আজকে আমরা ডায়োড : p-n জাংশনের বৈশিষ্ট্য লেখ সম্পর্কে আলোচনা করবো। যা বাউবি এইচএসসি ২৮৭১ পদার্থ বিজ্ঞান ২য় পত্র ইউনিট ১০ ইলেকট্রনিক্স এর অন্তর্ভুক্ত।

Table of Contents

ডায়োড : p-n জাংশনের বৈশিষ্ট্য লেখ

অর্ধপরিবাহী ডায়োড বা জাংশন ডায়োড

একটি p-টাইপ অর্ধপরিবাহী ও একটি n-টাইপ অর্ধপরিবাহীকে বিশেষ প্রক্রিয়ায় পরস্পরের সাথে সংযুক্ত করা হলে সংযোগ পৃষ্ঠকে তথা সৃষ্ট ব্যবস্থাকে pn জাংশন বা জাংশন ডায়োড বলে । দুটি অর্ধপরিবাহী সমন্বয়ে গঠিত বলে একে অর্ধপরিবাহী ডায়োডও বলে [চিত্র(ক) ] ।

প্রকৃতপক্ষে দুটি অর্ধপরিবাহীকে জোড়া লাগিয়ে ডায়োড তৈরি করা হয় না। বাড়বে একটি বিশুদ্ধ অর্ধপরিবাহী কেলাসের এক অর্ধাংশে ত্রিযোজী অপদ্রব্য এবং অপর অর্ধাংশে পঞ্চযোজী অপদ্রব্য বিশেষ প্রক্রিয়ায় মিশিয়ে p-n জাংশন তৈরি করা হয় ।

আমরা জানি, একটি p-টাইপ অর্ধপরিবাহীর অভ্যন্ড্ররে বহুসংখ্যক হোল ও অতি অল্প সংখ্যক ইলেকট্রন থাকে। একইভাবে একটি n -টাইপ অর্ধপরিবাহীতে বহুসংখ্যক মুক্ত ইলেকট্রন এবং অতি অল্পসংখ্যক হোল বর্তমান থাকে। p-n জাংশন তৈরির সাথে সাথে p-অঞ্চলের হোলের সংখ্যা -অঞ্চলের হোলের সংখ্যার চেয়ে অনেক বেশি বলে ব্যাপনের নিয়ম অনুযায়ী p- অঞ্চলের হোলগুলো n-অঞ্চলে যেতে চেষ্টা করে যাতে p ও n অঞ্চলের সর্বত্র হোলের ঘনত্ব সমান হয়। অনুরূপভাবে – অঞ্চল থেকে কিছু ইলেকট্রন p-অঞ্চলে যেতে চেষ্টা করে ।

অর্থাৎ ডায়োডের জাংশনে মুক্ত হোল এবং মুক্ত ইলেকট্রন উভয়েই ব্যাপন ক্রিয়ার মাধ্যমে সংযোগস্থলকে অতিক্রম করতে চায়।

যখন p-অঞ্চল হতে কিছুসংখ্যক হোল -অঞ্চলে প্রবেশ করে মুক্ত ইলেকট্রনের সাথে মিলিত হয়ে তড়িৎ নিরপেক্ষ হয়, তখন -অঞ্চলে সমসংখ্যক ধনাত্বক দাতা আয়ন উন্মুক্ত হয়। আবার -অঞ্চল হতে একই প্রক্রিয়ায় মুক্ত ইলেকট্রনগুলো যখন p-অঞ্চলে প্রবেশ করে হোলের সাথে মিলিত হয়ে তড়িৎ নিরপেক্ষ হয় তখন p-অঞ্চলে সমসংখ্যক ঋণাত্মক গ্রাহক আয়ন উন্মুক্ত হয়। ফলে জাংশনের সন্নিকটে p-অঞ্চলে কিছু ঋণাত্মক আয়ন এবং n অঞ্চলে কিছু ধনাত্মক আয়নের উদ্ভব ঘটে [চিত্র ক ]।

এভাবে যখন যথেষ্ট সংখ্যক গ্রাহক ও দাতা আয়ন উন্মুক্ত হয়, তখন ব্যাপন প্রক্রিয়া বাঁধাগ্র হবে। এখন -অঞ্চলের ধনাত্মক আধান p-অঞ্চল থেকে হোলের আগমন এবং p-অঞ্চলের ঋণাত্মক আধান – অঞ্চল থেকে ইলেকট্রনের আগমনকে বাঁধা দেবে। ফলে সংযোগস্থলে একটি বিভব প্রাচীর গড়ে ওঠে যা বিভব বাঁধা /% এর সৃষ্টি করবে। এই বিভব বাঁধার পরিমাণ 0.1 – 0.3V হয়ে থাকে। এই বিভব বাঁধার বাইরে জাংশানের উভয় পাশে কেলাস তড়িৎ নিরপেক্ষ অবস্থায় থাকে।

p-n জাংশনের বিভব বাঁধা অংশে / অঞ্চলে ধনাত্মক আয়ন এবং p-অঞ্চলে ঋণাত্মক আয়ন উন্মুক্ত হয়। এ অঞ্চলে কোনো মুক্ত আধান বাহক থাকে না। এ অংশকে নিঃশেষিত র্ বা ডিপেন্টশন র (Depletion layer) বলে। ১০.১০ (খ) চিত্রে জাংশন ডায়োডের প্রতীক দেখানো হয়েছে। তীর চিহ্ন দ্বারা p-অঞ্চলে তথা প্রচলিত প্রবাহের দিক এবং তীরটির p-n সামনের উলণ্ঢম্ব রেখা দ্বারা 12 – অঞ্চল বোঝানো হয় ।

অর্ধপরিবাহী ডায়োডের বায়াসিং
Biasing of Semiconductor Diode

একটি p-n জাংশনে বাহ্যিক ভোল্টেজ বা বিভব পার্থক্য প্রয়োগ করা হলে তড়িৎ প্রবাহের সৃষ্টি হয়। এটি নির্ভর করে p-n জাংশনে বিভব পার্থক্য কীভাবে প্রয়োগ করা হয়, তার ওপর। একটি p-n জাংশনকে দুই ভাবে বায়াসিং বা ঝোঁক প্রদান করা যায়। এগুলো হলো-

১। সম্মুখী ঝোঁক (Forward Bias)

২। বিমুখী ঝোঁক (Reverse Bias)

১। সম্মুখী ঝোঁক :

যখন p-1 জাংশনে বহিঃস্থ ভোল্টেজ এমনভাবে প্রয়োগ করা হয় যার ফলে এটি বিভব প্রাচীরকে হ্রাস করে বা নিষ্ক্রিয় করে তড়িৎপ্রবাহ চালু করে তখন একে সম্মুখী ঝোঁক বলা হয়।

বহিঃস্থ ভোল্টেজ যদি p-n জাংশনে এমনভাবে প্রয়োগ করা হয় যে, কোষের ধনাত্মক প্রাক্ড p-টাইপ অর্ধপরিবাহীর সাথে এবং ঋণাত্মক প্রার্ল্ড -টাইপ অর্ধপরিবাহী সাথে সংযুক্ত করা হয় তাহলে তাকে সম্মুখী ঝোঁক বলে [চিত্র]।

এক্ষেত্রে কোষের ধনাত্মক প্রাp-অঞ্চলের হোলগুলোকে বিকর্ষণ করে জাংশনের দিকে এবং ঋণাত্মক প্রাড় – অঞ্চলের ইলেকট্রনগুলোকে বিকর্ষণ করে সংযোগের দিকে পাঠাবে। জাংশনে সম্মুখী ঝোঁক প্রয়োগ করার ফলে সৃষ্ট তড়িৎক্ষেত্র বিভব প্রাচীরের জন্য যে তড়িৎক্ষেত্রের সৃষ্টি হয় তার বিপরীতে ক্রিয়া করে। ফলে লব্ধি তড়িৎক্ষেত্রের মান কমে যায় এবং বিভব প্রাচীরের উচ্চতা হ্রাস পায়।

ফলে n অঞ্চল থেকে ইলেকট্রন p-অঞ্চলে এবং p-অঞ্চল থেকে হোল -অঞ্চলে প্রবাহিত হয়। যেহেতু বিভব প্রাচীর এর ভোল্টেজ খুব কম (0.10.3 V), যেহেতু সামান্য সম্মুখী ভোল্টেজ প্রয়োগ করলেই বিভব প্রাচীর সম্পূর্ণরূপে অপসারিত হয়। যখন সম্মুখী ঝোঁক দ্বারা বিভব প্রাচীর অপসারিত হয়, জাংশনের রোধ তখন শূন্যে নেমে আসে। তখন p-n জাংশানে ও বহিঃস্থ বর্তনীতে তড়িৎ প্রবাহের সৃষ্টি হয়। এই প্রবাহকে সম্মুখী প্রবাহ বলে। আর এই ধরনের সংযোগকে বলা হয় সম্মুখী ঝোঁক ।

২। বিমুখী ঝোঁক :

যখন p-n জাংশনে বহিঃস্থ ভোল্টেজ এমনভাবে প্রয়োগ করা হয়, যার ফলে বিভব প্রাচীর-এর উচ্চতা বৃদ্ধি পায়, তখন একে বিমুখী ঝোঁক বলা হয়।

বহিঃস্থ ভোল্টেজ যদি p-n জাংশনে বিপরীত অভিমুখে প্রয়োগ করা হয় অর্থাৎ কোষের ধনাত্মক প্রার্ল্ড যদি n-টাইপ এবং ঋণাত্মক প্রাড্ যদি p-টাইপ বস্তুর সাথে সংযুক্ত করা হয় তাহলে তাকে বিমুখী ঝোঁক বলে [চিত্র ]। এক্ষেত্রে কোষের ধনাত্মক প্রান্ডের আকর্ষনের ফলে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো -টাইপ বস্তুতেই থেকে যাবে। জাংশন পার হয়ে কিছুতেই p-টাইপ বস্তুতে যেতে পারবে না। আবার p-টাইপ বস্তুর হোলগুলো কোষের ঋণাত্মক প্রান্ড্রের আকর্ষণের ফলে p-টাইপ বস্তুতেই থেকে যাবে।

ফলে বিভব প্রাচীর তথা ডিপেন্টশন ড়রের প্রশড়তা বৃদ্ধি পাবে। ফলে, -অঞ্চলের ইলেকট্রন এবং p-অঞ্চলের হোলগুলো বিভব প্রাচীর অতিক্রম করে বিপরীত অঞ্চলে যেতে পারে না। এজন্য বর্তনীতে সংখ্যাগরিষ্ঠ আধান বাহকের জন্য কোনো তড়িৎ প্রবাহ থাকে না। এ ধরনের সংযোগকে বলা হয় বিমুখী ঝোঁক।

একটি কথা বিশেষভাবে মনে রাখতে হবে যে, তাপীয় উত্তেজনার ফলে p-টাইপ এবং n-টাইপ বস্তুতে খুব স্বল্প সংখ্যক হোল-ইলেকট্রন জোড়ের সৃষ্টি হয়। ফলে সংখ্যা লঘিষ্ঠ আধান বাহকের জন্য খুব অল্পমানের (কয়েক μA মানের) প্রবাহ বর্তনীতে প্রবাহিত হয় ।

উপরিউক্ত আলোচনা হতে বোঝা যায় যে, p- জাংশনে সম্মুখী ঝোঁকের বেলায় তড়িৎ প্রবাহ থাকে। কিন্তু বিমুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রে তড়িৎ প্রবাহ থাকে না। এজন্য p- জাংশনকে তড়িৎ একমুখীকরণের জন্য বা রেকটিফায়ার হিসেবে ব্যবহার করা হয় ।

p-n জাংশনের বৈশিষ্ট্য লেখ
Characteristic Curve of a p-n Junction

একটি p-n জাংশনের দুইপ্রান্ড্ েভোল্টেজ বা বিভব পার্থক্য প্রয়োগ করলে এর মধ্য দিয়ে তড়িৎ প্রবাহ পাওয়া যায়। ভোল্টেজ পরিবর্তনের সাথে এর তড়িৎপ্রবাহের যে পরিবর্তন ঘটে তা লেখচিত্রের মাধ্যমে উপস্থাপন করা যায়। V বনাম I লেখকে p-n জাংশনের বা অর্ধপরিবাহী ডাযোডের বৈশিষ্ট্য লেখ বা I-V লেখচিত্র বলা হয় ।

একটি p-n জাংশনের বৈশিষ্ট্য লেখ অঙ্কন করার জন্য সম্মুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রে ক চিত্রের ন্যায় একটি বর্তনী ব্যবহার করা হয়। বর্তনীতে রয়েছে একটি জাংশন ডায়োড, তড়িৎপ্রবাহ মাপার জন্য একটি মিলি আমিটার বিভব পার্থক্য মাপার জন্য একটি ভোল্টমিটার, একটি ব্যাটারি চাবি ইত্যাদি। পরিবর্তনশীল রোধ Rh এর মাধ্যমে জাংশনের দুই প্রান্ড্রের বায়াসিং ভোল্টেজ এর মান হ্রাস-বৃদ্ধি করা হয়। প্রযুক্ত ভোল্টেজ (I) কে X-অক্ষের দিকে এবং তড়িৎ প্রবাহমাত্রা (I) কে Y-অক্ষ বরাবর স্থাপন করলে চিত্র (গ)-এর ন্যায় লেখচিত্র পাওয়া যাবে।

সম্মুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রে :

লেখচিত্র হতে দেখা যায় যে, সম্মুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রে প্রথম দিকে ভোল্টেজের মান খুব কম হলে প্রবাহমাত্রার মান খুব ধীরে ধীরে বৃদ্ধি পায় এবং লেখটি সরলরৈখিক নয়। এক্ষেত্রে বাহ্যিক যে ভোল্টেজ এ প্রয়োগ করা হয় তা জাংশনের বিভব প্রাচীর অতিক্রম করতে ব্যয়িত হয়। প্রযুক্ত ভোল্টেজের মান একটি নির্দিষ্ট মান অতিক্রম করার পর তড়িৎ প্রবাহ দ্র“ত সূচকীয়ভাবে বৃদ্ধি পেতে থাকে ।

ডায়োডের এই নির্দিষ্ট ভোল্টেজকে প্রারম্ভিক বা সূচন ভোল্টেজ (Threshold Voltage) বা নী ভোল্টেজ বলে। সিলিকন ডায়োডের জন্য এই ভোল্টেজের মান 0.7V এবং জার্মেনিয়াম এর ক্ষেত্রে এই মান 0.3V । যখন বাহ্যিক প্ৰযুক্ত ভোল্টেজ বিভব প্রাচীরের ভোল্টেজকে অতিক্রম করে তখন p-1 জাংশন একটি সাধারণ পরিবাহীর ন্যায় আচরণ করে।

বিমুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রে :

বিমুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রে p-n জাংশনের p-টাইপ এবং n-টাইপ বস্তুকে ব্যাটারির যথাক্রমে ঋণাত্মক এবং ধনাত্মক প্রাড়ের সাথে চিত্র ১০.১৩(গ)-এর সংযুক্ত করা হয়। বিমুখী ঝোকের ক্ষেত্রে জাংশনের বিভব প্রাচীরের উচ্চতা বহুলাংশে বৃদ্ধি পায়। ফলে জাংশনের রোধ অনেক বেড়ে যায় এবং বাড়বে বর্তনীতে কোনো প্রবাহ হওয়ার কথা নয়। কিন্তু বাড়বে, বিমুখী ঝোঁকের ক্ষেত্রেও বর্তনীতে খুব অল্প মানের তড়িৎ (মাইক্রো অ্যাম্পিয়ার ক্রমের) প্রবাহিত হয়। এই প্রবাহকে বিমুখী প্রবাহ বলে।

আমরা জানি p-টাইপ বস্তুতে খুব অল্প সংখ্যক ইলেকট্রন এবং n-টাইপ বস্তুতে খুব অল্প সংখ্যক হোল থাকে। এই ইলেকট্রন এবং হোল উভয়ক্ষেত্রে লঘিষ্ঠ আধান বাহক হিসেবে কাজ করে। এদের জন্যই বিমুখী ঝোঁকে খুব অল্প মানের তড়িৎ প্রবাহ পাওয়া যায়, কেননা এই লঘিষ্ঠ আধান বাহকের জন্য বিমুখী ঝোঁক সম্মুখী ঝোঁক -এর কাজ করে। বিমুখী ঝোঁকে প্রযুক্ত ভোল্টেজ বৃদ্ধি করা হলেও বিমুখী প্রবাহ দ্র“ত সামান্য বৃদ্ধি পেয়ে একটি সম্পৃক্ত মানে পৌঁছে। এই প্রবাহকে বিমুখী সম্পৃক্ত প্রবাহ (Reverse Saturation current) বা লিকেজ প্রবাহ (leakge current) বলে ।

p-n জাংশনের বিমুখী ঝোঁকে যদি ভোল্টেজকে ক্রমান্বয়ে বৃদ্ধি করা হয়, তখন এক সময় হঠাৎ করে বিপুল পরিমান তড়িৎ প্রবাহ পাওয়া যায় (চিত্রের ভগ্নরেখা)। যেন মনে হয় p-n জাংশনের বিভব প্রাচীর বা রোধ একেবারে বিলুপ্ত হয়ে গেছে। বিমুখী ঝোঁকের যে উচ্চ ভোল্টেজের জন্য এমনটি ঘটে তাকে জেনার ভোল্টেজ বা জেনার বিভব বা বিনাশী ভোল্টেজ বলে। 1934 সালে বিজ্ঞানী জেনার কর্তৃক আবিষ্কৃত ডায়োডের এ ক্রিয়াকে জেনার ক্রিয়া বলে ।

গতীয় রোধ : (Dynamic Resistance)

একটি p – n জংশনে সম্মুখী ঝোঁক প্রয়োগ করা হলে, বিভব পার্থক্য সামান্য বৃদ্ধি করলে জংশনে তড়িৎ প্রবাহ অনেক বৃদ্ধি পায়। অর্থাৎ তড়িৎ প্রবাহের পরিবর্তন অনেক বেশি হয়। আবার বিমুখী ঝোঁক থাকা অবস্থায় বিভব পার্থক্যের অনেক বৃদ্ধির ফলেও প্রবাহমাত্রার পরিবর্তন খুব সামান্য হয়। সুতরাং সম্মুখী ঝোঁক প্রয়োগের সময় p-n জংশনের রোধ খুব কম হয়। এ রোধকে গতীয় রোধ বলে। গতীয় রোধের নিম্নোক্ত সংজ্ঞা দেয়া যায়।

কোনো p- n জংশনে প্রযুক্ত বিভব পার্থক্যের সামান্য পরিবর্তন ΔV এবং এর জন্য আনুষঙ্গিক তড়িৎ প্রবাহমাত্রার সামান্য পরিবর্তন ΔI এর অনুপাতকে গতীয় রোধ বা এসি রোধ বলে । সুতরাং গতীয় রোধ,

R = ΔV/ ΔΙ

এখানে, ΔV = জংশনে প্রযুক্ত বিভব পাথকের ক্ষুদ্র পরিবর্তন

ΔΙ = জংশন প্রবাহের ক্ষুদ্র পরিবর্তন।

গাণিতিক উদাহরণ ১ :

একটি সিলিকনের তৈরি p-n জংশনের V-I লেখ হতে নিচের তথ্যগুলো পাওয়া গেল। সম্মুখী ঝোঁকে,

যখন V = 0.7 V, তখন I = 10 mA য

খন V = 0.8 V, তখন I = 20 mA

জংশনটির গতীয় রোধ কত?

এখানে,

বিভব পার্থক্যের পরিবর্তন, ΔV = 0.8-0.7

= 0.1 V

প্রবাহমাত্রার পরিবর্তন, ΔΙ = 20-10

= 10mA

= 10 × 103 A

গতীয় রোধ, R = ?

আমরা জানি, গতীয় রোধ,

R = ΔV/ ΔΙ

= 0.1/ 10 × 10-3

= 10 ওহম

গতীয় রোধ, R = 10ওহম

উ: 1052

সার-সংক্ষেপ :

জাংশান ডায়োড :

একটি p-টাইপ অর্ধপরিবাহী ও একটি n-টাইপ অর্ধপরিবাহীকে বিশেষ প্রক্রিয়ায় পরস্পরের সাথে সংযুক্ত করা হলে সংযোগ পৃষ্ঠকে তথা সৃষ্ট ব্যবস্থাকে p-n জাংশান বা জাংশান ডায়োড বলে। দুটি অর্ধপরিবাহী সমন্বয়ে গঠিত বলে একে অর্ধপরিবাহী ডায়োডও বলে ।

সম্মুখী ঝোঁক ঃ

বিমুখী ঝোঁক :

যখন p- জাংশনে বহিঃস্থ ভোল্টেজ এমনভাবে প্রয়োগ করা হয়, যার ফলে বিভব প্রাচীর-এর উচ্চতা বৃদ্ধি পায়, তখন একে বিমুখী ঝোঁক বলা হয় ।

নী ভোল্টেজ :

প্রযুক্ত ভোল্টেজের মান একটি নির্দিষ্ট মান অতিক্রম করার পর তড়িৎ প্রবাহ দ্র“ত সূচকীয়ভাবে বৃদ্ধি পেতে থাকে। ডায়োডের এই নির্দিষ্ট ভোল্টেজকে প্রারম্ভিক বা সূচন ভোল্টেজ (Threshold Voltage) বা নী ভোল্টেজ বলে।

গতীয় রোধ :

কোনো p-n জংশনে প্রযুক্ত বিভব পার্থক্যের সামান্য পরিবর্তন ΔV এবং এর জন্য আনুষঙ্গিক তড়িৎ প্রবাহমাত্রার সামান্য পরিবর্তন ΔI এর অনুপাতকে গতীয় রোধ বলে ।

বহুনির্বাচনী প্রশ্ন :

সঠিক উত্তরের পাশে টিক (√) চিহ্ন দিন

১। p-n জাংশনের সংযোগস্থলে ডিপেন্টশন সৃষ্টির কারণ-

(ক) আধান বাহকের ব্যাপন

(খ) ইলেকট্রনের তাড়ন (Drift)

(গ) হোলের তাড়ন

(ঘ) অপদ্রব্য আয়নের স্থানড়র

২। সিলিকন ডায়োডের ক্ষেত্রে নী (Knee) ভোন্টেজ হলো-

(ক) 0.2 V

(খ) 0.7V

(গ) 0.8 V

(ঘ) 1.0 V