1️⃣1️⃣ தரம் 11 · அலகு 11

இலத்திரனியல்

Electronics

★★★☆☆ அரைக்கடத்திடயோட்டிரான்சிஸ்டர்தர்க்க வாயில்

உங்கள் கைப்பேசி, கணினி, தொலைக்காட்சி, வானொலி — இவை அனைத்தும் இலத்திரனியல் (electronics) கருவிகள். இவற்றுக்கு உள்ளே ஒரு ரகசியம் இருக்கின்றது: உலோகம் அல்ல, காவலி அல்ல — ஓரளவே மின்னோட்டத்தைக் கடத்தும் அரைக்கடத்தி (semiconductor) எனப்படும் சிலிக்கன் (Si) படிகம். ஒரு படிகத்தின் ஒரு பக்கத்தை மட்டும் சிறிது மாசூட்டி (dope), மறுபக்கத்தை வேறு விதமாக மாசூட்டினால் — ஒரே திசையில் மட்டும் மின்னோட்டத்தை அனுமதிக்கும் டயோட் (diode) கிடைக்கின்றது; மூன்று பகுதிகளாக அமைத்தால் — சிறு மின்னோட்டத்தைப் பெருக்கும், அல்லது மின்னியல் சுவிட்ச்சாக வேலை செய்யும் டிரான்சிஸ்டர் (transistor) கிடைக்கின்றது. இந்த இரு கூறுகளே நவீன இலத்திரனியலின் இதயம். இவ்வலகில் கடத்தி/காவலி/அரைக்கடத்தி வேறுபாடு, மாசூட்டல், டயோட், திருத்தம் (rectification), ஒளியுமிழ் டயோட் (LED), சூரியக் கலம், டிரான்சிஸ்டர் — எல்லாம் கற்போம்.

11.1 அறிமுகம் — கடத்திகள், காவலிகள், அரைக்கடத்திகள்

மின்சாரத்தைக் கடத்தும் சடப்பொருள்கள் மின் கடத்திகள் (electrical conductors) எனப்படும். தாமிரம் (copper), அலுமினியம், இரும்பு, ஈயம் — இவை கடத்திகள்; பித்தளை (brass), நிக்குரோம், மாங்கனின் போன்றவை கலப்புக் கடத்திகள். மாறாக மின்சாரத்தைக் கடத்தாத ebonite, பொலித்தீன், பிளாஸ்டிக், உலர்ந்த மரம், கண்ணாடி போன்றவை மின் காவலிகள் (electrical insulators) எனப்படும்.

கடத்தும் ஆற்றலுக்குக் காரணம் என்ன? கடத்திகளின் அணுக்களில் வெளிக் கூட்டில் உள்ள சில இலத்திரன்கள் அணுக்கருவுடன் இறுக்கமாகப் பிணைக்கப்படாததால் சுதந்திரமாக நகரக்கூடியவை. காவலிகளில் அணுக்களுக்கிடையேயான பிணைப்புகள் (covalent bonds) வலிமையாக இருப்பதால் சுதந்திரமாக நகரும் இலத்திரன்கள் மிகக் குறைவு.

வரையறை: அரைக்கடத்திகள் (semiconductors) — மிகச் சிறிதளவு மின்சாரத்தைக் கடத்தும் சடப்பொருள்கள். படிக வடிவிலுள்ள சிலிக்கன் (Si), ஜெர்மானியம் (Ge) இவ்வியல்பைக் காட்டுகின்றன.

Si, Ge ஆகியன தனிம அட்டவணையின் நான்காம் தொகுதி (Group IV) தனிமங்கள்; வெளிக் கூட்டில் நான்கு இலத்திரன்கள் உண்டு. அண்டை நான்கு அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்புகளை (covalent bonds) ஏற்படுத்தி, வெளிக் கூட்டில் எட்டு இலத்திரன்கள் கொண்ட நிலையான அமைப்பைப் பெறுகின்றன. ஆனால் இப்பிணைப்புகள் ஒப்பீட்டில் வலுவற்றவை — அறை வெப்பநிலையில் கிடைக்கும் வெப்ப ஆற்றலாலேயே சில பிணைப்புகள் உடைந்து இலத்திரன்கள் விடுவிக்கப்படுகின்றன.

11.1.1 இலத்திரன்களும் துளைகளும் (Electrons & Holes)

0 K வெப்பநிலையில் சிலிக்கன் படிகத்தில் எல்லாப் பிணைப்புகளும் முழுமையானவை. 0 K-ஐ விட வெப்பநிலை உயரும்போது சில பிணைப்புகள் உடைந்து சில சுதந்திர இலத்திரன்கள் (free electrons) விடுவிக்கப்படுகின்றன. இலத்திரன் வெளியேறிய இடத்தில் ஒரு இலத்திரன் பற்றாக்குறை உருவாகின்றது. இவ்விடம் துளை (hole) எனப்படும்.

முக்கியம்: அணுக்கருவில் உள்ள நேர்மின் புரோத்தான்கள் நடுநிலையாக்கப்படாமல் இருப்பதால், ஒரு துளை ஒரு நேர்மின்னேற்றத்திற்குச் (positive charge) சமம்.

அரைக்கடத்திகளில் இலத்திரன்கள் மட்டுமன்றி துளைகளும் மின்னோட்டத்திற்குப் பங்களிக்கின்றன. அண்டை அணுவில் உள்ள இலத்திரன் ஒரு துளைக்குள் தாவும்போது, துளையின் இடம் மாறுகின்றது. இவ்வாறு துளைகள் படிகத்தில் நகர்ந்து மின்னோட்டத்தைக் கடத்துகின்றன. இலத்திரன்கள் எதிர்மின் காவிகள் (negative charge carriers); துளைகள் நேர்மின் காவிகள் (positive charge carriers).

கூறு	மின் காவிகள் (charge carriers)
உலோகக் கடத்தி (metal)	எதிர்மின் இலத்திரன்கள் மட்டும்
அரைக்கடத்தி (semiconductor)	எதிர்மின் இலத்திரன்கள் + நேர்மின் துளைகள் — இரண்டும்

ஒரு பிணைப்பு உடைந்து ஒரு இலத்திரன் விடுவிக்கப்படும்போது ஒரு துளையும் உருவாகின்றது. ஆகவே அரைக்கடத்தியில் காவி இலத்திரன்களின் எண்ணிக்கை = துளைகளின் எண்ணிக்கை; எனவே படிகம் ஒட்டுமொத்தத்தில் மின்னியலாக நடுநிலை (electrically neutral).

மின்னழுத்த வேறுபாடு பிரயோகிக்கப்படும்போது — துளைகள் நேர்-ல் இருந்து எதிர்-க்கும், இலத்திரன்கள் எதிர்-ல் இருந்து நேர்-க்கும் நகரும்; (வழக்கமான) மின்னோட்டம் நேர்-ல் இருந்து எதிர்-க்குப் பாயும்.

11.1.2 உள்ளார்ந்த அரைக்கடத்திகள் (Intrinsic Semiconductors)

படிக வடிவில் உள்ள தூய்மையான Si, Ge போன்ற அரைக்கடத்திப் பொருள்கள் உள்ளார்ந்த அரைக்கடத்திகள் (intrinsic semiconductors) எனப்படும்.

வெப்பநிலையின் விளைவு — ⚠ எச்சரிக்கை: இது கடத்தி/அரைக்கடத்திக்கு எதிர்த்திசையில் நடக்கும்! கடத்தியில் வெப்பநிலை உயர்ந்தால் சுதந்திர இலத்திரன்களின் எழுமாறு இயக்கம் அதிகரித்து மின்னோட்டம் தடைப்படுகின்றது — கடத்துதிறன் குறையும் (மின்தடை அதிகரிக்கும்). அரைக்கடத்தியிலோ வெப்பநிலை உயர்ந்தால் மேலும் பிணைப்புகள் உடைந்து கூடுதல் துளைகளும் இலத்திரன்களும் உருவாகி கடத்துதிறன் அதிகரிக்கும் (மின்தடை குறையும்).

11.1.3 மாசூட்டப்பட்ட அரைக்கடத்திகள் (Extrinsic Semiconductors)

தூய Si-உடன் மிகச் சிறிதளவு வேறு தனிமத்தைக் கலப்பதே மாசூட்டல் (doping). கலக்கப்படும் தனிமத்தைப் பொறுத்து இரு வகை வெளிப்படுகின்றன:

(அ) n-வகை — ஐந்தாம் தொகுதி தனிமம் (Group V): Si-உடன் பொஸ்பரஸ் (P) சிறிதளவு கலந்தால் — P அணுவின் வெளிக் கூட்டில் ஐந்து இலத்திரன்கள் உண்டு. அதில் நான்கு இலத்திரன்கள் அண்டை Si அணுக்களுடன் பிணைப்பு உருவாக்க பயன்படும்; ஐந்தாவது இலத்திரன் பிணைப்பில் சேராமல் சுதந்திரமாக படிகத்தில் நகரக் கிடைக்கின்றது. எதிர்மின் இலத்திரன்கள் காவிகளாகச் சேர்க்கப்படுவதால் இது n-வகை (negative type) அரைக்கடத்தி. As, Sb போன்ற Group V தனிமங்களும் இதையே செய்யும். இவை லட்டிசுக்கு இலத்திரன்களைத் தானமாகத் தருவதால் தானி அணுக்கள் (donor atoms) எனப்படும்.

(ஆ) p-வகை — மூன்றாம் தொகுதி தனிமம் (Group III): Si-உடன் போரான் (B) கலந்தால் — B அணுவின் வெளிக் கூட்டில் மூன்றே இலத்திரன்கள். நான்கு பிணைப்புகள் உருவாக்க ஒரு இலத்திரன் பற்றாக்குறை; அந்த இடத்தில் ஒரு துளை (hole) உருவாகின்றது. துளை நேர்மின்னேற்றமாக மின்சாரத்தைக் கடத்துவதால் Si-இன் கடத்துதிறன் அதிகரிக்கும். இது p-வகை (positive type) அரைக்கடத்தி. Al, Ga, In போன்ற Group III தனிமங்களும் இதையே செய்யும். இவை இலத்திரன்களை ஏற்கும் துளைகளை உருவாக்குவதால் ஏற்பி அணுக்கள் (acceptor atoms) எனப்படும்.

பெரும்பான்மை/சிறுபான்மை காவிகள்: p-வகையில் துளை செறிவு இலத்திரன் செறிவை விட மிக அதிகம் — ஆகவே துளைகள் பெரும்பான்மை காவிகள் (majority carriers), இலத்திரன்கள் சிறுபான்மை காவிகள் (minority carriers). n-வகையில் இதற்கு நேர்மாறு.

பண்பு	n-வகை	p-வகை
மாசூட்டும் தனிமம்	Group V (P, As, Sb)	Group III (B, Al, Ga, In)
வெளிக் கூட்டு இலத்திரன்கள்	5	3
உருவாகும் கூடுதல் காவி	சுதந்திர இலத்திரன்	துளை
பெரும்பான்மை காவி	இலத்திரன்கள்	துளைகள்
அணுவின் பெயர்	தானி அணு (donor)	ஏற்பி அணு (acceptor)

11.2 p–n சந்தி (p–n Junction)

Si-படிகத்தின் ஒரு பக்கத்தை Group III-ஆல் மாசூட்டி p-வகையாகவும், மறுபக்கத்தை Group V-ஆல் மாசூட்டி n-வகையாகவும் ஆக்கினால் — நடுவில் ஒரு p–n சந்தி (p–n junction) உருவாகின்றது. இச்சந்தி சாதாரண கடத்திகளில் இருந்து வேறுபட்ட மின்னியல் இயல்பைக் காட்டுகின்றது.

சந்தி உருவான உடனே — n-பகுதியில் உள்ள சுதந்திர இலத்திரன்கள் p-பக்கம் நோக்கியும், p-பகுதியில் உள்ள துளைகள் n-பக்கம் நோக்கியும் பரவுகின்றன (diffuse). இவை மீள் இணைந்து (recombine) சந்திக்கு அருகே மின்காவிகள் இல்லாத ஒரு பகுதியை உருவாக்குகின்றன. இதுவே வெறுமைப்படை / நீங்கல் பகுதி (depletion region).

வரையறை — அழுத்தத் தடை (Potential barrier): நீங்கல் பகுதியின் p-பக்கம் எதிர்மின்னேற்றமும், n-பக்கம் நேர்மின்னேற்றமும் பெற்று சந்தி ஊடாக ஒரு மின்னழுத்த வேறுபாடு உருவாகின்றது. இது மேலும் காவிகள் சந்தியைக் கடப்பதைத் தடுக்கின்றது. இம்மின்னழுத்த வேறுபாடே அழுத்தத் தடை (potential barrier).

மதிப்புகள்: Si-ஆல் ஆன p–n சந்தியின் அழுத்தத் தடை ≈ 0.7 V; Ge-ஆல் ஆன சந்தியின் அழுத்தத் தடை ≈ 0.3 V.

11.2.1 p–n சந்தியை சார்பூட்டல் (Biasing)

ஒரு வெளி மின்மூலத்தைப் பயன்படுத்தி p–n சந்தி ஊடாக மின்னழுத்தம் பிரயோகிப்பதே சார்பூட்டல் (biasing). பிரயோகிக்கும் திசையைப் பொறுத்து சந்தி இரு விதங்களில் ஒன்றாகச் செயற்படுகின்றது.

(அ) நேர் சார்பு (Forward bias): நேர்-முனை p-பகுதியுடனும், எதிர்-முனை n-பகுதியுடனும் இணைக்கப்படுகின்றது. p-இல் உள்ள துளைகள் சந்தி நோக்கியும், n-இல் உள்ள இலத்திரன்கள் சந்தி நோக்கியும் தள்ளப்பட்டு நீங்கல் பகுதி சுருங்குகின்றது. பிரயோகித்த மின்னழுத்தம் அழுத்தத் தடையை (Si-க்கு > 0.7 V, Ge-க்கு > 0.3 V) தாண்டினால் — காவிகள் சந்தியைக் கடந்து கணிசமான மின்னோட்டம் பாயும்.

(ஆ) எதிர் சார்பு (Reverse bias): எதிர்-முனை p-பகுதியுடனும், நேர்-முனை n-பகுதியுடனும் இணைக்கப்படுகின்றது. n-இல் உள்ள இலத்திரன்கள் நேர்-முனைக்கும், துளைகள் எதிர்-முனைக்கும் ஈர்க்கப்பட்டு நீங்கல் பகுதி அகலமடைகின்றது. சந்தி ஊடாக எந்த மின்னோட்டமும் பாயாது.

⚠ எச்சரிக்கை: நேர் சார்பில் அனோடுக்கு (anode) நேர்-முனைதான் இணைக்கப்பட வேண்டும்; மேலும் பிரயோகித்த மின்னழுத்தம் அழுத்தத் தடையை தாண்ட வேண்டும். 0.7 V-க்குக் கீழே Si-டயோட்டில் கணிசமான மின்னோட்டம் பாயாது.

பண்பு	நேர் சார்பு (forward)	எதிர் சார்பு (reverse)
p-பக்கம் இணைப்பு	நேர்-முனை (+)	எதிர்-முனை (−)
நீங்கல் பகுதி	சுருங்கும்	அகலமடையும்
மின்னோட்டம்	பாயும் (தடையைத் தாண்டினால்)	பாயாது

11.3 p–n சந்தி டயோட் (Junction Diode)

நேர் சார்பில் மட்டுமே மின்னோட்டத்தைக் கடத்தும் இத்தகைய ஒரு p–n சந்தியை மட்டுமே கொண்ட கூறு சந்தி டயோட் (junction diode) எனப்படும். A முனை = அனோடு (anode); K முனை = கேதோடு (cathode). A-ஐ வெளி மின்மூலத்தின் நேர்-முனையுடன் இணைக்கும்போது மட்டுமே மின்னோட்டம் சந்தி ஊடாகக் கடக்கும்.

அடையாளம் காணல்: ஒரு சந்தி டயோட் உருளை வடிவில் கருப்பு நிறத்தில் இருக்கும். வெள்ளை/வெள்ளி நிற வளையம் (ring) உள்ள முனையே கேதோடு (K). டயோட்டை அடையாளம் காண உருளையில் ஒரு எண் அச்சிடப்பட்டிருக்கும் (எ.கா. 1N 4001). ⚠ வெளித்தோற்றம் பெருமளவில் வேறுபடலாம் — வளையம் ஒன்றே நம்பகமான அடையாளம்.

11.4 மாறுதிசை மின்னோட்டத்தின் திருத்தம் (Rectification)

மாறுதிசை மின்னோட்டம் (AC) — சுற்றில் தனது பாயும் திசையை மாற்றிக்கொண்டே இருக்கும் மின்னோட்டம். நேர்திசை மின்னோட்டம் (DC) — ஒரே திசையில் மட்டும் பாயும் மின்னோட்டம். டைனமோக்கள் வழக்கமாக AC-யையே உற்பத்தி செய்கின்றன; ஆனால் சில இலத்திரனியல் கருவிகளுக்கு DC தேவை.

வரையறை: ஒரே திசையில் மட்டும் மின்னோட்டத்தைக் கடத்தும் டயோட்டைப் பயன்படுத்தி AC-ஐ DC-ஆக மாற்றும் செயல்முறை திருத்தம் (rectification) எனப்படும்.

11.4.1 அரை அலைத் திருத்தம் (Half Wave Rectification)

முதலில் ஒரு இறக்கு மின்மாற்றி (step-down transformer) மூலம் 230 V AC-ஐ 3 V போன்ற தேவையான மட்டத்துக்கு இறக்குகின்றோம். பின்னர் ஒரு ஒற்றை டயோட் X, Y முனைகளுக்கும் சுமை மின்தடை R-க்கும் இடையே இணைக்கப்படுகின்றது.

டயோட் ஒரே திசையில் மட்டுமே மின்னோட்டத்தைக் கடத்துவதால், R ஊடாக மின்னோட்டம் AC-இன் நேர் அரை-சுழற்சியின் (positive half cycle) போது மட்டும் பாயும்; எதிர் அரை-சுழற்சியின் போது R ஊடாக மின்னோட்டம் சுழி (zero). வெளியீடு எப்போதும் அரைச் சுழற்சியை மட்டுமே கொண்டிருப்பதால் இது அரை அலைத் திருத்தம்.

11.4.2 முழு அலைத் திருத்தம் (Full Wave Rectification)

நான்கு டயோட்களை (D1, D2, D3, D4) ஒரு பாலம் (bridge) வடிவில் அமைத்து AC-ஐ செலுத்தினால் — AC-இன் இரு அரை-சுழற்சிகளையும் சுமை ஊடாக ஒரே திசையில் பாயச்செய்யலாம். இது முழு அலைத் திருத்தம்.

X புள்ளி Y-ஐ விட நேர்மமாக இருக்கும்போது — D1, D3 நேர் சார்பு; D2, D4 எதிர் சார்பு. D1 ஊடாகப் பாயும் மின்னோட்டம் சுமை வழியாகச் சென்று D3 ஊடாக மீளும். அடுத்த அரை-சுழற்சியில் (Y நேர்மம்) — D2, D4 நேர் சார்பு; D1, D3 எதிர் சார்பு; மின்னோட்டம் D2 → சுமை → D4 வழியாகப் பாயும். இரு நிலைகளிலும் சுமை ஊடாக மின்னோட்டம் ஒரே திசையில் (P → Q) பாயும்.

எடுத்துக்காட்டுக் கணக்கு — பாலச் சுற்றில் மின்னழுத்த வீழ்ச்சி:
ஒரு பாலச் சுற்றில் ஒவ்வொரு நிலையிலும் மின்னோட்டம் இரு டயோட்கள் ஊடாகப் பாய்கின்றது.
ஒரு Si டயோட்டின் வீழ்ச்சி ≈ 0.7 V ⟹ இரு டயோட்கள் = 2 × 0.7 = 1.4 V வீழ்ச்சி.
4.5 V கலத்துடன் இணைக்கையில் — விளக்குக்குக் கிடைக்கும் மின்னழுத்தம் = 4.5 − 1.4 = 3.1 V (2.5 V விளக்கு ஒளிரும்).
3 V கலம் பயன்படுத்தினால் — மீதம் = 3 − 1.4 = 1.6 V மட்டுமே; இது விளக்கை ஒளிரச் செய்யப் போதாது.

11.4.3 மென்மையாக்கல் (Smoothing)

அரை/முழு அலைத் திருத்தம் ஒரே திசை மின்னோட்டத்தைத் தந்தாலும், அதன் அளவு சுழிக்கும் ஒரு உச்ச மதிப்புக்கும் இடையே ஏறி இறங்கி மாறுபடும். கலத்திலிருந்து கிடைக்கும் நிலையான மின்னழுத்தம் போல அமைய — வெளியீட்டு முனைகளுக்குச் சமாந்தரமாக பெரிய கொள்திறன் கொண்ட மின்தேக்கி (capacitor) இணைக்கப்படுகின்றது. இதுவே மென்மையாக்கல் (smoothing).

டயோட் தரும் மின்னழுத்தம் சுழியில் இருந்து உயரும்போது மின்தேக்கி மின்னேற்றமடைகின்றது; உச்சத்திற்குப் பின் மின்னழுத்தம் வீழும்போது மின்தேக்கி தேக்கிய மின்னேற்றத்தை வெளியிடுகின்றது. ஆகவே டயோட் தரும் மின்னழுத்தம் சுழியாக இருந்தாலும், மின்தேக்கியின் மின்னழுத்தம் சுழிக்கு வீழாது (சிறிது குறைவே). முழு அலைத் திருத்தத்தில் அரை அலையை விட மென்மை அதிகம். 1000 µF, 2000 µF போன்ற பெரிய கொள்திறன் மின்தேக்கிகள் பயன்படும்; கொள்திறன் அதிகரிக்க மென்மை மேம்படும்.

11.4.4 தவறான முனை இணைப்பிலிருந்து பாதுகாப்பு

ஒரு திருத்தி டயோட்டை வரிசையாக இணைப்பதன் மூலம் — DC கருவியின் நேர்/எதிர் முனைகள் தவறாக இணைக்கப்பட்டால் ஏற்படும் சேதத்தைத் தடுக்கலாம். சரியாக இணைக்கப்பட்டால் டயோட் நேர் சார்பு பெற்று மின்னோட்டம் பாயும்; தவறாக இணைக்கப்பட்டால் டயோட் எதிர் சார்பு பெற்று மின்னோட்டம் பாயாது — கருவி பாதுகாக்கப்படுகின்றது.

11.4.5 ஒளியுமிழ் டயோட் (Light Emitting Diode — LED)

காலியம் ஆர்செனைடு (GaAs) போன்ற அரைக்கடத்திப் பொருளால் ஆன p–n சந்தி நேர் சார்பு பெறும்போது, சந்தியில் ஒளி உமிழப்படுகின்றது. இத்தகைய டயோட்களே ஒளியுமிழ் டயோட் (LED).

முனை அடையாளம் (5 mm LED): நீளமான முனை = அனோடு (A, +); LED-இன் அடிப்பகுதியில் வெட்டு (cut/flat) உள்ள பக்கம் = கேதோடு (K, −). ⚠ வண்ணக் கூடு வண்ணத்தை அடையாளம் காணவே; LED ஒளிராதபோதும் அதன் வண்ணத்தை அறிய உதவும்.

சிவப்பு, மஞ்சள், பச்சை, நீலம் வண்ண LED-களும், அகச்சிவப்பு (IR), புற ஊதா (UV) LED-களும் உண்டு. ஒவ்வொரு வண்ணத்திற்கும் தேவையான குறைந்தபட்ச சார்பு மின்னழுத்தம் வேறுபடும் (கீழே). இவற்றினூடாகப் பாயும் மின்னோட்டம் 10–20 mA.

வண்ணம்	அரைக்கடத்திப் பொருள்	குறைந்தபட்ச சார்பு மின்னழுத்தம்
சிவப்பு (Red)	GaAs	1.8 V
செம்மஞ்சள் (Orange)	GaAsP	2 V
மஞ்சள் (Yellow)	AlInGaP	1.8 V
பச்சை (Green)	GaP	2.2 V
நீலம் (Blue)	GaN	5 V

முன்பு LED-கள் காட்டிகளாக (indicators) மட்டுமே பயன்பட்டன; இன்று பெரிய தொலைக்காட்சித் திரைகள், வெள்ளை ஒளி LED மூலம் வீடு/தெரு விளக்குகள், கைவிளக்குகள் வரை விரிவாகப் பயன்படுகின்றன. மிகக் குறைந்த மின்திறன் நுகர்வு, ≈ 50,000 மணி நீண்ட ஆயுள் — இவையே காரணம். ⚠ மின்னோட்டம் அதிகரிக்க ஒளிர்வு கூடும், ஆனால் ஆயுள் குறையும்.

11.4.6 சூரியக் கலங்கள் (Solar Cells)

சூரியக் கலங்களும் p–n சந்திகளாலேயே அமைக்கப்படுகின்றன — ஆகவே சூரியக் கலங்களும் டயோட்களே. ஒளி சந்தியில் விழும்படி அமைக்கப்படுகின்றன. Si p–n சந்தியில் சூரிய ஒளி விழும்போது சந்தி ஊடாக ஒரு சிறு மின்னியக்கு விசை (emf / voltage) உருவாகின்றது. இவ்வாறு emf-ன் மூலமாகச் செயற்படுவதால் இவை சூரியக் கலங்கள் (solar cells).

பல கலங்களைத் தொடரிலும் சமாந்தரத்திலும் அமைத்து 12 V, 15 V போன்ற மின்னழுத்தங்களை அதிக மின்னோட்டத்துடன் பெறலாம் — இவ்வமைப்பே சூரியப் பலகை (solar panel). முதலில் செயற்கைக்கோள்களுக்காக உருவாக்கப்பட்டன; இன்று மலிவாக உற்பத்தி செய்யக்கூடியதால் வீடுகளை ஒளிர்விக்கப் பயன்படுகின்றன. இலவசச் சூரிய சக்தி, சுற்றுச்சூழலுக்குத் தீங்கற்றது, நீண்ட ஆயுள் — எதிர்கால சக்தி நெருக்கடிக்கு ஒரு தீர்வாகக் கருதப்படுகின்றன. கடிகாரம், கணிப்பான், சூரிய சக்தி வாகனங்களிலும் பயன்படுகின்றன.

11.5 டிரான்சிஸ்டர்கள் (Transistors)

இலத்திரனியலின் பெரும் வளர்ச்சிக்குக் காரணமான டிரான்சிஸ்டர், இரு p–n சந்திகளால் அமைக்கப்படுகின்றது. மூன்று அரைக்கடத்திப் பகுதிகளை (p, n வகை) இணைப்பதன் மூலம் — இரு வழிகளில் மட்டுமே இரு சந்திகளை உருவாக்கலாம்: npn மற்றும் pnp டிரான்சிஸ்டர்கள்.

மூன்று முனைகள்: ஒரு கோடியில் இருந்து காவிகள் (இலத்திரன்/துளை) உமிழப்படுகின்றன → உமிழ்வி (Emitter, E); மறுகோடி காவிகளைச் சேகரிக்கின்றது → சேகரிப்பி (Collector, C); நடுவில் உள்ள முனை E-இல் இருந்து C-க்குப் பாயும் காவிகளைக் கட்டுப்படுத்துகின்றது → தளம் / அடி (Base, B).

குறியீட்டில் உமிழ்வியை அடையாளம் காண அம்புத்தலை (arrow head) பயன்படும். அம்புத்தலை E-இல் இருந்து C-க்கான மின்னோட்டத்தின் திசையைக் காட்டும். காவிகள் எப்போதும் E → C திசையில் பாயும்.

பண்பு	npn	pnp
அமைப்பு	n–p–n	p–n–p
பெரும்பான்மை காவிகள்	இலத்திரன்கள்	துளைகள்
மின்னோட்டத் திசை	C → E (அம்பு வெளிநோக்கி)	E → C (அம்பு உள்நோக்கி)
C முனை இணைப்பு	நேர் (+)	எதிர் (−)

⚠ எச்சரிக்கை: சா/த பாடத்திட்டத்தில் நாம் விவாதிக்கும் அனைத்துச் சுற்றுகளிலும் npn டிரான்சிஸ்டர்களையே பயன்படுத்துகின்றோம். டிரான்சிஸ்டரை சார்பூட்டும்போது — உமிழ்வி–தளம் (E–B) சந்தி நேர் சார்பு; தளம்–சேகரிப்பி (B–C) சந்தி எதிர் சார்பு (அதிக மின்னழுத்தத்துடன்). npn-இல் C → நேர் (+), E → எதிர் (−).

சந்தையில் பல வகை டிரான்சிஸ்டர்கள் உள்ளன; எண்களால் குறியிடப்படுகின்றன — எ.கா. 2SC828 (C828), 2SD400 (D400), 2SC1061 (C1061), 2SD313 (D313) — இவை அனைத்தும் சிலிக்கன் npn டிரான்சிஸ்டர்கள். ⚠ வெளித்தோற்றத்தால் E, B, C முனைகளை அடையாளம் காண பொதுவான நிலையான முறை இல்லை — தரவு நூலையே (data book) நம்ப வேண்டும்.

11.5.1 மின்னோட்டப் பெருக்கி (Current Amplifier)

அடிப்படையில் டிரான்சிஸ்டர் ஒரு மின்னோட்டப் பெருக்கியாகப் பயன்படுகின்றது. உள்ளீட்டில் ஒரு சிறு (DC) மின்னோட்டம் கொடுக்கப்பட்டால், வெளியீட்டில் ஒரு பெரிய மின்னோட்டம் பெறப்படும்.

பெருக்கல் முடிவுகள்:

உள்ளீட்டில் மின்னோட்டம் பாயும்போது மட்டுமே வெளியீட்டில் மின்னோட்டம் பாயும்.
வெளியீட்டுக்கு மின்னழுத்தம் கொடுத்தாலும், உள்ளீட்டில் மின்னோட்டம் இல்லாவிட்டால் வெளியீட்டில் மின்னோட்டம் பாயாது.
உள்ளீட்டில் சிறு தள மின்னோட்டம் (base current, I_B) பாயும்போது, வெளியீட்டில் பெரிய சேகரிப்பி மின்னோட்டம் (collector current, I_C) பாயும்.
சிறு I_B பெரிய I_C-ஆகப் பெருக்கப்படுவதே மின்னோட்டப் பெருக்கம்.

11.5.2 சைகைப் பெருக்கி (Signal Amplifier)

டிரான்சிஸ்டர் மின்னோட்டப் பெருக்கியாக மட்டுமன்றி சைகைப் பெருக்கியாகவும் (signal amplifier) அடிக்கடி பயன்படுகின்றது. ஒலி அதிர்வெண் (audio frequency, AF) சைகையைப் பெருக்கலாம் — ஒரு சிறு AF சைகை உள்ளீட்டில் கொடுத்தால், ஒலிபெருக்கியில் (speaker) பெருக்கப்பட்ட ஒலி கேட்கும்.

சுற்றுக் குறிப்பு: 0.1 µF மின்தேக்கி தளத்திற்கு மாறுதிசை (AC) சைகையை மட்டும் அனுமதிக்கப் பயன்படுகின்றது. தளத்திற்குத் தேவையான 0.7 V நேர் சார்பு மின்னழுத்தம் ஒரு 22 kΩ மின்தடை ஊடாகக் கொடுக்கப்படுகின்றது.

11.5.3 டிரான்சிஸ்டர் ஒரு சுவிட்ச்சாக (Transistor as a Switch)

இயந்திர சுவிட்ச்சுக்குப் பதிலாக, டிரான்சிஸ்டரை ஒரு இலத்திரனியல் சுவிட்ச்சாகப் பயன்படுத்தலாம். இலக்கமுறை (digital) சுற்றுகளில் இது அடிக்கடி சுவிட்ச்சாகவே பயன்படுகின்றது.

சுவிட்ச் நிபந்தனை:

உமிழ்வி–தளம் (B–E) மின்னழுத்த வேறுபாடு 0.7 V-க்குக் கீழே ⟹ I_C சுழி; டிரான்சிஸ்டர் திறந்த சுவிட்ச் (OFF).
B–E மின்னழுத்தம் ≈ 0.7 V ⟹ I_C பாயத் தொடங்கும்.
B–E மின்னழுத்தம் 0.7 V-ஐ தாண்டினால் (≈ 0.8 V) ⟹ I_C உச்சம்; டிரான்சிஸ்டர் மூடிய சுவிட்ச் (ON).

இருள் சுவிட்ச் (இருள் வரும்போது தானாக ஒளிரும் விளக்கு): ஒளி உணரியாக ஒளி-சார் மின்தடை (Light Dependent Resistor, LDR) பயன்படும். LDR முகப்பில் ஒளி விழும்போது அதன் மின்தடை மிகக் குறைவு (≈ 1 Ω); இருளில் மிக அதிகம் (≈ 100 kΩ). LDR-ஐ ஒரு மாறு மின்தடையுடன் (VR) சேர்த்து ஒரு அழுத்தப் பகிர்வி (potential divider) அமைக்கப்படுகின்றது. இருள் கூடும்போது LDR மின்தடை அதிகரித்து தளத்தின் மின்னழுத்தம் 0.7 V-ஐ எட்டி டிரான்சிஸ்டர் ON ஆகி விளக்கு ஒளிரும்.

எடுத்துக்காட்டுக் கணக்கு — அழுத்தப் பகிர்வி:
தொடரில் இரு மின்தடைகள் R₁, R₂ மீது மொத்த மின்னழுத்தம் 3 V (ஓம் விதிப்படி V = IR).
3 = I(R₁ + R₂) ⟹ I = 3 / (R₁ + R₂).
B புள்ளியின் மின்னழுத்தம் V_B = R₂ × I = 3 R₂ / (R₁ + R₂).
R₁ = 10 kΩ; V_B = 0.7 V ஆக வேண்டுமெனில் R₂ = ?
0.7 = 3 R₂ / (10000 + R₂) ⟹ 7000 + 0.7 R₂ = 3 R₂
7000 = 2.3 R₂ ⟹ R₂ = 7000 / 2.3 ≈ 3043 Ω.
ஆகவே LDR-இன் மின்தடை இருளில் 3043 Ω-ஐ எட்டும்போது தளத்தில் 0.7 V கிடைத்து விளக்கு ஒளிரும்.

✅ விரைவுச் சோதனை

முக்கியக் கருத்துக்களை உறுதிப்படுத்துங்கள். தவறான விடைகள் உங்கள் தவறுக் குறிப்பேட்டில் சேமிக்கப்படும்.

🖊 கட்டுரை வினாக்கள் (பகுதி II)

பரீட்சை வடிவில் கட்டமைப்பு வினாக்கள். முதலில் நீங்களே எழுதுங்கள்; பின்னர் மாதிரி விடையைத் திறந்து சரிபாருங்கள்.

1. (அ) கடத்தி, காவலி, அரைக்கடத்தி — மூன்றையும் மின் காவிகள் அடிப்படையில் வேறுபடுத்துக. (3)
(ஆ) ஒரு அரைக்கடத்தியில் "துளை" (hole) எவ்வாறு உருவாகி மின்னோட்டத்திற்குப் பங்களிக்கின்றது? (3)
(இ) n-வகை + p-வகை அரைக்கடத்திகள் எவ்வாறு உருவாக்கப்படுகின்றன, donor/acceptor அணுக்களுடன் விளக்குக. (4) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

கடத்தி: சுதந்திர இலத்திரன்கள்; காவலி: காவி இல்லை; அரைக்கடத்தி: இலத்திரன் + துளை.
பிணைப்பு உடைய இலத்திரன் வெளியேறி துளை உருவாகும்; துளை = நேர்மின் காவி.
அண்டை இலத்திரன் துளைக்குள் தாவ துளை நகர்கின்றது.
n-வகை: Group V (P) மாசூட்டல் → சுதந்திர இலத்திரன் → donor.
p-வகை: Group III (B) மாசூட்டல் → துளை → acceptor.
மாசூட்டப்பட்டவை = extrinsic semiconductors.

(அ) மூன்று வகைப் பொருள்கள்:
• கடத்தி (conductor): தாமிரம், அலுமினியம் — வெளிக் கூட்டில் இறுக்கமாகப் பிணைக்கப்படாத சுதந்திர இலத்திரன்கள் நிறைய; நல்ல கடத்துதிறன்.
• காவலி (insulator): கண்ணாடி, பிளாஸ்டிக் — வலிமையான சகப்பிணைப்புகள்; சுதந்திரமாக நகரும் காவிகள் மிகக் குறைவு.
• அரைக்கடத்தி (semiconductor): Si, Ge — இடைப்பட்ட கடத்துதிறன்; இலத்திரன்கள் + துளைகள் இரண்டும் காவிகள்.

(ஆ) துளை உருவாதல்:
0 K-இல் Si படிகத்தின் அனைத்துப் பிணைப்புகளும் முழுமையானவை. வெப்பநிலை உயரும்போது வெப்ப ஆற்றலால் சில பிணைப்புகள் உடைந்து இலத்திரன்கள் விடுவிக்கப்படுகின்றன. இலத்திரன் வெளியேறிய இடத்தில் ஒரு இலத்திரன் பற்றாக்குறை — இதுவே துளை. அணுக்கருவின் புரோத்தான்கள் நடுநிலையாக்கப்படாததால் துளை ஒரு நேர்மின்னேற்றத்திற்குச் சமம்.
கடத்துதல்: அண்டை அணுவில் உள்ள இலத்திரன் துளைக்குள் தாவும்போது துளையின் இடம் மாறுகின்றது. இவ்வாறு துளைகள் படிகத்தில் நகர்ந்து நேர்மின் காவிகளாக மின்னோட்டத்தைக் கடத்துகின்றன.

(இ) extrinsic semiconductors (மாசூட்டப்பட்டவை):
n-வகை: தூய Si-உடன் Group V (P, As, Sb) சிறிதளவு மாசூட்டப்படுகின்றது. P அணுவின் ஐந்து வெளிக் கூட்டு இலத்திரன்களில் நான்கு பிணைப்புக்குப் பயன்படும்; ஐந்தாவது சுதந்திர இலத்திரன் காவியாகச் சேர்க்கப்படுவதால் negative type. இலத்திரன்களைத் தானமாகத் தருவதால் donor அணுக்கள்.
p-வகை: தூய Si-உடன் Group III (B, Al, Ga, In) மாசூட்டப்படுகின்றது. B-இன் மூன்றே இலத்திரன்களால் நான்கு பிணைப்பு உருவாக ஒரு பற்றாக்குறை → துளை → positive type. இலத்திரன்களை ஏற்கும் துளைகளை உருவாக்குவதால் acceptor அணுக்கள்.
⚠ p-வகையில் துளைகள் பெரும்பான்மை, இலத்திரன்கள் சிறுபான்மை; n-வகையில் நேர்மாறு.

2. (அ) p-n சந்தி (junction) எவ்வாறு உருவாகி, நீங்கல் பகுதி (depletion region) + அழுத்தத் தடை (potential barrier) எவ்வாறு ஏற்படுகின்றன? (4)
(ஆ) Si + Ge சந்திகளின் அழுத்தத் தடை மதிப்புகளைத் தருக. (2)
(இ) நேர் சார்பு + எதிர் சார்பு (forward/reverse bias) — இரண்டிலும் நீங்கல் பகுதி + மின்னோட்டம் எவ்வாறு மாறும் என்பதை விளக்குக. (4) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

p பக்கம் + n பக்கம் ஒரே படிகத்தில்.
இலத்திரன்/துளை பரவி மீள்இணைந்து காவியற்ற நீங்கல் பகுதி.
மின்னழுத்த வேறுபாடு = அழுத்தத் தடை.
Si ≈ 0.7 V; Ge ≈ 0.3 V.
நேர் சார்பு: நீங்கல் சுருங்கும், மின்னோட்டம் பாயும்.
எதிர் சார்பு: நீங்கல் அகலமடையும், மின்னோட்டம் பாயாது.

(அ) p-n சந்தி உருவாதல்:
ஒரு Si படிகத்தின் ஒரு பக்கத்தை Group III-ஆல் p-வகையாகவும், மறுபக்கத்தை Group V-ஆல் n-வகையாகவும் ஆக்கினால் நடுவில் p-n சந்தி உருவாகின்றது.
சந்தி உருவான உடனே — n-பகுதி சுதந்திர இலத்திரன்கள் p-பக்கம் நோக்கியும், p-பகுதி துளைகள் n-பக்கம் நோக்கியும் பரவி (diffuse) மீள்இணைகின்றன. இதனால் சந்திக்கருகே காவிகள் இல்லாத நீங்கல் பகுதி (depletion region) உருவாகின்றது.
அழுத்தத் தடை: நீங்கல் பகுதியின் p-பக்கம் எதிர்மின்னேற்றமும், n-பக்கம் நேர்மின்னேற்றமும் பெற்று ஒரு மின்னழுத்த வேறுபாடு உருவாகின்றது. இது மேலும் காவிகள் கடப்பதைத் தடுப்பதால் அழுத்தத் தடை (potential barrier) எனப்படும்.

(ஆ) மதிப்புகள்: Si சந்தி ≈ 0.7 V; Ge சந்தி ≈ 0.3 V.

(இ) சார்பூட்டல்:
நேர் சார்பு (Forward bias): நேர்-முனை → p; எதிர்-முனை → n. p-துளைகளும் n-இலத்திரன்களும் சந்தி நோக்கித் தள்ளப்பட்டு நீங்கல் பகுதி சுருங்கும். பிரயோகித்த மின்னழுத்தம் அழுத்தத் தடையை (Si > 0.7 V) தாண்டினால் கணிசமான மின்னோட்டம் பாயும்.
எதிர் சார்பு (Reverse bias): எதிர்-முனை → p; நேர்-முனை → n. இலத்திரன்கள் நேர்-முனைக்கும், துளைகள் எதிர்-முனைக்கும் ஈர்க்கப்பட்டு நீங்கல் பகுதி அகலமடையும். சந்தி ஊடாக மின்னோட்டம் பாயாது.

⚠ எச்சரிக்கை: நேர் சார்பிலும் கூட பிரயோகித்த மின்னழுத்தம் தடையைத் (0.7 V) தாண்டாவிட்டால் கணிசமான மின்னோட்டம் பாயாது.

3. திருத்தம் (rectification) — (அ) திருத்தம் என்றால் என்ன; ஏன் தேவை? (2)
(ஆ) ஒற்றை டயோட் கொண்ட அரை அலைத் திருத்தத்தை (half wave) விளக்குக. (3)
(இ) நான்கு டயோட் பாலம் கொண்ட முழு அலைத் திருத்தத்தை (full wave) விளக்குக. (3)
(ஈ) அரை அலை + முழு அலை வேறுபாடு (2) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

திருத்தம் = AC → DC; சில கருவிகளுக்கு DC தேவை.
அரை அலை: ஒரு டயோட்; நேர் அரை-சுழற்சி மட்டும் பாயும்.
முழு அலை: 4 டயோட் பாலம்; இரு சுழற்சியும் ஒரே திசை.
D1,D3 vs D2,D4 மாறிமாறி நேர் சார்பு.
முழு அலை = மென்மை அதிகம், ஆற்றல் வீண் குறைவு.
மென்மையாக்கல்: மின்தேக்கி.

(அ) திருத்தம்: மாறுதிசை மின்னோட்டம் (AC) தனது திசையை மாற்றிக்கொண்டே இருக்கும்; நேர்திசை மின்னோட்டம் (DC) ஒரே திசையில் பாயும். டைனமோக்கள் AC தருகின்றன; ஆனால் பல இலத்திரனியல் கருவிகளுக்கு DC தேவை. ஒரே திசை கடத்தும் டயோட்டைப் பயன்படுத்தி AC-ஐ DC-ஆக மாற்றுவதே திருத்தம்.

(ஆ) அரை அலைத் திருத்தம்:
இறக்கு மின்மாற்றி (step-down transformer) 230 V AC-ஐ 3 V-க்கு இறக்குகின்றது. X, Y முனைகளுக்கும் சுமை R-க்கும் இடையே ஒரு டயோட் இணைக்கப்படுகின்றது. டயோட் ஒரே திசை கடத்துவதால், R ஊடாக மின்னோட்டம் AC-இன் நேர் அரை-சுழற்சியின் போது மட்டும் பாயும்; எதிர் அரை-சுழற்சியில் R ஊடாக மின்னோட்டம் சுழி. வெளியீடு அரைச் சுழற்சி மட்டுமே என்பதால் அரை அலை.

(இ) முழு அலைத் திருத்தம் (பாலம்):
நான்கு டயோட்கள் (D1–D4) பாலம் (bridge) வடிவில் அமைக்கப்படுகின்றன.
• X நேர்மமாக இருக்கும்போது — D1, D3 நேர் சார்பு; மின்னோட்டம் D1 → சுமை → D3.
• Y நேர்மமாக இருக்கும்போது — D2, D4 நேர் சார்பு; மின்னோட்டம் D2 → சுமை → D4.
இரு நிலையிலும் சுமை ஊடாக மின்னோட்டம் ஒரே திசையில் (P → Q) பாயும். இரு அரை-சுழற்சிகளும் பயன்படுவதால் முழு அலை.

(ஈ) வேறுபாடு:
| பண்பு | அரை அலை | முழு அலை |
|---|---|---|
| டயோட்கள் | 1 | 4 (பாலம்) |
| பயன்படும் சுழற்சி | நேர் அரை மட்டும் | இரண்டும் |
| வெளியீட்டு மென்மை | குறைவு | அதிகம் |
| ஆற்றல் பயன்பாடு | வீண் அதிகம் | சிறந்தது |

இரண்டையும் ஒரு பெரிய கொள்திறன் மின்தேக்கியால் மென்மையாக்கலாம் (smoothing); முழு அலையின் மென்மை சிறந்தது.

4. டிரான்சிஸ்டர் ஒரு சுவிட்ச்சாக — (அ) டிரான்சிஸ்டரின் மூன்று முனைகளை (E, B, C) function-உடன் தருக. (3)
(ஆ) B–E மின்னழுத்தத்தைப் பொறுத்து டிரான்சிஸ்டர் எவ்வாறு ON/OFF சுவிட்ச்சாகச் செயற்படுகின்றது? (3)
(இ) LDR-ஐப் பயன்படுத்தி இருளில் தானாக ஒளிரும் விளக்குச் சுற்றை விளக்குக. (4) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

Emitter காவிகள் உமிழும்; Collector சேகரிக்கும்; Base கட்டுப்படுத்தும்.
B–E < 0.7 V → OFF (I_C சுழி).
B–E > 0.7 V (≈0.8 V) → ON (I_C உச்சம்).
LDR: ஒளியில் தடை குறைவு, இருளில் அதிகம்.
LDR + VR = அழுத்தப் பகிர்வி.
இருளில் தளம் 0.7 V எட்டி டிரான்சிஸ்டர் ON, விளக்கு ஒளிரும்.

(அ) டிரான்சிஸ்டரின் மூன்று முனைகள்:
• உமிழ்வி (Emitter, E): காவிகளை (இலத்திரன்/துளை) உமிழும் முனை.
• சேகரிப்பி (Collector, C): காவிகளைச் சேகரிக்கும் முனை.
• தளம் (Base, B): நடுவில் உள்ள முனை; E-இல் இருந்து C-க்குப் பாயும் காவிகளைக் கட்டுப்படுத்தும்.
காவிகள் எப்போதும் E → C திசையில் பாயும்.

(ஆ) சுவிட்ச் செயற்பாடு (npn):
• B–E மின்னழுத்தம் 0.7 V-க்குக் கீழே ⟹ சேகரிப்பி மின்னோட்டம் I_C சுழி ⟹ திறந்த சுவிட்ச் (OFF).
• B–E மின்னழுத்தம் ≈ 0.7 V ⟹ I_C பாயத் தொடங்கும்.
• B–E மின்னழுத்தம் 0.7 V-ஐ தாண்டினால் (≈ 0.8 V) ⟹ I_C உச்சம் ⟹ மூடிய சுவிட்ச் (ON).
இவ்வாறு ஒரு சிறு மின்னழுத்த மாற்றம் மின்னோட்டத்தை முழுமையாக ON/OFF செய்வதால் — இயந்திர சுவிட்ச்சுக்குப் பதிலாக டிரான்சிஸ்டர் இலத்திரனியல் சுவிட்ச்சாகப் பயன்படுகின்றது.

(இ) இருள் சுவிட்ச் சுற்று:
ஒளி உணரியாக ஒளி-சார் மின்தடை (LDR) பயன்படுகின்றது — ஒளியில் தடை மிகக் குறைவு (≈1 Ω), இருளில் மிக அதிகம் (≈100 kΩ). LDR-ஐ ஒரு மாறு மின்தடை (VR) உடன் தொடரில் இணைத்து ஒரு அழுத்தப் பகிர்வி (potential divider) அமைக்கப்படுகின்றது; இதன் நடுப்புள்ளி டிரான்சிஸ்டரின் தளத்துடன் இணைக்கப்படுகின்றது.
பகலில்: LDR தடை குறைவு ⟹ தள மின்னழுத்தம் 0.7 V-க்குக் கீழே ⟹ டிரான்சிஸ்டர் OFF ⟹ விளக்கு அணைந்தே.
இருளில்: LDR தடை அதிகரிக்க ⟹ தள மின்னழுத்தம் 0.7 V-ஐ எட்டும் ⟹ டிரான்சிஸ்டர் ON ⟹ விளக்கு தானாக ஒளிரும்.
VR-ஐ சரிசெய்து விளக்கு ஒளிரத் தொடங்கும் ஒளி மட்டத்தை மாற்றலாம். (தெருவிளக்கு, தோட்ட விளக்குகளில் இதே கொள்கை.)

5. (அ) டிரான்சிஸ்டர் ஒரு மின்னோட்டப் பெருக்கியாக (current amplifier) எவ்வாறு செயற்படுகின்றது? Activity முடிவுகளுடன் விளக்குக. (5)
(ஆ) டிரான்சிஸ்டர் ஒரு சைகைப் பெருக்கியாக (signal amplifier) எவ்வாறு ஒலி அதிர்வெண் சைகையைப் பெருக்குகின்றது? மின்தேக்கி + மின்தடையின் பணியுடன் விளக்குக. (5) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

சிறு உள்ளீட்டு மின்னோட்டம் → பெரிய வெளியீட்டு மின்னோட்டம்.
உள்ளீட்டில் மின்னோட்டம் இல்லாவிட்டால் வெளியீடு சுழி.
I_B → I_C பெருக்கம்.
AF சைகை → பெருக்கப்பட்ட ஒலி.
0.1 µF மின்தேக்கி AC சைகையை மட்டும் தளத்திற்கு.
22 kΩ மின்தடை 0.7 V நேர் சார்பு தளத்திற்கு.

(அ) மின்னோட்டப் பெருக்கி:
அடிப்படையில் டிரான்சிஸ்டர் ஒரு மின்னோட்டப் பெருக்கி. ஒரு உள்ளீட்டுச் சுற்றில் சிறு தள மின்னோட்டம் (I_B) கொடுத்தால், வெளியீட்டுச் சுற்றில் பெரிய சேகரிப்பி மின்னோட்டம் (I_C) கிடைக்கும்.
Activity முடிவுகள்:
• உள்ளீட்டில் மின்னோட்டம் பாயும்போது (உள்விளக்கு L₁ மங்கலாக ஒளிர) மட்டுமே — வெளியீட்டில் மின்னோட்டம் பாயும் (வெளிவிளக்கு L₂ அதிக ஒளிர்வுடன்).
• வெளியீட்டுக்கு மின்னழுத்தம் கொடுத்தாலும், உள்ளீட்டில் மின்னோட்டம் இல்லாவிட்டால் வெளியீட்டில் மின்னோட்டம் பாயாது.
• ஆகவே சிறு I_B ⟹ பெரிய I_C — இதுவே மின்னோட்டப் பெருக்கம் (current amplification).

(ஆ) சைகைப் பெருக்கி:
ஒரு சிறு ஒலி அதிர்வெண் (AF) சைகையை உள்ளீடாகக் கொடுத்தால், ஒலிபெருக்கியில் (speaker) பெருக்கப்பட்ட ஒலி கேட்கும்.
மின்தேக்கியின் பணி (0.1 µF): தளத்திற்கு மாறுதிசை (AC) சைகையை மட்டும் அனுமதிக்கின்றது; DC-யைத் தடுக்கின்றது — இதனால் சார்பூட்டல் மின்னழுத்தம் பாதிக்கப்படாமல் சைகை மட்டும் செல்லும்.
மின்தடையின் பணி (22 kΩ): தளத்திற்குத் தேவையான 0.7 V நேர் சார்பு மின்னழுத்தத்தை வழங்குகின்றது — இது இல்லாவிட்டால் டிரான்சிஸ்டர் ON ஆகாது, பெருக்கம் நிகழாது.
இவ்வாறு AC சைகை + சரியான சார்பூட்டல் இரண்டும் சேர்ந்து — சிறு சைகை பெரிய சைகையாகப் பெருக்கப்படுகின்றது. வானொலி, ஒலிபெருக்கி அமைப்புகளில் இதே கொள்கை.

6. இலத்திரனியல் கூறுகள் + பயன்பாடுகள் — (அ) டயோட்டின் முனைகள் (A, K) + அடையாளம் காணும் முறை. (2)
(ஆ) ஒளியுமிழ் டயோட் (LED) — அமைப்பு, முனை அடையாளம், 3 பயன்பாடுகள். (4)
(இ) சூரியக் கலம் (solar cell) எவ்வாறு செயற்பட்டு, ஏன் எதிர்கால சக்திக்கான தீர்வாகக் கருதப்படுகின்றது? (4) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

டயோட்: A = அனோடு, K = கேதோடு; வளையம் = கேதோடு.
LED: GaAs சந்தி நேர் சார்பில் ஒளி.
நீளமான முனை = அனோடு; வெட்டு பக்கம் = கேதோடு.
LED பயன்: காட்டி, TV திரை, வீடு/தெரு விளக்கு.
சூரியக் கலம் = p-n சந்தி; ஒளி → emf.
இலவசம், சுற்றுச்சூழல் நட்பு, நீண்ட ஆயுள்.

(அ) டயோட் முனைகள்:
A = அனோடு (anode), K = கேதோடு (cathode). A-ஐ வெளி மின்மூலத்தின் நேர்-முனையுடன் இணைக்கும்போது மட்டுமே மின்னோட்டம் கடக்கும். அடையாளம்: உருளை வடிவ கருப்பு டயோட்டில் வெள்ளை/வெள்ளி நிற வளையம் (ring) உள்ள முனையே கேதோடு (K).

(ஆ) LED (ஒளியுமிழ் டயோட்):
அமைப்பு + கொள்கை: GaAs போன்ற அரைக்கடத்திப் பொருளால் ஆன p-n சந்தி நேர் சார்பு பெறும்போது சந்தியில் ஒளி உமிழப்படுகின்றது.
முனை அடையாளம் (5 mm LED): நீளமான முனை = அனோடு (A, +); அடிப்பகுதியில் வெட்டு (flat) உள்ள பக்கம் = கேதோடு (K, −).
பயன்பாடுகள்: (1) கருவிகளில் காட்டி விளக்குகள் (indicators); (2) பெரிய தொலைக்காட்சித் திரைகள்; (3) வெள்ளை ஒளி LED மூலம் வீடு/தெரு விளக்குகள், கைவிளக்குகள். காரணம்: மிகக் குறைந்த மின்திறன் நுகர்வு + ≈50,000 மணி நீண்ட ஆயுள்.

(இ) சூரியக் கலம்:
சூரியக் கலமும் ஒளி விழும்படி அமைக்கப்பட்ட p-n சந்தியே — ஆகவே இதுவும் ஒரு டயோட். சூரிய ஒளி Si p-n சந்தியில் விழும்போது சந்தி ஊடாக ஒரு சிறு மின்னியக்கு விசை (emf / voltage) உருவாகின்றது. பல கலங்களைத் தொடரிலும் சமாந்தரத்திலும் அமைத்து 12 V / 15 V அதிக மின்னோட்டத்துடன் — சூரியப் பலகை கிடைக்கின்றது.
எதிர்கால சக்தித் தீர்வு ஏன்?
• இலவசச் சூரிய சக்தி — எரிபொருள் செலவு இல்லை.
• சுற்றுச்சூழலுக்குத் தீங்கற்றது — தீங்கான வாயு/பொருள் வெளியிடாது.
• நீண்ட ஆயுள் — முதலில் உற்பத்தி செய்யப்பட்டவை இன்றும் செயற்படுகின்றன.
• தொழில்நுட்ப வளர்ச்சியால் இப்போது மலிவாக உற்பத்தி செய்யலாம் — வீடு, கடிகாரம், கணிப்பான், சூரிய வாகனங்களில் பயன்படுகின்றன.

7. npn + pnp டிரான்சிஸ்டர்களை ஒப்பிடுக — (அ) அமைப்பு, பெரும்பான்மை காவிகள், மின்னோட்டத் திசை, அம்புத்தலையின் பொருள். (5)
(ஆ) சா/த சுற்றுகளில் npn மட்டுமே ஏன் பயன்படுகின்றது; npn டிரான்சிஸ்டரை சரியாக சார்பூட்டும் முறையை விளக்குக. (5) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம் — சேர்க்க வேண்டிய புள்ளிகள்:

npn = n-p-n; pnp = p-n-p.
npn காவிகள் இலத்திரன்; pnp காவிகள் துளை.
npn மின்னோட்டம் C→E (அம்பு வெளி); pnp E→C (அம்பு உள்).
அம்பு உமிழ்வியை + மின்னோட்டத் திசையைக் காட்டும்.
npn: C நேர்(+), E எதிர்(−).
E–B நேர் சார்பு; B–C எதிர் சார்பு.

(அ) npn vs pnp:
| பண்பு | npn | pnp |
|---|---|---|
| அமைப்பு | n–p–n | p–n–p |
| பெரும்பான்மை காவிகள் | இலத்திரன்கள் | துளைகள் |
| மின்னோட்டத் திசை | C → E | E → C |
| அம்புத்தலை | வெளிநோக்கி | உள்நோக்கி |
இரண்டிலும் மூன்று முனைகள் — உமிழ்வி (E), தளம் (B), சேகரிப்பி (C). அம்புத்தலை எப்போதும் உமிழ்வியை அடையாளம் காட்டும்; அதன் திசை உமிழ்வியில் இருந்து மின்னோட்டப் பாய்வுத் திசையைக் குறிக்கும். pnp-இல் காவிகள் துளைகள் (நேர்மின்) என்பதால் மின்னோட்டம் E → C (அம்பு உள்நோக்கி); npn-இல் காவிகள் இலத்திரன்கள் என்பதால் மின்னோட்டம் C → E (அம்பு வெளிநோக்கி). ⚠ காவிகள் இரண்டிலும் எப்போதும் E → C திசையிலேயே பாயும்.

(ஆ) npn மட்டும் ஏன் + சார்பூட்டல்:
சா/த பாடத்திட்டத்தில் விவாதிக்கப்படும் அனைத்துச் சுற்றுகளிலும் npn டிரான்சிஸ்டர்களே பயன்படுத்தப்படுகின்றன (எளிமை + பொதுவான கிடைப்பு; எ.கா. 2SC828, 2SD400 — அனைத்தும் Si npn).
npn சார்பூட்டல் முறை:
• உமிழ்வி–தளம் (E–B) சந்தி → நேர் சார்பு (forward bias).
• தளம்–சேகரிப்பி (B–C) சந்தி → எதிர் சார்பு (reverse bias), அதிக மின்னழுத்தத்துடன்.
மின்னோட்டம் எப்போதும் நேர்-இல் இருந்து எதிர்-க்குப் பாய்வதால் — npn-இல் C → நேர்-முனை (+), E → எதிர்-முனை (−) இணைக்கப்படுகின்றன. தளம் (B) C-இன் அதே திசையில் ஆனால் சிறிய மதிப்புடன் மின்னழுத்தம் பெறுகின்றது — இதனால் B–C சந்தி எதிர் சார்பு ஆகின்றது.
⚠ E, B, C முனைகளை வெளித்தோற்றத்தால் அடையாளம் காண பொதுவான நிலையான முறை இல்லை — தரவு நூலையே (data book) நம்ப வேண்டும்.

🔥 மீட்டல் மையம்

பரீட்சைக்கு முன் இறுதி ஒரு நிமிடம் — மறக்கக்கூடாதவை மட்டும்.

3 வகைப் பொருள்: கடத்தி (சுதந்திர இலத்திரன்), காவலி (காவி இல்லை), அரைக்கடத்தி (இலத்திரன் + துளை).
அரைக்கடத்திகள்: Si, Ge — Group IV; வெளிக் கூட்டில் 4 இலத்திரன், 4 சகப்பிணைப்பு.
துளை (hole) = இலத்திரன் வெளியேறிய இடம் = நேர்மின்னேற்றத்திற்குச் சமம்.
n-வகை: Group V (P) மாசூட்டல் → சுதந்திர இலத்திரன் → donor. p-வகை: Group III (B) → துளை → acceptor.
வெப்பநிலை ⚠: கடத்தியில் ↑வெப்பம் → கடத்துதிறன் ↓; அரைக்கடத்தியில் ↑வெப்பம் → கடத்துதிறன் ↑.
அழுத்தத் தடை: Si ≈ 0.7 V, Ge ≈ 0.3 V.
நேர் சார்பு: அனோடு (+) → நீங்கல் சுருங்கும் → மின்னோட்டம் பாயும். எதிர் சார்பு: நீங்கல் அகலமடையும் → பாயாது.
திருத்தம்: AC → DC. அரை அலை = 1 டயோட்; முழு அலை = 4 டயோட் பாலம். மென்மையாக்கல் = மின்தேக்கி.
LED: GaAs சந்தி நேர் சார்பில் ஒளி. நீள முனை = அனோடு; வெட்டு பக்கம் = கேதோடு.
சூரியக் கலம் = p-n சந்தி டயோட்; ஒளி → emf.
டிரான்சிஸ்டர்: 2 சந்தி, 3 முனை — E (உமிழ்வி), B (தளம்), C (சேகரிப்பி). npn/pnp.
சுவிட்ச்: B–E < 0.7 V → OFF; B–E > 0.7 V (≈0.8 V) → ON.
பெருக்கி: சிறு I_B → பெரிய I_C = மின்னோட்டப் பெருக்கம்.
LDR: ஒளியில் தடை குறைவு (≈1 Ω), இருளில் அதிகம் (≈100 kΩ) — இருள் சுவிட்ச்.

அலகின் முதுகெலும்பு — கருத்துக்களும் தொடர்புகளும்.

1. கடத்தி/காவலி/அரைக்கடத்தி: கடத்தியில் வெளிக் கூட்டு சுதந்திர இலத்திரன்கள்; காவலியில் வலிமையான சகப்பிணைப்பு; அரைக்கடத்தியில் (Si, Ge) இலத்திரன் + துளை இரண்டும் காவிகள்.
2. துளை + காவிகள்: பிணைப்பு உடைய இலத்திரன் வெளியேற துளை (நேர்மின்) உருவாகும். அண்டை இலத்திரன் தாவ துளை நகரும். உலோகம் = இலத்திரன் மட்டும்; அரைக்கடத்தி = இலத்திரன் + துளை.
3. நடுநிலை: ஒரு பிணைப்பு உடைய ஒரு இலத்திரன் + ஒரு துளை → காவி இலத்திரன் எண் = துளை எண் → படிகம் மின்னியலாக நடுநிலை.
4. உள்ளார்ந்த vs மாசூட்டப்பட்ட: தூய Si/Ge = intrinsic. சிறிதளவு வேறு தனிமம் கலத்தல் = doping → extrinsic.
5. n-வகை: Group V (P, As, Sb) — 5வது இலத்திரன் சுதந்திரம் → negative type; donor அணுக்கள். இலத்திரன்கள் பெரும்பான்மை.
6. p-வகை: Group III (B, Al, Ga, In) — ஒரு இலத்திரன் பற்றாக்குறை → துளை → positive type; acceptor அணுக்கள். துளைகள் பெரும்பான்மை, இலத்திரன்கள் சிறுபான்மை.
7. p-n சந்தி: இலத்திரன்/துளை பரவி மீள்இணைந்து காவியற்ற நீங்கல் பகுதி (depletion region). p-பக்கம் எதிர்(−), n-பக்கம் நேர்(+) → அழுத்தத் தடை (Si 0.7 V, Ge 0.3 V).
8. சார்பூட்டல்: நேர் சார்பு — p(+), நீங்கல் சுருங்கி தடையைத் தாண்டினால் மின்னோட்டம் பாயும். எதிர் சார்பு — p(−), நீங்கல் அகலமடைந்து மின்னோட்டம் பாயாது.
9. டயோட்: ஒரு p-n சந்தி கூறு. A = அனோடு, K = கேதோடு (வெள்ளி வளையம்). நேர் சார்பில் மட்டும் கடத்தும். எ.கா. 1N 4001.
10. திருத்தம்: AC → DC. அரை அலை — 1 டயோட்; நேர் அரை-சுழற்சி மட்டும் R ஊடாகப் பாயும்.
11. முழு அலை (பாலம்): 4 டயோட். X நேர்மம் → D1,D3 நேர் சார்பு; Y நேர்மம் → D2,D4. இரு சுழற்சியும் சுமை ஊடாக ஒரே திசை (P→Q). ஒவ்வொரு நிலையிலும் 2 Si டயோட் வீழ்ச்சி = 1.4 V.
12. மென்மையாக்கல்: வெளியீட்டுக்கு சமாந்தர பெரிய மின்தேக்கி (1000/2000 µF). மின்தேக்கி மின்னேற்றம்/வெளியீட்டால் ஏற்ற இறக்கம் குறையும். முழு அலை மென்மை சிறந்தது.
13. LED + சூரியக் கலம்: LED = GaAs சந்தி நேர் சார்பில் ஒளி; நீள முனை அனோடு, வெட்டு கேதோடு; குறைந்த நுகர்வு + 50,000 மணி. சூரியக் கலம் = ஒளி விழும் p-n சந்தி → emf; பல கலம் = solar panel.
14. டிரான்சிஸ்டர்: 2 சந்தி, 3 பகுதி — npn/pnp. E உமிழும், C சேகரிக்கும், B கட்டுப்படுத்தும். காவிகள் எப்போதும் E→C. அம்பு உமிழ்வி + மின்னோட்டத் திசை. npn: C நேர்(+), E எதிர்(−); E–B நேர் சார்பு, B–C எதிர் சார்பு.
15. பெருக்கி: மின்னோட்டப் பெருக்கி — சிறு I_B → பெரிய I_C. சைகைப் பெருக்கி — 0.1 µF மின்தேக்கி AC சைகையை மட்டும் தளத்திற்கு; 22 kΩ மின்தடை 0.7 V சார்பை வழங்கும்.
16. சுவிட்ச் + LDR: B–E < 0.7 V → OFF; > 0.7 V (≈0.8 V) → ON. இருள் சுவிட்ச் — LDR + VR அழுத்தப் பகிர்வி; இருளில் தளம் 0.7 V எட்டி டிரான்சிஸ்டர் ON.
17. அழுத்தப் பகிர்வி கணக்கு: V_B = 3R₂/(R₁+R₂). R₁=10 kΩ, V_B=0.7 V → R₂ ≈ 3043 Ω.

பரீட்சைக்கு முந்தின இரவு முழு அலகையும் ஓட்டிப் பார்.

3 வகை: கடத்தி (இலத்திரன்), காவலி (இல்லை), அரைக்கடத்தி = Si/Ge, இலத்திரன் + துளை.
மாசூட்டல்: n-வகை = Group V (donor, இலத்திரன்); p-வகை = Group III (acceptor, துளை).
வெப்பநிலை ⚠: கடத்தி ↑T → கடத்துதிறன் ↓; அரைக்கடத்தி ↑T → கடத்துதிறன் ↑ (எதிர்மாறு!).
அழுத்தத் தடை: Si = 0.7 V, Ge = 0.3 V.
சார்பூட்டல்: நேர் சார்பு = அனோடு(+), நீங்கல் சுருங்கி மின்னோட்டம் பாயும். எதிர் சார்பு = நீங்கல் அகலம், பாயாது.
திருத்தம்: AC→DC. அரை அலை 1 டயோட்; முழு அலை 4 டயோட் பாலம் (2 டயோட் வீழ்ச்சி = 1.4 V). மென்மை = மின்தேக்கி.
LED: நேர் சார்பில் ஒளி; நீள முனை = அனோடு, வெட்டு பக்கம் = கேதோடு. சூரியக் கலம் = p-n சந்தி → emf.
டிரான்சிஸ்டர்: E (உமிழ்வி) + B (தளம்) + C (சேகரிப்பி); npn மட்டும் சா/த-இல். காவிகள் E→C.
npn சார்பூட்டல்: C நேர்(+), E எதிர்(−); E–B நேர் சார்பு, B–C எதிர் சார்பு.
சுவிட்ச்: B–E < 0.7 V → OFF; > 0.7 V → ON.
பெருக்கி: சிறு I_B → பெரிய I_C. சைகை: 0.1 µF (AC சைகை) + 22 kΩ (0.7 V சார்பு).
LDR: ஒளியில் ≈1 Ω, இருளில் ≈100 kΩ — இருள் சுவிட்ச்.
அழுத்தப் பகிர்வி: V_B = 3R₂/(R₁+R₂); R₁=10 kΩ, V_B=0.7 V → R₂ ≈ 3043 Ω.
முழு அலை பாலம்: X நேர்மம் → D1,D3; Y நேர்மம் → D2,D4; சுமை ஒரே திசை P→Q.
⚠ துளை = நேர்மின்னேற்றம் (இலத்திரன் அல்ல). p-வகையில் துளை பெரும்பான்மை.
⚠ நேர் சார்பிலும் மின்னழுத்தம் 0.7 V-ஐ தாண்டாவிட்டால் கணிசமான மின்னோட்டம் பாயாது.
⭐ அரைக்கடத்தியில் வெப்பநிலை உயர கடத்துதிறன் அதிகரிக்கும் — கடத்திக்கு நேர்மாறு (தேர்வுக் கேள்வி).
⭐ டயோட் தவறான முனை இணைப்பில் எதிர் சார்பாகி DC கருவியைப் பாதுகாக்கும்.
📋 சொற்களஞ்சியம்: semiconductor = அரைக்கடத்தி; hole = துளை; doping = மாசூட்டல்; donor = தானி அணு; acceptor = ஏற்பி அணு; depletion region = நீங்கல் பகுதி; potential barrier = அழுத்தத் தடை; forward bias = நேர் சார்பு; reverse bias = எதிர் சார்பு; rectification = திருத்தம்; diode = டயோட்; LED = ஒளியுமிழ் டயோட்; transistor = டிரான்சிஸ்டர்; emitter = உமிழ்வி; base = தளம்; collector = சேகரிப்பி; LDR = ஒளி-சார் மின்தடை.

📝 மேலும் பயிற்சி