பாஸ்பரஸ் அணுக்களை, மிகச் சிறிய அளவு சிலிக்கனில் சேர்த்தால், புதிய ஆற்றல் மட்டங்கள் (அனுமதிக்கப்பட்ட ஆற்றல் மட்டங்கள்) உருவாகும். அவற்றில், கீழே உள்ள மட்டங்களில் எலக்ட்ரான்கள் இருக்கும். மேலிருக்கும் மட்டங்களில் காலியாக இருக்கும். பாஸ்பரஸ் சேர்க்கப் பட்ட பொழுது எலக்ட்ரான் ஆற்றல் மட்டங்கள் எப்படி இருக்கும் என்பது கீழே இருக்கிறது.
பாஸ்பரஸ் அருகில் சிலிக்கன் அணுக்கள் இருப்பதால், அதன் ஆற்றல் மட்டங்கள் கொஞ்சம் மாறுபடும். இவற்றை கணக்கில் எடுத்துக் கொண்ட பின்
ஆற்றல் இடைவெளி குறைந்து இருப்பதைப் பாருங்கள். அதாவது, பாஸ்பரஸின் நிரம்பிய ஆற்றல் மட்டத்தில் (ஆற்றல் பட்டையில் அல்ல, ஆற்றல் மட்டத்தில்) இருக்கும் எலக்ட்ரான்
சுலபமாக சிலிக்கனின் காலி ஆற்றல் பட்டைக்கு செல்ல முடியும். இதனால், சிலிக்கனின் மின் கடத்தும் திறன் அதிகரிக்கிறது.
வெறும் பாஸ்பரஸாக இருந்தால், வேலை நடக்காது. வெறும் சிலிக்கனாக இருந்தால், கொஞ்சம் மின்சாரம் கடத்தும். இரண்டும் சேரும்பொழுது, மின்கடத்துதல் அதிகரிக்கும். ஏனென்றால், அவற்றின் ஆற்றல் மட்டங்கள் சரியாக அமைகின்றன. சிலிக்கனின் காலி ஆற்றல் பட்டைக்கு அருகில், பாஸ்பரஸின் நிரம்பிய ஆற்றல் மட்டம் இருக்கிறது. வேறு ஏதாவது பொருளை சும்மா சிலிக்கனில் சேர்த்தால், உடனே மின் கடத்தும் திறன் அதிகமாகுமா அல்லது குறையுமா என்று சொல்ல முடியாது. அதன் ஆற்றல் மட்டங்கள் எங்கு இருக்கின்றன, எவை நிரம்பியவை, எவை காலியானவை என்பதை வைத்தே சொல்ல முடியும்.
இங்கு சிலிக்கனுக்கு பாஸ்பரஸ் ஒரு எலக்ட்ரானை கொடுப்பதால், அது ‘கொடை அணு' (donor atom) என்றும், அந்த ஆற்றல் மட்டம் ‘கொடை மட்டம்' (donor level) என்றும் சொல்லப்படும்.
பின் குறிப்பு: 12ம் வகுப்பு தமிழ் பாட புத்தகத்தை இன்று இணையத்தில் பார்த்த பொழுது, அதில் பயன்படுத்தப்படும் சொற்கள் இவை.
1. Band Gap - விலக்கப் பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி (forbidden energy gap)
2. Energy band -ஆற்றல் பட்டை
3. Conducting band - கடத்தும் பட்டை
4. Valence Band - இணைதிறன் பட்டை
5. intrinsic semiconductor - உள்ளார்ந்த குறை கடத்தி
6. extrinsic semiconductor - புறவியலான குறை கடத்தி
7. free electron -கட்டுறா எலக்ட்ரான்
8. donor atom -கொடை அணு
9. donor level - கொடை மட்டம்
10. acceptor atom -ஏற்பான் அணு
11. acceptor level-ஏற்பான் மட்டம்
12. hole (as in electron/hole)- மின் துளை
13. depletion region - இயக்கமில்லா பகுதி
14. Junction - சந்தி
15. carrier - ஊர்தி
16. majority carrier - பெரும்பான்மை ஊர்தி
17. minority carrier - சிறுபான்மை ஊர்தி
18. potential barrier - மின்னழுத்த அரண்
19. forward bias - முன்னோக்கு சார்பு
20. reverse bias - பின்னோக்கு சார்பு
21. saturation current -தெவிட்டு மின்னோட்டம்
22. leakage current - கசிவு மின்னோட்டம்
23. rectification - திருத்துதல்
வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும் பொழுது குறை கடத்தியில் மின் தடை குறையும் என்பதையும் பார்த்தோம். இப்பொழுது அடுத்த கேள்வி: சிலிக்கன் என்ற குறை கடத்தியில், பாஸ்பரஸ் என்ற மின் கடத்தாப் பொருளை சேர்த்தால், சிலிக்கனின் மின் கடத்தும் திறன் அதிகரிக்கும். அதாவது மின் தடை குறையும். இது நாம் நினைப்பதற்கு நேர்மாறாக இருக்கிறதே, அது ஏன்?
இது தவிர, எல்லா மின்கடத்தாப் பொருளையும் சிலிக்கனில் சேர்த்தால் அதன் மின் கடத்தும் திறன் அதிகரிக்காது. எனவே இது ஒரு பொது விதி அல்ல.
நாம் மீண்டும் மின்சாரம் செல்லும் விதத்தை நினைவு படுத்திக் கொள்வோம். ஆற்றல் மட்டத்தில் கீழே இருக்கும் எலக்ட்ரான்கள் எல்லாம் கட்டுற்ற எலக்ட்ரான்கள் (bound electrons) . அவை மேலிருக்கும் ஆற்றல் மட்டத்திற்கு சென்றால் கட்டுறா எலக்ட்ரான்களாக, சுதந்திரமாக செல்ல முடியும். நடுவில் இருக்கும் இடைவெளியைத் தாண்டி செல்ல அவற்றிற்கு ஆற்றல் தேவை. இந்த இடைவெளி அதிகம் இருந்தால் அது ஒரு மின் கடத்தாப் பொருள். கொஞ்சமாக இருந்தால், குறைகடத்தி. ஏறக்குறைய பூஜ்யமாக இருந்தால் அது மின் கடத்தும் பொருள்.
குறை கடத்தியில் (சிலிக்கனில்), ஆற்றல் பட்டை இருப்பதை ஒரு வரை படம் மூலம் கீழே கொடுக்கப் பட்டு உள்ளது.
அடுத்து, பாஸ்பரஸ் அணுக்களில் ஆற்றல் மட்டங்கள் இருப்பதை வரைபடத்தில் காணலாம்.
இங்கு ஆற்றல் பட்டைகள் கொடுக்கவில்லை. ஆற்றல் மட்டங்களே உள்ளன. ஏனென்றால், நாம் பாஸ்பரஸ் அணுக்களை சேர்க்கும் பொழுது , பல கோடி சிலிக்கன் அணுக்களுக்கு இடையே ஒரு பாஸ்பரஸ் அணுவை சேர்ப்போம். ஒரு பாஸ்பரஸ் அணுவிற்கும் இன்னோர் பாஸ்பரஸ் அணுவிற்கும் இடையே நிறைய இடைவெளி இருக்கும். எனவே இதை ஏறக்குறைய தனி அணுவாக கருதலாம். இங்கே, நிரம்பிய மட்டத்திற்கும், காலி மட்டத்திற்கும் நிறைய இடைவெளி இருப்பதைப் பார்க்கலாம். நிறைய பாஸ்பரஸ் அணுக்கள் சேர்ந்து ஆற்றல் பட்டைகளாக் இருந்தாலும், நிறைய ஆற்றல் இடைவெளி இருக்கும். அதனால், பாஸ்பரஸ் ஒரு மின் கடத்தாப் பொருள்.
இப்போது பாஸ்பரஸ் அணுக்களை, மிகச் சிறிய அளவு சிலிக்கனில் சேர்த்தால், புதிய ஆற்றல் மட்டங்கள் (அனுமதிக்கப்பட்ட ஆற்றல் மட்டங்கள்) உருவாகும். அவற்றில், கீழே உள்ள மட்டங்களில் எலக்ட்ரான்கள் இருக்கும். மேலிருக்கும் மட்டங்களில் காலியாக இருக்கும். பாஸ்பரஸ் சேர்க்கப் பட்ட பொழுது எலக்ட்ரான் ஆற்றல் மட்டங்கள் எப்படி இருக்கும் என்பது கீழே இருக்கிறது.
பாஸ்பரஸ் அருகில் சிலிக்கன் அணுக்கள் இருப்பதால், அதன் ஆற்றல் மட்டங்கள் கொஞ்சம் மாறுபடும். இவற்றை கணக்கில் எடுத்துக் கொண்ட பின்
ஆற்றல் இடைவெளி குறைந்து இருப்பதைப் பாருங்கள். அதாவது, பாஸ்பரஸின் நிரம்பிய ஆற்றல் மட்டத்தில் (ஆற்றல் பட்டையில் அல்ல, ஆற்றல் மட்டத்தில்) இருக்கும் எலக்ட்ரான்
சுலபமாக சிலிக்கனின் காலி ஆற்றல் பட்டைக்கு செல்ல முடியும். இதனால், சிலிக்கனின் மின் கடத்தும் திறன் அதிகரிக்கிறது.
வெறும் பாஸ்பரஸாக இருந்தால், வேலை நடக்காது. வெறும் சிலிக்கனாக இருந்தால், கொஞ்சம் மின்சாரம் கடத்தும். இரண்டும் சேரும்பொழுது, மின்கடத்துதல் அதிகரிக்கும். ஏனென்றால், அவற்றின் ஆற்றல் மட்டங்கள் சரியாக அமைகின்றன. சிலிக்கனின் காலி ஆற்றல் பட்டைக்கு அருகில், பாஸ்பரஸின் நிரம்பிய ஆற்றல் மட்டம் இருக்கிறது. வேறு ஏதாவது பொருளை சும்மா சிலிக்கனில் சேர்த்தால், உடனே மின் கடத்தும் திறன் அதிகமாகுமா அல்லது குறையுமா என்று சொல்ல முடியாது. அதன் ஆற்றல் மட்டங்கள் எங்கு இருக்கின்றன, எவை நிரம்பியவை, எவை காலியானவை என்பதை வைத்தே சொல்ல முடியும்.
இங்கு சிலிக்கனுக்கு பாஸ்பரஸ் ஒரு எலக்ட்ரானை கொடுப்பதால், அது ‘கொடை அணு' (donor atom) என்றும், அந்த ஆற்றல் மட்டம் ‘கொடை மட்டம்' (donor level) என்றும் சொல்லப்படும்.
பின் குறிப்பு: 12ம் வகுப்பு தமிழ் பாட புத்தகத்தை இன்று இணையத்தில் பார்த்த பொழுது, அதில் பயன்படுத்தப்படும் சொற்கள் இவை.
1. Band Gap - விலக்கப் பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி (forbidden energy gap)
2. Energy band -ஆற்றல் பட்டை
3. Conducting band - கடத்தும் பட்டை
4. Valence Band - இணைதிறன் பட்டை
5. intrinsic semiconductor - உள்ளார்ந்த குறை கடத்தி
6. extrinsic semiconductor - புறவியலான குறை கடத்தி
7. free electron -கட்டுறா எலக்ட்ரான்
8. donor atom -கொடை அணு
9. donor level - கொடை மட்டம்
10. acceptor atom -ஏற்பான் அணு
11. acceptor level-ஏற்பான் மட்டம்
12. hole (as in electron/hole)- மின் துளை
13. depletion region - இயக்கமில்லா பகுதி
14. Junction - சந்தி
15. carrier - ஊர்தி
16. majority carrier - பெரும்பான்மை ஊர்தி
17. minority carrier - சிறுபான்மை ஊர்தி
18. potential barrier - மின்னழுத்த அரண்
19. forward bias - முன்னோக்கு சார்பு
20. reverse bias - பின்னோக்கு சார்பு
21. saturation current -தெவிட்டு மின்னோட்டம்
22. leakage current - கசிவு மின்னோட்டம்
23. rectification - திருத்துதல்
Tuesday, February 12, 2008
Quantum Physics- Temperature. குவாண்டம் இயற்பியல். வெப்பநிலை
எல்லா அணுக்களும் எல்லா வெப்ப நிலைகளிலும் கொஞ்சம் ‘அதிர்வுடன்' (vibration)இருக்கும். இந்த அணுக்களின் அதிர்வையே நாம் வெப்ப நிலை (temperature) என்று சொல்கிறோம். வெப்ப நிலை அதிகமானால், அதிர்வு அதிகம். அதிர்வு என்பதை ‘சலனம்' அதாவது ' ஒரு நிலையில் இல்லாமல் கொஞ்சம் முன்னும் பின்னுமாக ஆடிக் கொண்டு இருக்கும் நிலை' என்று சொல்லலாம்.
அதிகம் ‘ஆட்டம் போடும்' அணுக்கள் அதிக வெப்ப நிலையில் இருக்கும். ஒரு பொருளுக்கு நாம் சூடேற்றுகிறோம் என்றால் அதன் அணுக்களின் அதிர்வுகளை அதிகமாக்குகிறோம் என்று பொருள்.
இப்படி ஒரு அணு அதிரும் பொழுது, அந்த அணுவில் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் அணுக்கரு ஆகிய இரண்டும் நகர்ந்துகொண்டு இருக்கும். வெப்ப நிலை அதிகமாகும் பொழுது, எலக்ட்ரானின் ஆற்றலும் அதிகரித்து, அது கீழிருக்கும் 'அனுமதிக்கப் பட்ட நிலையில்' இருந்து, மேலிருக்கும் ‘அனுமதிக்கப்பட்ட நிலைக்கு' செல்லக்கூடும். பிறகு, மேலிருந்து கீழே வரும் பொழுது, மிச்சம் இருக்கும் ஆற்றலை வெளியிடும். அது ஒளியாக வரலாம்.
பொதுவழக்கில் ‘குண்டு பல்பு' என்று சொல்லப்படும் filament lamp இல், டங்க்ஸ்டன் என்ற உலோகத்தில் நூல் போன்ற இழை (thin wire) இருக்கும். அதில் மின்சாரம் பாயும் பொழுது அதன் வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும். மிக அதிக வெப்பனிலையில், ஒளி வெளியே வரும். அதனால் நமக்கு வெளிச்சம் கிடைக்கும்.
மின்சாரம் டங்க்ஸ்டனில் பாயும் பொழுது ஏன் வெப்ப நிலை அதிகரிக்கிறது?
மின்சாரம் என்பது எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டமே. எலக்ட்ரான்கள் ஒரு பொருளில் (உதாரணமாக டங்க்ஸ்டன் இழையில்) ஓடும் பொழுது, அதில் இருக்கும் அணுக்கள் மீது ‘முட்டி மோதி' செல்லும். அப்படி முட்டி மோதுவதால், அணுக்களின் அதிர்வு அதிகமாகும். நாம் வெப்பனிலை என்பது அணுக்களின் அதிர்வே என்பதை முதலில் பார்த்தோம். அதனால், அதிர்வு அதிகமானால் வெப்பனிலை அதிகம் என்று பொருள்.
தாமிரம் போன்ற பொருள்களில் வெப்ப நிலை அதிகரித்தால் மின் தடை அதிகரிக்கும். ஏன்? அணுக்களின் அதிர்வு அதிகரிக்கும் பொழுது, எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்திற்கு அது தடையாக இருக்கும். உதாரணமாக, எலக்ட்ரான்களை ஒரு பந்து போலவும், அணுக்களை மனிதர்கள் என்றும் கற்பனை செய்து கொள்வோம். மனிதர்கள் வரிசையாக ஒரு சீராக நின்றால், அவர்கள் நடுவே பந்துகளை எறிந்தால், அவை ஒரு பக்கத்திலிருந்து மறு பக்கத்திற்கு சுலபமாக செல்லும். ஆனால், அந்த மனிதர்கள் கையை, காலை, உடலை ஆட்டிக்கொண்டு இருந்தால், நடுவில் பல பந்துகள் அவர்கள் மீது மோதி நின்று விடும். அதைப்போல, அதிக அதிர்வுடன் இருக்கும் அணுக்கள் எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்தை தடுக்கும்.
நீங்கள் ஒரு புறத்திலிருந்து மிக அதிக அளவில் பந்துகளை (எலக்ட்ரான்களை) வீசினால், மறு புறம் எவ்வளவு வரும் என்பது மனிதர்கள் (அணுக்கள்) எவ்வளவு சீராக இருக்கிறார்கள், எவ்வளவு ஆடுகிறார்கள் என்பதைப் பொருத்தது. இது மின் கடத்திகளுக்கு ஒரு உதாரணம்.
இதே குறை கடத்தியிலோ அல்லது மின் கடத்தாப் பொருளிலோ, வெப்ப நிலை அதிகரித்தால் மின்சாரம் கடத்தும் திறன் (electrical conductivity) அதிகமாகும். ஏன்?
மின் கடத்தாப் பொருளிலும், குறை கடத்தியிலும் 'free electron' என்று சொல்லப்படும் ‘கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள்' எண்ணிக்கை குறைவு. (சுதந்திர எலக்ட்ரான் என்ற என்னுடைய மொழி பெயர்ப்பை, கட்டுறா எலக்ட்ரான் என்ற அனானியின் திருத்தத்திற்கு உள்ளாக்கி இருக்கிறேன்). அதென்ன ‘கட்டுறா எலக்ட்ரான்'? நாம் ஆற்றல் பட்டைகளில் கீழிருக்கும் ஆற்றல் மட்டங்களில் எலக்ட்ரான் நிரம்பி இருக்கும் என்றும், மேலிருக்கும் ஆற்றல் மட்டங்கள் காலியாக இருக்கும் என்றும் பார்த்தோம். இதில் எந்த எலக்ட்ரானுக்காவது கொஞ்சம் ஆற்றல் அதிகமானால், அது மேலிருக்கும் மட்டத்திற்கு செல்லும். அது சுலபமாக ‘ஓடும்' தன்மை உடையது. அந்த எலக்ட்ரான் ‘கட்டுறா எலக்ட்ரான்'.
வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும் பொழுது, அணுக்களின் அதிர்வு அதிகரிக்கும்.அணுக்களின் ஆற்றலும், எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றலும் அதிகரிக்கும். எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல் அதிகரித்தால், அது மேல் மட்டத்திற்கு சென்று சுதந்திரமாகிவிடும்.
இதனால் நமக்கு என்ன தெரிகிறது? வெப்ப நிலை அதிகரித்தால், (1) கட்டுறா எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும் (2) அணுக்களின் அதிர்வு அதிகரிக்கும்.
மின்கடத்திகளில், சாதாரணமாகவே போதுமான அளவு கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் (பந்துகள்) இருக்கும். அதிக வெப்ப நிலையில் பெரிய அளவு மாற்றம் இருக்காது. நூறோடு நூற்றி ஒன்றாகிவிடும். ஆனால் அணுக்களின் அதிர்வால் எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்திற்கு தடை அதிகமாகும்.
குறை கடத்தியில், சாதாரணமாக, கட்டுறா எலக்ட்ரான்களுக்கு பஞ்சம். அதனால், வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும் பொழுது பந்துக்களின் (எலக்ட்ரான்களின்) எண்ணிக்கை அதிகமாகும். அணுக்களின் அதிர்வுகளால், எலக்ட்ரான் ஓட்டத்திற்கு தடை அதிகமாகத்தான் செய்யும். ஆனால், இப்போது நிறைய பந்துகள் எறிவதால், அந்தப் பகுதிக்கு வந்து சேரும் பந்துக்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும். மின்சாரம் அதிகரிக்கும். எனவே, வெப்ப நிலை அதிகரித்தால், குறை கடத்தியில் மின் தடை குறையும்.
மின் கடத்தாப் பொருளில் கட்டுறா எலக்ட்ரானே இல்லை என்று சொல்லி விடலாம். கொஞ்சம் வெப்ப நிலையை அதிகரித்தால், மின் தடை ரொம்ப மாறாது. ஒரு அளவுக்கு மேல் சென்றால்தான் மின் தடை மாறும். அப்போது, குறை கடத்தி போலவே வெப்ப நிலையை அதிகரித்தால், மின் தடை குறையும்.
எப்படி நாம் ஒளியை ‘ஃபோடான்' என்ற துகளாக கருதுகிறோமோ அதைப் போல, அணுவின் அதிர்வை , "ஃபோனான்” (phonon) என்ற துகளாக கருதலாம். அதிர்வு (வெப்ப நிலை) அதிகமானால், ஃபோனானின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும். ஒளியை ஃபோடான் என்றும் சொல்லலாம். அலை என்றும் சொல்லலாம். (உதாரணமாக, நம் கண்ணுக்கு 400 nm முதல் 700 nm வரை அலை நீளம் உள்ள அலைகளே தெரியும். அதற்கு மேல் உள்ளது அகச் சிவப்பு கதிர், கீழே உள்ளது புற ஊதா கதிர் என்று எல்லாம் சொல்கிறோம். அப்போது ஒளியை அலையாகவே கருதி பேசுகிறோம்).
எந்த பொருளையும் துகள் (அல்லது பொருள்) என்றும் கருதலாம். அதே சமயம் அலை என்றும் கருதலாம் என்பது குவாண்டம் இயற்பியலில் ஒரு முக்கிய கோட்பாடு. இந்த கண்ணோட்டத்தில் பார்த்தால், அதிக வெப்ப நிலையில் நிறைய ஃபோனான்கள் இருக்கும். எலக்ட்ரான் இந்த போனானுடன் மோதும். அதனால் அது ஒரு கம்பியின் ஒரு மூலையிலிருந்து இன்னொரு மூலைக்கு போக அதிக நேரம் ஆகும். வெப்ப நிலை குறைவாக இருக்கும் பொழுது, போனானுடன் மோத வாய்ப்பு குறைவு. எனவே மின் கடத்தியில் குறைந்த வெப்ப நிலையில் குறைந்த மின் தடை இருக்கும்.
அதிகம் ‘ஆட்டம் போடும்' அணுக்கள் அதிக வெப்ப நிலையில் இருக்கும். ஒரு பொருளுக்கு நாம் சூடேற்றுகிறோம் என்றால் அதன் அணுக்களின் அதிர்வுகளை அதிகமாக்குகிறோம் என்று பொருள்.
இப்படி ஒரு அணு அதிரும் பொழுது, அந்த அணுவில் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் அணுக்கரு ஆகிய இரண்டும் நகர்ந்துகொண்டு இருக்கும். வெப்ப நிலை அதிகமாகும் பொழுது, எலக்ட்ரானின் ஆற்றலும் அதிகரித்து, அது கீழிருக்கும் 'அனுமதிக்கப் பட்ட நிலையில்' இருந்து, மேலிருக்கும் ‘அனுமதிக்கப்பட்ட நிலைக்கு' செல்லக்கூடும். பிறகு, மேலிருந்து கீழே வரும் பொழுது, மிச்சம் இருக்கும் ஆற்றலை வெளியிடும். அது ஒளியாக வரலாம்.
பொதுவழக்கில் ‘குண்டு பல்பு' என்று சொல்லப்படும் filament lamp இல், டங்க்ஸ்டன் என்ற உலோகத்தில் நூல் போன்ற இழை (thin wire) இருக்கும். அதில் மின்சாரம் பாயும் பொழுது அதன் வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும். மிக அதிக வெப்பனிலையில், ஒளி வெளியே வரும். அதனால் நமக்கு வெளிச்சம் கிடைக்கும்.
மின்சாரம் டங்க்ஸ்டனில் பாயும் பொழுது ஏன் வெப்ப நிலை அதிகரிக்கிறது?
மின்சாரம் என்பது எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டமே. எலக்ட்ரான்கள் ஒரு பொருளில் (உதாரணமாக டங்க்ஸ்டன் இழையில்) ஓடும் பொழுது, அதில் இருக்கும் அணுக்கள் மீது ‘முட்டி மோதி' செல்லும். அப்படி முட்டி மோதுவதால், அணுக்களின் அதிர்வு அதிகமாகும். நாம் வெப்பனிலை என்பது அணுக்களின் அதிர்வே என்பதை முதலில் பார்த்தோம். அதனால், அதிர்வு அதிகமானால் வெப்பனிலை அதிகம் என்று பொருள்.
தாமிரம் போன்ற பொருள்களில் வெப்ப நிலை அதிகரித்தால் மின் தடை அதிகரிக்கும். ஏன்? அணுக்களின் அதிர்வு அதிகரிக்கும் பொழுது, எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்திற்கு அது தடையாக இருக்கும். உதாரணமாக, எலக்ட்ரான்களை ஒரு பந்து போலவும், அணுக்களை மனிதர்கள் என்றும் கற்பனை செய்து கொள்வோம். மனிதர்கள் வரிசையாக ஒரு சீராக நின்றால், அவர்கள் நடுவே பந்துகளை எறிந்தால், அவை ஒரு பக்கத்திலிருந்து மறு பக்கத்திற்கு சுலபமாக செல்லும். ஆனால், அந்த மனிதர்கள் கையை, காலை, உடலை ஆட்டிக்கொண்டு இருந்தால், நடுவில் பல பந்துகள் அவர்கள் மீது மோதி நின்று விடும். அதைப்போல, அதிக அதிர்வுடன் இருக்கும் அணுக்கள் எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்தை தடுக்கும்.
நீங்கள் ஒரு புறத்திலிருந்து மிக அதிக அளவில் பந்துகளை (எலக்ட்ரான்களை) வீசினால், மறு புறம் எவ்வளவு வரும் என்பது மனிதர்கள் (அணுக்கள்) எவ்வளவு சீராக இருக்கிறார்கள், எவ்வளவு ஆடுகிறார்கள் என்பதைப் பொருத்தது. இது மின் கடத்திகளுக்கு ஒரு உதாரணம்.
இதே குறை கடத்தியிலோ அல்லது மின் கடத்தாப் பொருளிலோ, வெப்ப நிலை அதிகரித்தால் மின்சாரம் கடத்தும் திறன் (electrical conductivity) அதிகமாகும். ஏன்?
மின் கடத்தாப் பொருளிலும், குறை கடத்தியிலும் 'free electron' என்று சொல்லப்படும் ‘கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள்' எண்ணிக்கை குறைவு. (சுதந்திர எலக்ட்ரான் என்ற என்னுடைய மொழி பெயர்ப்பை, கட்டுறா எலக்ட்ரான் என்ற அனானியின் திருத்தத்திற்கு உள்ளாக்கி இருக்கிறேன்). அதென்ன ‘கட்டுறா எலக்ட்ரான்'? நாம் ஆற்றல் பட்டைகளில் கீழிருக்கும் ஆற்றல் மட்டங்களில் எலக்ட்ரான் நிரம்பி இருக்கும் என்றும், மேலிருக்கும் ஆற்றல் மட்டங்கள் காலியாக இருக்கும் என்றும் பார்த்தோம். இதில் எந்த எலக்ட்ரானுக்காவது கொஞ்சம் ஆற்றல் அதிகமானால், அது மேலிருக்கும் மட்டத்திற்கு செல்லும். அது சுலபமாக ‘ஓடும்' தன்மை உடையது. அந்த எலக்ட்ரான் ‘கட்டுறா எலக்ட்ரான்'.
வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும் பொழுது, அணுக்களின் அதிர்வு அதிகரிக்கும்.அணுக்களின் ஆற்றலும், எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றலும் அதிகரிக்கும். எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல் அதிகரித்தால், அது மேல் மட்டத்திற்கு சென்று சுதந்திரமாகிவிடும்.
இதனால் நமக்கு என்ன தெரிகிறது? வெப்ப நிலை அதிகரித்தால், (1) கட்டுறா எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும் (2) அணுக்களின் அதிர்வு அதிகரிக்கும்.
மின்கடத்திகளில், சாதாரணமாகவே போதுமான அளவு கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் (பந்துகள்) இருக்கும். அதிக வெப்ப நிலையில் பெரிய அளவு மாற்றம் இருக்காது. நூறோடு நூற்றி ஒன்றாகிவிடும். ஆனால் அணுக்களின் அதிர்வால் எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்திற்கு தடை அதிகமாகும்.
குறை கடத்தியில், சாதாரணமாக, கட்டுறா எலக்ட்ரான்களுக்கு பஞ்சம். அதனால், வெப்ப நிலை அதிகரிக்கும் பொழுது பந்துக்களின் (எலக்ட்ரான்களின்) எண்ணிக்கை அதிகமாகும். அணுக்களின் அதிர்வுகளால், எலக்ட்ரான் ஓட்டத்திற்கு தடை அதிகமாகத்தான் செய்யும். ஆனால், இப்போது நிறைய பந்துகள் எறிவதால், அந்தப் பகுதிக்கு வந்து சேரும் பந்துக்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும். மின்சாரம் அதிகரிக்கும். எனவே, வெப்ப நிலை அதிகரித்தால், குறை கடத்தியில் மின் தடை குறையும்.
மின் கடத்தாப் பொருளில் கட்டுறா எலக்ட்ரானே இல்லை என்று சொல்லி விடலாம். கொஞ்சம் வெப்ப நிலையை அதிகரித்தால், மின் தடை ரொம்ப மாறாது. ஒரு அளவுக்கு மேல் சென்றால்தான் மின் தடை மாறும். அப்போது, குறை கடத்தி போலவே வெப்ப நிலையை அதிகரித்தால், மின் தடை குறையும்.
எப்படி நாம் ஒளியை ‘ஃபோடான்' என்ற துகளாக கருதுகிறோமோ அதைப் போல, அணுவின் அதிர்வை , "ஃபோனான்” (phonon) என்ற துகளாக கருதலாம். அதிர்வு (வெப்ப நிலை) அதிகமானால், ஃபோனானின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும். ஒளியை ஃபோடான் என்றும் சொல்லலாம். அலை என்றும் சொல்லலாம். (உதாரணமாக, நம் கண்ணுக்கு 400 nm முதல் 700 nm வரை அலை நீளம் உள்ள அலைகளே தெரியும். அதற்கு மேல் உள்ளது அகச் சிவப்பு கதிர், கீழே உள்ளது புற ஊதா கதிர் என்று எல்லாம் சொல்கிறோம். அப்போது ஒளியை அலையாகவே கருதி பேசுகிறோம்).
எந்த பொருளையும் துகள் (அல்லது பொருள்) என்றும் கருதலாம். அதே சமயம் அலை என்றும் கருதலாம் என்பது குவாண்டம் இயற்பியலில் ஒரு முக்கிய கோட்பாடு. இந்த கண்ணோட்டத்தில் பார்த்தால், அதிக வெப்ப நிலையில் நிறைய ஃபோனான்கள் இருக்கும். எலக்ட்ரான் இந்த போனானுடன் மோதும். அதனால் அது ஒரு கம்பியின் ஒரு மூலையிலிருந்து இன்னொரு மூலைக்கு போக அதிக நேரம் ஆகும். வெப்ப நிலை குறைவாக இருக்கும் பொழுது, போனானுடன் மோத வாய்ப்பு குறைவு. எனவே மின் கடத்தியில் குறைந்த வெப்ப நிலையில் குறைந்த மின் தடை இருக்கும்.
Subscribe to:
Posts (Atom)
