எலக்ட்ரானியலின் பரிணாம வளர்ச்சி
நமது அன்றாட வாழ்வின் ஒரு பகுதியாக எலக்ட்ரானியல் அமைந்துள்ளது. அலைபேசிகள், கணினிகள், தொலைக்காட்சிகள், இசைக் கருவிகள் எலக்ட்ரானியல் தத்துவங்களின் அடிப்படையிலேயே செயல்படுகின்றன. அறை குளிரூட்டிகள், மைக்ரோ அலை சமையற்கலன்கள், பாத்திரங்களைத் தூய்மையாக்கும் இயந்திரங்கள் மற்றும் துணி துவைக்கும் இயந்திரங்களில் பல்வேறு செயல்பாடுகளைச் செய்ய எலக்ட்ரானியல் மின்சுற்றுகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. மேலும் தகவல்தொடர்பு அமைப்புகள், மருத்துவத்துறையில் நோய் கண்டுணரும் கருவிகள் மற்றும் சிகிச்சை அளிக்கும் கருவிகளில் பயன்படுவதோடு மட்டுமல்லாமல், பணமளிக்கும் தானியங்கி இயந்திரங்கள் (ATM) போன்ற பல்வேறுபட்ட துறைகளில் இதன் பயன்பாடு பரந்து விரிந்து காணப்படுகிறது.
எலக்ட்ரானியலின் வரலாறு 1897இல் J.A. பிளமிங் என்பவரின் வெற்றிட டையோடுகளின் கண்டுபிடிப்புடன் தொடங்கப்பட்டது. இதன் தொடர்ச்சியாக மின் சைகைகளைக் கட்டுப்படுத்த லீ டி ஃபாரஸ்ட் என்பவர் வெற்றிட டிரையோடுகளை வடிவமைத்தார். இவை நான்கு மற்றும் ஐந்து முனை வெற்றிடக்குழாய்களை உருவாக்கப் பயன்பட்டன.
இதனைத் தொடர்ந்து இருமுனை சந்தி டிரான்சிஸ்டர் 1948இல் பார்டீன், பிராட்டன் மற்றும் ஷாக்லி ஆகியோர் கண்டுபிடித்ததன் விளைவால் டிரான்சிஸ்டர் யுகம் தொடங்கியது. இதற்காக 1956இல் இவர்கள் நோபல் பரிசு பெற்றனர். ஜெர்மானியம் மற்றும் சிலிக்கான் குறைகடத்தி பொருள்களின் உருவாக்கம், இந்த டிரான்சிஸ்டரை மேலும் பிரபலமாக்கியதால், பல்வேறு எலக்ட்ரானியல் சுற்றுகளிலும் பயன்படுத்த முடிந்தது.
பிற்காலங்களில் குறைவான விலையும் அளவில் சிறியதுமான ஒற்றைப் படிகத்தில் ஒட்டுமொத்த எலக்ட்ரானியல் சுற்றுகளும் அமைக்கப்பட்ட தொகுப்புச் சுற்றுகள் (Integrated circuits) கண்டுபிடிக்கப்பட்டன. 1958இலிருந்து தொகுப்புச் சுற்றுகள், பல்லாயிரக்கணக்கான எலக்ட்ரானியல் கூறுகளை ஒரே படிகத்தில் அமைத்து சிறிய அளவு, நடுத்தர அளவு, அதிக அளவு, மற்றும் மிக அதிக அளவுகளில் உருவாக்கப்பட்டன. கணினிகளின் வடிவமைப்பைச் சிறப்பாக்கிய இலக்க தொகுப்புச்சுற்றுகள், இந்தத் தொழில்நுட்பத்தை மேலும் மெருகேற்றின. இந்த அனைத்து விதமான மாற்றங்களும் 1969இல் இண்டெல் நிறுவனம் நுண் செயலியை (micro processor) உருவாக்க வழி ஏற்படுத்தின. இந்த எலக்ட்ரானியல் புரட்சியானது, பிற்காலங்களில் கணினி தொழில்நுட்பம் முன்னேற வழிவகுத்தது. தற்போது உலகமானது, கண்களால் காணமுடியாத மிகச்சிறிய நானோ அளவிலுள்ள பொருள்களை நோக்கிச் செல்கிறது. இம்முறை கற்பனை செய்ய இயலாத அளவிற்குப் பொருள்களைச் சிறியதாக்க உதவியது. முதன் முதலில் கண்டுபிடிக்கப்பட்டபோது அறையின் அளவிற்கு இருந்த கணினி தற்போது மடிக்கணினி, உள்ளங்கை கணினி, ஐ பாட் முதலியனவாக மாறியுள்ளது. சிறிதுகாலத்திற்கு முன்பு, IBM நிறுவனம் அரிசி முனையின் அளவோடு ஒப்பிடத்தக்க அளவில் அதாவது ஒவ்வொரு பக்கமும் 0.33 மி.மீ அளவேயுள்ள மிகச்சிறிய கணினியை வெளியிட்டுள்ளது.
குறிப்பு: ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) J. பிரஸ்பர் ஏக்கர்ட் மற்றும் ஜான் மெக்காலி ஆகியோர்களால் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. இதன் வடிவமைப்பு 1943இல் தொடங்கி 1946இல் முடிவடைந்தது. இது 1800 சதுர அடி பரப்பளவில் அமைந்திருந்தது. இதில் 18,000 வெற்றிடக் குழாய்கள் இருந்தன மேலும் இது 50 டன் அளவிற்கு எடையைக் கொண்டிருந்தது.
எலக்ட்ரானியல் என்பது, டிரான்சிஸ்டர் மற்றும் நுண் படிகங்களைப் பயன்படுத்தி மின்சுற்றுகளை வடிவமைக்கும் தொழில்நுட்பத்தை உள்ளடக்கிய இயற்பியலின் ஒரு பிரிவு ஆகும். இது குறைக்கடத்திகளில் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் துளைகள், வெற்றிடம் மற்றும் வாயுக்களில் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் அயனிகளின் செயல் மற்றும் இயக்கத்தை விவரிக்கிறது. செயல்திறன் கூறுகளான டிரான்சிஸ்டர்கள், டையோடுகள், தொகுப்புச்சுற்றுகள் மற்றும் உணர்விகள், செயல்திறனற்ற கூறுகளான மின்தடைகள், மின்தூண்டிகள், மின்தேக்கிகள் மற்றும் மின்மாற்றிகளை உள்ளடக்கிய மின் சுற்றுகளைப்பற்றி எலக்ட்ரானியல் விளக்குகிறது.
இந்த அலகானது, குறைகடத்தி கருவிகளான p-n சந்தி டையோடுகள், இருமுனை சந்தி டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் லாஜிக் சுற்றுகளைப் பற்றி விவரிக்கிறது.
செயல்திறனற்ற கூறுகள்: ஒரு மின்சுற்றில் மின் திறனை உற்பத்தி செய்ய இயலாத கூறுகள். செயல்திறனுள்ள கூறுகள்: ஒரு மின்சுற்றில் மின் திறனை உற்பத்தி செய்யும் கூறுகள்.
திண்மங்களில் ஆற்றல் பட்டை படம்#
ஒரு தனித்த அணுவில், எலக்ட்ரான் ஆற்றல் மட்டங்கள் அதிக தொலைவில் பிரித்து வைக்கப்பட்டு, அதன் ஆற்றல் அணுக்கருவை அது சுற்றும் வட்டப்பாதையால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. எனினும், திண்மங்களில் அணுக்கள் நெருக்கமாக அமைந்துள்ளதால், அருகருகே உள்ள அணுக்களின் வெளிச்சுற்றுப்பாதை ஆற்றல் நிலைகளில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல்மட்டங்கள் ஒன்றையொன்று பாதிக்கின்றன. இதனால், திண்மங்களில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் இயக்கம் தனித்த அணுவில் உள்ளதை விடப் பெரிய அளவில் மாறுபட்டிருக்கும்.
ஒர் அணுவில் உள்ள இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் பிணைப்பின் இயலிற்குக் காரணமாக அமைகின்றன. வெளி சுற்றுப் பாதையில் ஒரு எலக்ட்ரானைக் கொண்ட ஒர் அணுவினைக் கருதுவோம். எனவே இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை ஒன்று ஆகும். இது போன்ற இரு அணுக்களை அருகருகே கொண்டு வரும்போது, ஒவ்வோர் அணுவின் இணைதிறன் சுற்றுப் பாதைகளும் இரண்டாகப் பிரியும். இந்த சுற்றுப் பாதைகளின் ஆற்றல் சமமாக இருப்பதால் இந்த இரு சுற்றுப் பாதைகளில் ஏதேனும் ஒன்றைத் தேர்ந்தெடுக்க எலக்ட்ரான்களுக்கு வாய்ப்பு உள்ளது. இந்த அமைப்பிற்கு மேலும் மூன்றாவது அணுவினைக் கொண்டிருந்தால், மூன்று அணுக்களின் இணைதிறன் சுற்றுப் பாதைகளும் எலக்ட்ரான் இல்லாத சுற்றுப் பாதைகளும் மூன்றாகப் பிரியும்.
இயல்பில், ஒரு திண்மமானது மில்லியன் கணக்கில் அணுக்களைக் கொண்டிருக்கும். இவை ஒன்றுக்கொன்று ஒருங்கமாக வரும் போது இணைதிறன் சுற்றுப் பாதைகளும், எலக்ட்ரான் இடம்பெறாத சுற்றுப் பாதைகளும் அணுக்களின் எண்ணிக்கைக்கு ஏற்ப பிரிக்கின்றன. இந்நிலையில் ஆற்றல் மட்டங்கள் மிக நெருக்கமாக அமைந்து ஒரு அணுவின் ஆற்றல் மட்டத்திலிருந்து மற்றொன்றின் ஆற்றல் மட்டத்தை வேறுபடுத்த முடியாத அளவிற்கு அவை பட்டையாக அமைவதை படம் 10.2 இல் காணலாம். மிக அதிக எண்ணிக்கையில் மிகக்குறைந்த ஆற்றல் நெடுக்கத்தால் நெருக்கமாக அமைந்த ஆற்றல் மட்டங்களின் இந்த பட்டைகள், ஆற்றல் பட்டைகள் எனப்படும்.
இணைதிறன் சுற்றுப்பாதைகளினால் உருவாக்கப்படும் ஆற்றல் பட்டை இணைதிறன் பட்டை (VB) (Valence Band) எனவும் எலக்ட்ரான்கள் இடம் பெறாமல், அவற்றின் ஆற்றல் அதிகரித்தால் மட்டும் தாவும் காலியான பட்டைகள், கடத்துப் பட்டை (CB) (Conduction Band) எனவும் அமைக்கப்படுகின்றன. இணைதிறன் பட்டைக்கும், கடத்து பட்டைக்கும் இடையேயுள்ள ஆற்றல் இடைவெளி, விலக்கப்பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி ($E_g$) (Forbidden Energy gap) எனப்படும்.
படம் 10.2(அ)இல் இணைதிறன் மற்றும் கடத்து பட்டைகளின் எளிய விளக்கப் படங்கள் காட்டப்படுகின்றன. $E_V$ என்றது இணைதிறன் பட்டையில் பெரும் ஆற்றலையும் $E_C$ என்பது கடத்துப் பட்டையில் சிறும ஆற்றலையும் குறிக்கின்றன. விலக்கப்பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி $E_g = E_C - E_V$ ஆகும். சுற்றி வரும் எலக்ட்ரான் மற்றும் அணுக்கரு இடையிலான கூலூம் கவர்ச்சி விசையானது, அவற்றின் இடையே உள்ள தூரத்திற்கு எதிர்த்தகவில் அமையும் என்பது நமக்குத் தெரியும். எனவே அணுக்கருவிற்கு அருகில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள், அணுக்கருவுடன் வலுவாகப் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. எனவே அணுக்கருவிற்கு அருகில் உள்ள எலக்ட்ரான்களைக் கிளர்ச்சியடையச் செய்ய அதிக ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது. இணைதிறன் பட்டையில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் அணுக்கருவுடன் தளர்வாகப் பிணைக்கப்பட்டிருப்பதால் அவை எளிதாகக் கிளர்ச்சியடையச் செய்யப்பட்டு கட்டுறா எலக்ட்ரான்களாகின்றன (Free electrons).
குறிப்பு: வட்டப்பாதையில் சுற்றும் எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல் எலக்ட்ரான் வோல்ட் (eV) என்ற அலகில் அளவிடப்படுகிறது.
பொருள்களின் வகைப்பாடு#
ஆற்றல் பட்டைப்படத்தின் உதவியுடன் திண்மங்கள் காப்பான்கள், கடத்திகள் மற்றும் குறைகடத்திகள் என வகைப்படுத்தப்படுவதை விவரிக்கலாம்.
i) காப்பான்கள்
காப்பான்களின் ஆற்றல் பட்டை அமைப்பு படம் 10.2 (ஆ)ல் காட்டப்பட்டுள்ளது. இணைதிறன் பட்டை மற்றும் கடத்து பட்டை ஆகியவை மிக அதிக அளவு ஆற்றல் இடைவெளியால் பிரிக்கப்பட்டுள்ளன. காப்பான்களில் விலக்கப்பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி தோராயமாக 6 eV ஆகும். இந்த ஆற்றல் இடைவெளி மிக அதிகமாக இருப்பதால் மிக வலிமையான மின்புலம் அல்லது வெப்பநிலை அதிகரிப்பினால் கூட எலக்ட்ரான்களால் இணைதிறன் பட்டையிலிருந்து கடத்துப் பட்டைக்கு நகர இயலாது. எனவே, இவ்வகைப் பொருள்களில் கடத்துவதற்கான கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் இல்லை என்பதால் மின்னோட்டம் பாய்வதற்கு வாய்ப்பு இல்லை, எனவே இவை காப்பான்கள் எனப்படும். இதன் மின்தடை எண்ணின் நெடுக்கம் $10^{11} \Omega m - 10^{19} \Omega m$ என அமையும்.
ii) கடத்திகள்
கடத்திகளில், இணைதிறன் பட்டை மற்றும் கடத்து பட்டைகள் ஒன்றன்மீது ஒன்று பொருந்தியிருக்கும். இது படம் 10.2 (இ)யில் காட்டப்பட்டுள்ளது. எனவே, கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் எளிதாக இணைதிறன் பட்டையிலிருந்து கடத்துப் பட்டைக்குச் செல்லும். இதன் விளைவாகக் கடத்துப் பட்டையில் மிக அதிக எண்ணிக்கையில் கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் இடம்பெறும். எனவே, மிகக் குறைந்த வெப்பநிலைகளிலும் மின் கடத்தல் நடைபெறும். கடத்திகளை மின்புலத்தில் வைக்கும்போது அது போதுமான ஆற்றலை எலக்ட்ரான்களுக்கு அளித்து அவற்றைக் குறிப்பிட்ட திசையில் இழுத்துச் செல்வதால் மின்னோட்டம் உருவாகிறது. கடத்திகளின் மின்தடை எண்ணின் மதிப்பு $10^{-2} \Omega m$ மற்றும் $10^{-8} \Omega m$ க்கு இடையே அமையும்.
iii) குறை கடத்திகள்
குறைகடத்திகளில், இணைதிறன் மற்றும் கடத்துப் படைகளுக்கிடைப்பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி குறுகியதாக ($E_g < 3eV$) இருக்கும் (படம் 10.2 (ஈ)).
குறிப்பிட்ட ஒரு வெப்பநிலையில், திண்மங்களில் வெப்ப அதிர்வானது அணுக்களுக்கிடைப்பட்ட சகப்பிணைப்பினை முறிக்கும். (சகப்பிணைப்பு என்பது எலக்ட்ரான் பகிர்வின் மூலம் நிலையான எலக்ட்ரான் அமைப்பைப் பெறுவதற்கான ஒரு பிணைப்பு முறையாகும்). இதனால் இணைதிறன் பட்டையிலிருந்து கடத்துப் பட்டைக்கு சில எலக்ட்ரான்கள் வெளியேற்றப்படுகின்றன. கட்டுறா எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை குறைவாக இருப்பதால் குறைகடத்திகளின் கடத்துதிறன் கடத்திகளைப்போல் அதிகமாக இருக்காது. குறைகடத்திகளின் மின்தடை எண்ணின் மதிப்பு $10^{-5} \Omega m$ மற்றும் $10^{-6} \Omega m$ க்கு இடையில் அமையும்.
குறிப்பு: குறைகடத்திகளில், இணைதிறன் பட்டையில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் பிணைக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்கள் என்பதால், அமைமின்கடத்தலுக்கு பயன்படாது.
குறைகடத்திகளின் வெப்பநிலையை மேலும் அதிகரிக்கும்போது கடத்துப் பட்டைக்கு அதிக எலக்ட்ரான்கள் உயர்த்தப்படுகின்றன. அவை மின் கடத்தலை அதிகரிக்கின்றன. எனவே, வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது மின்கடத்தலும் அதிகரிக்கும் எனக்கூறலாம் அல்லது வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது மின்தடை குறையும் எனவும் கூறலாம். எனவே, குறைகடத்தியானது எதிர்க்குறி மின்தடை வெப்பநிலை எண்ணைக் கொண்டுள்ளது. பொதுவாக பயன்படும் குறைகடத்திப் பொருள்களில் முக்கியமானவை சிலிக்கான் (Si) மற்றும் ஜெர்மானியம் (Ge) ஆகும். அறை வெப்பநிலையில் சிலிக்கான் மற்றும் ஜெர்மானியம் ஆகியவற்றின் விலக்கப்பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி மதிப்புகள் முறையே 1.1 eV மற்றும் 0.7 eV ஆகும்.