পি–এন সংযোগ

একটি সিলিকন পি-এন সংযোগ যেখানে কোন বিভব প্রয়োগ হয়নি

একটি পি–এন সংযোগ গঠন করা হয় পি-ধরনের অর্ধপরিবাহী এবং এন-ধরনের অর্ধপরিবাহী খুবই কাছাকাছি একসাথে মিশিয়ে। সংযোগ শব্দটা বোঝায় একটা আবদ্ধ স্থান যেখানে ২টি অর্ধপরিবাহী নিজ নিজ স্থান মিলিত হয়।যদি তারা ২টি বিচ্ছিন্ন টুকরার মাধ্যমে গঠিত হয়, এটা একটা গ্রেইন অঞ্চলের সূচনা করে, এজন্য পি-এন সংযোগগুলো সৃষ্টি হয় একটি অর্ধপরিবাহীর একক ক্রিস্টালে ডোপিং-এর মাধ্যমে, উদাহরণ স্বরূপ আয়নের ধারণা, ডোপেন্টের ব্যাপন, বা এপিট্যাক্সি দিয়ে(ক্রিস্টালের একটি স্তর সৃষ্টি করা যা ডোপড থাকে এক প্রকারের ডোপেন্ট দিয়ে যা একটি অন্য জাতের ডোপেন্ট দিয়ে ডোপড ক্রিস্টালের স্তরের ওপরে থাকে)।

পি-এন সংযোগ হলো প্রাথমিক প্রায় সবজাতের অর্ধপরিবাহী যন্ত্রের গঠনের ব্লক যেমন ডায়োড, ট্রানজিস্টর, সৌর কোষ, লেড এবং ইন্টিগ্রেটেড বর্তনী; এগুলো হলো সক্রিয় অঞ্চল যেখানে যন্ত্রের ইলেকট্রনিক কর্মকান্ড অনুষ্ঠিত হয়।উদাহরণস্বরূপ, একটি সাধারণ ধরনের ট্রানজিস্টর, বাইপোলার সংযোগ ট্রানজিস্টর, যেখানে ২টি পি-এন সংযোগ সিরিজে থাকে,এই ভাবে এন–পি–এন বা পি-এন-পি।

পি-এন সংযোগের আবিষ্কার হয়েছে বেল গবেষণাগারের আমেরিকান পদার্থবিজ্ঞানী রাসেল ওহলের মাধ্যমে

শচোট্টকি সংযোগ একটি বিশেষ প্রকারের পি-এন সংযোগ, যেখানে ধাতু এন-ধরনের অর্ধপরিবাহীর কাজ করে থাকে।

প্রস্তুত প্রণালী

সাধারণত , পি-এন সংযোগ একটি একক ক্রিস্টাল থেকে প্রস্তুত করা হয় যেখানে বিভিন্ন ডোপেন্টের ঘনত্ব ব্যাপিত হয় এর মধ্য দিয়ে।২টি ভিন্ন পদার্থের টুকরা থেকে একটি অর্ধপরিবাহী তৈরিতে করার সময় একটি গ্রেইন অঞ্চল সৃষ্টি করে অর্ধপরিবাহীগুলোর মধ্যে যা ভীষণভাবে এর উপযোগিতা সংযত রাখে ইলেকট্রন ও হোলগুলোকে বিচ্ছিন্ন করে দিয়ে।যাইহোক, সৌর কোষের ক্ষেত্রে , পলিক্রিস্টালাইন সিলিকন প্রায়ই ব্যবহৃত হয় খরচ কমাতে, এর নিম্ন কর্মদক্ষতা সত্ত্বেও।

পি-এন সংযোগের বৈশিষ্ট্য

পি-এন সংযোগ কিছু আগ্রহ উদ্দীপক বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে যার উপকারী প্রয়োগ আছে আধুনিক ইলেকট্রনিক্সে।একটি পি-ডোপড অর্ধপরিবাহী ভালো পরিবাহী। একই ব্যাপারটা সত্য একটি এন-ডোপড অর্ধপরিবাহীর জন্যও, কিন্তু এদের মধ্যকার সংযোগটি চার্জের বাহক বিহীন হতে পারে, এবং যেহেতু অপরিবাহিতা নির্ভর করে দুইটি অর্ধপরিবাহী অঞ্চলের মাঝের বিভব পার্থক্যের ওপর। এই অপরিবাহী অঞ্চলকে সঞ্চালন করে, পি-এন সংযোগ সাধারণত ডায়োড হিসেবে ব্যবহৃত হয়ে থাকে: বর্তনীর উপাদানগুলো যা একটি নির্দিষ্ট দিকে বিদ্যুৎ প্রবাহের অনুমোদন দিলেও অন্য বিপরীত দিকে প্রবাহের অনুমোদন দেয় না। এই বৈশিষ্ট্য সম্মুখ ঝোঁকের এবং বিপরীত ঝোঁকের মাধ্যমে ব্যাখা করা যায়, যেখানে ঝোঁক শব্দটি পি-এন সংযোগে একটি বৈদ্যুতিক বিভবের প্রয়োগ হিসেবে দেখা যায়।

সাম্যবস্থা (শূণ্য ঝোঁক)

পি-এন সংযোগে, কোন বহিঃস্থ প্রয়োগ করা বিভব ছাড়া, একয়ি সাম্যবস্থার পরিস্থিতি এমন অবস্থাতে পৌছায় যে বিভব পার্থক্য সৃষ্টি হয় সংযোগস্থলে আড়াআড়িভাবে । এই বিভব পার্থক্যকে বলে বিল্ড ইন বিভব $V_{\rm {bi}}$।

পি-ধরনের ও এন-ধরনের অর্ধপরিবাহীর সংযোগের পরে, পি-এন সংযোগ স্থলের কাছে অবস্থিত ইলেকট্রন পি-অঞ্চলে ব্যাপিত হতে চায়।ইলেকট্রনের ব্যাপনের সময়, তারা ত্যাগ করে ধনাত্নক ভাবে চার্জিত আয়ন এন অঞ্চলের ডোনার। একইভাবে, পি-এন অঞ্চলের কাছের হোল এন-ধরনের অঞ্চলে ব্যাপিত হতে থাকে নির্দিষ্ট সংখ্যক আয়ন যা হলো ঋণাত্নক চার্জের গ্রহীতা বা অ্যাকসেপ্টর ত্যাগ করে।পি-এন অঞ্চলের কাছের অঞ্চল তাদের নিরপেক্ষতা হারায় এবং চার্জিত হয়ে পড়ে, তৈরি করে স্পেস চার্জ রিজিওন বা ডিপ্লিশন স্তর (দেখুন চিত্র A).

চিত্র A একটি পি-এন সংযোগ তাপীয় সাম্যবস্থাতে যেখানে শূণ্য ঝোঁকের বিভব প্রয়োগ করা হয়েছে।ইলেকট্রন ও হোলের ঘনত্বকে নীল ও লাল দাগের মাধ্যমে চিহ্নিত করা হয়েছে।ধূসর রংযের অঞ্চল হলো চার্জ নিরপেক্ষ।হালকা লাল অঞ্চল হলো ধনাত্নক চার্জে চার্জিত।হালকা নীল রং্যের অঞ্চল হলো ঋণাত্নক ভাবে চার্জিত।তড়িত ক্ষেত্রকে নীচে প্রদর্শন করা হয়েছে,ইলেকট্রন ও হোলের স্থির তড়িচ্চালক বল এবং দিক যেটাতে ব্যাপন ইলেকট্রন ও হোলকে সরাতে চায়

স্পেস চার্জ অঞ্চলের মাধ্যমে সৃষ্ট বিদ্যুত ক্ষেত্র ব্যাপন প্রক্রিয়াকে বাধা দেয় ইলেকট্রন এবং হোল উভয়ের জন্যই।এখানে ২টি পরপর সংঘটিত হওয়ার মতো ঘটনা আছে: ব্যাপন প্রক্রিয়া যা অধিক স্পেস চার্জ তৈরি করতে চায়, এবং স্পেস চার্জ দিয়ে তৈরী বিদ্যুত ক্ষেত্র যা ব্যাপনের বিপরীতে কাজ করে।সাম্যবস্থাতে বাহকের ঘনত্বের প্রক্রিয়া দেখানো হয়েছে চিত্র Aতে নীল ও লাল দাগ দিয়ে। আরো দেখানো হয়েছে দুইটি বিপরীত ভারসাম্যের ঘটনা যা সাম্যবস্থা ঘটায়।

চিত্র Bএকটি পি-এন সংযোগ তাপীয় সাম্যবস্থাতে যেখানে শূণ্য ঝোঁকের বিভব প্রয়োগ করা হয়েছে।এই সংযোগের নীচে,চার্জ ঘনত্ব, তড়িত ক্ষেত্র এবং বিভবগুলো দেখা যাচ্ছে

স্থির তড়িত

একটি পি-এন সংযোগের জন্য পয়জনের সমীকরণ হয়

$\Delta \varphi =-{\frac {\rho }{\varepsilon }}={\frac {q}{\varepsilon }}\left(\underbrace {{{n}_{0}}-{{p}_{0}}} _{\begin{smallmatrix}{\text{equilibrium concentration}}\\{\text{difference of free charges (}}\approx {\text{0)}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {{{N}_{A}}-{{N}_{D}}} _{\begin{smallmatrix}{\text{concentration difference}}\\{\text{of acceptor and donor atoms}}\end{smallmatrix}}\right)$

যেখানে $\varphi$ হলো বৈদ্যুতিক বিভব, $\rho$ হলো চার্জ ঘনত্ব, $\varepsilon$ হলো প্রবেশ্যতা এবং $q$ হলো ইলেকট্রন চার্জের মান। যেহেতু মোট চার্জ ডিপ্লিশন অঞ্চলের উভয় দিকেই বাদ পড়ে যায়, তাই $\underbrace {{d}_{p}} _{\begin{smallmatrix}{\text{width of }}\\{\text{electric field}}\\{\text{within p-side}}\end{smallmatrix}}{{N}_{A}}=\underbrace {{d}_{n}} _{\begin{smallmatrix}{\text{width of }}\\{\text{electric field}}\\{\text{within n-side}}\end{smallmatrix}}{{N}_{D}}$

এই ওপরের সমীকরণ থেকে এবং প্রাথমিক ক্যালকুলাস প্রয়োগ করে এটা দেখানো যেতে পারে যে ডিপ্লিশন অঞ্চলের মোট প্রস্থ হলো

$d={{d}_{p}}+{{d}_{n}}={\sqrt {{\frac {2\varepsilon }{q}}{\frac {{{N}_{A}}+{{N}_{D}}}{{{N}_{A}}{{N}_{D}}}}\left(\underbrace {{V}_{bi}} _{\text{ built-in voltage}}-\underbrace {V} _{\begin{smallmatrix}{\text{external applied}}\\{\text{voltage}}\end{smallmatrix}}\right)}}$

আরো দেখা যায়, আইনস্টাইনের সম্পর্কের মাধ্যমে এবং এটা ধারণা করে অর্ধপরিবাহী অধঃপতিত হয়েছে (অর্থাৎ গুণফল ${{p}_{0}}{{n}_{0}}$ হলো ফার্মী শক্তি মুক্ত যা হলো

${{V}_{bi}}={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {{{N}_{A}}{{N}_{D}}}{{{p}_{0}}{{n}_{0}}}}\right)$

যেখানে $T$ হলো অর্ধপরিবাহীর তাপমাত্রা এবং $k$ হলো বোল্টজম্যানের ধ্রুবক।

আরো দেখুন

• ডায়োড এবং সংযোগ ডায়োড
• ট্রানজিস্টর
• সিমস
• সৌর কোষ

তথ্যসূত্র

• Olav Torheim, Elementary Physics of P-N Junctions, 2007.

বহিঃসংযোগ

• PN Junction Properties Calculator
• PN Junction Lab free to use on nanoHUB.org allows simulation and study of a P-N junction diode with different doping and materials. Users can calculate current-voltage (I-V) & capacitance-voltage (C-V) outputs, as well.
• Theory of P-N Diodes - Dr. Vasileska (2009)