மின்சாரத்தைக் கடத்தும் சடப்பொருள்கள் மின் கடத்திகள் (conductors) எனப்படும் — தாமிரம், அலுமினியம், இரும்பு, ஈயம் இவற்றின் எடுத்துக்காட்டுகள். கடத்தும் ஆற்றலுக்குக் காரணம், கடத்திகளின் அணுக்களில் வெளிக் கூட்டில் உள்ள சில இலத்திரன்கள் அணுக்கருவுடன் இறுக்கமாகப் பிணைக்கப்படாததால் சுதந்திரமாக நகரக்கூடியவை என்பதே. மின்சாரத்தைக் கடத்தாத எபனைட், பொலித்தீன், பிளாஸ்டிக், உலர்ந்த மரம், கண்ணாடி போன்றவை மின் காவலிகள் (insulators) — இவற்றில் அணுக்களுக்கிடையேயான கூட்டிணைப்புப் (covalent) பிணைப்புகள் வலிமையாக இருப்பதால் சுதந்திரமாக நகரும் இலத்திரன்கள் மிகக் குறைவு.
அரைக்கடத்திகள் (semiconductors) மிகச் சிறிதளவு மின்சாரத்தைக் கடத்தும் சடப்பொருள்கள் — படிக வடிவிலுள்ள சிலிக்கன் (Si), ஜெர்மானியம் (Ge) இவ்வியல்பைக் காட்டுகின்றன. இவை தனிம அட்டவணையின் நான்காம் தொகுதி (Group IV) தனிமங்கள்; வெளிக் கூட்டில் நான்கு இலத்திரன்கள் உண்டு. அண்டை நான்கு அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்புகளை ஏற்படுத்தி வெளிக் கூட்டில் எட்டு இலத்திரன்கள் கொண்ட நிலையான அமைப்பைப் பெறுகின்றன. ஆனால் இப்பிணைப்புகள் ஒப்பீட்டில் வலுவற்றவை — அறை வெப்பநிலையில் கிடைக்கும் வெப்ப ஆற்றலாலேயே சில பிணைப்புகள் உடைந்து இலத்திரன்கள் விடுவிக்கப்படுகின்றன.
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 குழி (hole) எனப்படும். அணுக்கருவில் உள்ள நேர்மின் புரோத்தான்கள் நடுநிலையாக்கப்படாமல் இருப்பதால், ஒரு குழி ஒரு நேர்மின்னேற்றத்திற்குச் சமம்.
அரைக்கடத்திகளில் இலத்திரன்கள் மட்டுமன்றி குழிகளும் மின்னோட்டத்திற்குப் பங்களிக்கின்றன — அண்டை அணுவில் உள்ள இலத்திரன் ஒரு குழிக்குள் தாவும்போது, குழியின் இடம் மாறுகின்றது; இவ்வாறு குழிகள் படிகத்தில் நகர்ந்து மின்னோட்டத்தைக் கடத்துகின்றன. இலத்திரன்கள் எதிர்மின் காவிகள்; குழிகள் நேர்மின் காவிகள். ஒரு பிணைப்பு உடைந்து ஒரு இலத்திரன் விடுவிக்கப்படும்போது ஒரு குழியும் உருவாகின்றது — ஆகவே அரைக்கடத்தியில் காவி இலத்திரன்களின் எண்ணிக்கை = குழிகளின் எண்ணிக்கை, படிகம் ஒட்டுமொத்தத்தில் மின்னியலாக நடுநிலை.
| கூறு | மின் காவிகள் |
|---|---|
| உலோகக் கடத்தி | எதிர்மின் இலத்திரன்கள் மட்டும் |
| அரைக்கடத்தி | எதிர்மின் இலத்திரன்கள் + நேர்மின் குழிகள் — இரண்டும் |
படிக வடிவில் உள்ள தூய்மையான Si, Ge உள்ளார்ந்த அரைக்கடத்திகள் (intrinsic) எனப்படும். தூய Si-உடன் மிகச் சிறிதளவு வேறு தனிமத்தைக் கலப்பதே மாசூட்டல் (doping); இதன் மூலம் கிடைப்பவை வெளியியல்பு (extrinsic) அரைக்கடத்திகள்.
n-வகை: Si-உடன் ஐந்தாம் தொகுதி தனிமமான பொஸ்பரஸ் (P) சிறிதளவு கலந்தால், P அணுவின் வெளிக் கூட்டிலுள்ள ஐந்து இலத்திரன்களில் நான்கு அண்டை Si அணுக்களுடன் பிணைப்பு உருவாக்கப் பயன்படும்; ஐந்தாவது இலத்திரன் பிணைப்பில் சேராமல் சுதந்திரமாக நகரக் கிடைக்கின்றது. இவை லட்டிசுக்கு இலத்திரன்களைத் தானமாகத் தருவதால் தானி அணுக்கள் (donor) எனப்படும். p-வகை: Si-உடன் மூன்றாம் தொகுதி தனிமமான போரான் (B) கலந்தால், B அணுவின் வெளிக் கூட்டிலுள்ள மூன்றே இலத்திரன்களால் நான்கு பிணைப்புகள் உருவாக்க ஒரு இலத்திரன் பற்றாக்குறை ஏற்பட்டு அந்த இடத்தில் ஒரு குழி உருவாகின்றது. இவை இலத்திரன்களை ஏற்கும் குழிகளை உருவாக்குவதால் ஏற்பி அணுக்கள் (acceptor) எனப்படும்.
| பண்பு | n-வகை | p-வகை |
|---|---|---|
| மாசூட்டும் தனிமம் | Group V (P, As, Sb) | Group III (B, Al, Ga, In) |
| உருவாகும் கூடுதல் காவி | சுதந்திர இலத்திரன் | குழி |
| பெரும்பான்மை காவி | இலத்திரன்கள் | குழிகள் |
| அணுவின் பெயர் | தானி அணு (donor) | ஏற்பி அணு (acceptor) |
p-வகையில் குழி செறிவு இலத்திரன் செறிவை விட மிக அதிகம் என்பதால் குழிகள் பெரும்பான்மை காவிகள், இலத்திரன்கள் சிறுபான்மை காவிகள்; n-வகையில் இதற்கு நேர்மாறு.
Si-படிகத்தின் ஒரு பக்கத்தை Group III-ஆல் மாசூட்டி p-வகையாகவும், மறுபக்கத்தை Group V-ஆல் மாசூட்டி n-வகையாகவும் ஆக்கினால் நடுவில் ஒரு p–n சந்தி உருவாகின்றது. சந்தி உருவான உடனே n-பகுதியில் உள்ள சுதந்திர இலத்திரன்கள் p-பக்கம் நோக்கியும், p-பகுதியில் உள்ள குழிகள் n-பக்கம் நோக்கியும் பரவி மீள் இணைந்து, சந்திக்கு அருகே மின்காவிகள் இல்லாத ஒரு பகுதியை உருவாக்குகின்றன — இதுவே வெற்றிட அடுக்கு (depletion region). இந்தப் பகுதியின் p-பக்கம் எதிர்மின்னேற்றமும் n-பக்கம் நேர்மின்னேற்றமும் பெற்று சந்தி ஊடாக ஒரு மின்னழுத்த வேறுபாடு உருவாகின்றது — இதுவே அழுத்தத் தடை (potential barrier); இது மேலும் காவிகள் சந்தியைக் கடப்பதைத் தடுக்கின்றது.
ஒரு வெளி மின்மூலத்தைப் பயன்படுத்தி p–n சந்தி ஊடாக மின்னழுத்தம் பிரயோகிப்பதே சார்பூட்டல் (biasing). நேர் சார்பில் (forward bias) நேர்-முனை p-பகுதியுடனும், எதிர்-முனை n-பகுதியுடனும் இணைக்கப்பட்டு, வெற்றிட அடுக்கு சுருங்கும்; பிரயோகித்த மின்னழுத்தம் அழுத்தத் தடையைத் தாண்டினால் காவிகள் சந்தியைக் கடந்து கணிசமான மின்னோட்டம் பாயும். எதிர் சார்பில் (reverse bias) எதிர்-முனை p-பகுதியுடனும், நேர்-முனை n-பகுதியுடனும் இணைக்கப்பட்டு, வெற்றிட அடுக்கு அகலமடைந்து சந்தி ஊடாக எந்த மின்னோட்டமும் பாயாது.
நேர் சார்பில் மட்டுமே மின்னோட்டத்தைக் கடத்தும் ஒரு p–n சந்தியை மட்டுமே கொண்ட கூறு சந்தி டயோட் (junction diode) எனப்படும். A முனை = அனோடு; K முனை = கேதோடு; A-ஐ வெளி மின்மூலத்தின் நேர்-முனையுடன் இணைக்கும்போது மட்டுமே மின்னோட்டம் சந்தி ஊடாகக் கடக்கும். டயோட் உருளை வடிவில் கருப்பு நிறத்தில் இருக்கும்; வெள்ளை/வெள்ளி நிற வளையம் உள்ள முனையே கேதோடு.
மாறுதிசை மின்னோட்டம் (AC) சுற்றில் தனது பாயும் திசையை மாற்றிக்கொண்டே இருக்கும்; நேர்திசை மின்னோட்டம் (DC) ஒரே திசையில் மட்டும் பாயும். டைனமோக்கள் வழக்கமாக AC-யையே உற்பத்தி செய்கின்றன, ஆனால் சில இலத்திரனியல் கருவிகளுக்கு DC தேவை. ஒரே திசையில் மட்டும் மின்னோட்டத்தைக் கடத்தும் டயோட்டைப் பயன்படுத்தி AC-ஐ DC-ஆக மாற்றும் செயல்முறையே திருத்தம் (rectification). அரை அலைத் திருத்தத்தில் ஒற்றை டயோட் ஒரு இறக்கு மின்மாற்றியின் வெளியீட்டுடன் இணைக்கப்பட்டு, AC-இன் நேர் அரை-சுழற்சியின் போது மட்டும் சுமை ஊடாக மின்னோட்டம் பாயும்; எதிர் அரை-சுழற்சியில் சுழி. முழு அலைத் திருத்தத்தில் நான்கு டயோட்களை பாலம் (bridge) வடிவில் அமைத்து, இரு அரை-சுழற்சிகளையும் சுமை ஊடாக ஒரே திசையில் பாயச்செய்யலாம்.
மென்மையாக்கல் (smoothing): திருத்தலின் வெளியீடு சுழிக்கும் ஒரு உச்ச மதிப்புக்கும் இடையே ஏறி இறங்கும். நிலையான மின்னழுத்தம் போல் அமைய, வெளியீட்டு முனைகளுக்குச் சமாந்தரமாக பெரிய கொள்திறன் கொண்ட மின்தேக்கி (1000–2000 µF) இணைக்கப்படுகின்றது — மின்னழுத்தம் உயரும்போது மின்னேற்றமடைந்து, வீழும்போது தேக்கிய மின்னேற்றத்தை வெளியிடும்; கொள்திறன் அதிகரிக்க மென்மை மேம்படும். ஒரு திருத்தி டயோட்டை வரிசையாக இணைப்பதன் மூலம் DC கருவியின் முனைகள் தவறாக இணைக்கப்பட்டால் ஏற்படும் சேதத்தையும் தடுக்கலாம் — தவறாக இணைக்கப்பட்டால் டயோட் எதிர் சார்பு பெற்று மின்னோட்டம் பாயாது.
காலியம் ஆர்செனைடு (GaAs) போன்ற அரைக்கடத்திப் பொருளால் ஆன p–n சந்தி நேர் சார்பு பெறும்போது சந்தியில் ஒளி உமிழப்படுகின்றது — இத்தகைய டயோட்களே ஒளியுமிழ் டயோட் (LED). 5 mm LED-இல் நீளமான முனை = அனோடு (+); அடிப்பகுதியில் வெட்டு உள்ள பக்கம் = கேதோடு (−).
| வண்ணம் | அரைக்கடத்திப் பொருள் | குறைந்தபட்ச சார்பு மின்னழுத்தம் |
|---|---|---|
| சிவப்பு | GaAs | 1.8 V |
| செம்மஞ்சள் | GaAsP | 2 V |
| மஞ்சள் | AlInGaP | 1.8 V |
| பச்சை | GaP | 2.2 V |
| நீலம் | GaN | 5 V |
இவற்றினூடாகப் பாயும் மின்னோட்டம் 10–20 mA. LED-கள் மிகக் குறைந்த மின்திறன் நுகர்வு, ≈ 50,000 மணி நீண்ட ஆயுள் கொண்டவை — வீடு/தெரு விளக்குகள், தொலைக்காட்சித் திரைகள் வரை பயன்படுகின்றன.
சூரியக் கலங்களும் (solar cells) p–n சந்திகளாலேயே அமைக்கப்படுகின்றன — ஆகவே அவையும் டயோட்களே. ஒளி சந்தியில் விழும்படி அமைக்கப்பட்டு, Si p–n சந்தியில் சூரிய ஒளி விழும்போது சந்தி ஊடாக ஒரு சிறு மின்னியக்கு விசை (emf) உருவாகின்றது. பல கலங்களைத் தொடரிலும் சமாந்தரத்திலும் அமைத்து 12 V, 15 V போன்ற மின்னழுத்தங்களைப் பெறலாம் — இவ்வமைப்பே சூரியப் பலகை; வீடுகளை ஒளிர்விக்கவும் கடிகாரம், கணிப்பான், சூரிய சக்தி வாகனங்களிலும் பயன்படுகின்றன.
டிரான்சிஸ்டர் இரு p–n சந்திகளால் அமைக்கப்படுகின்றது — மூன்று அரைக்கடத்திப் பகுதிகளை இணைப்பதன் மூலம் இரு வழிகளில் மட்டுமே இரு சந்திகளை உருவாக்கலாம்: npn மற்றும் pnp. மூன்று முனைகள்: காவிகள் உமிழப்படும் கோடி — உமிழ்வி (Emitter, E); காவிகளைச் சேகரிக்கும் கோடி — சேகரிப்பி (Collector, C); நடுவில் E-இலிருந்து C-க்குப் பாயும் காவிகளைக் கட்டுப்படுத்தும் முனை — தளம் (Base, B). குறியீட்டில் அம்புத்தலை உமிழ்வியில் இருக்கும்; அது E-இலிருந்து C-க்கான மின்னோட்டத்தின் திசையைக் காட்டும்.
| பண்பு | npn | pnp |
|---|---|---|
| பெரும்பான்மை காவிகள் | இலத்திரன்கள் | குழிகள் |
| C முனை இணைப்பு | நேர் (+) | எதிர் (−) |
O/L பாடத்திட்டத்தில் npn டிரான்சிஸ்டர்களையே பயன்படுத்துகின்றோம். சார்பூட்டும்போது உமிழ்வி–தளம் (E–B) சந்தி நேர் சார்பு; தளம்–சேகரிப்பி (B–C) சந்தி (அதிக மின்னழுத்தத்துடன்) எதிர் சார்பு. npn-இல் C → நேர் (+), E → எதிர் (−).
மின்னோட்டப் பெருக்கி (current amplifier): உள்ளீட்டில் மின்னோட்டம் பாயும்போது மட்டுமே வெளியீட்டில் மின்னோட்டம் பாயும். உள்ளீட்டில் சிறு தள மின்னோட்டம் (I_B) பாயும்போது, வெளியீட்டில் பெரிய சேகரிப்பி மின்னோட்டம் (I_C) பாயும் — சிறு I_B பெரிய I_C-ஆகப் பெருக்கப்படுவதே மின்னோட்டப் பெருக்கம். சைகைப் பெருக்கி (signal amplifier): ஒலி அதிர்வெண் (AF) சைகையையும் பெருக்கலாம் — ஒரு சிறு AF சைகை உள்ளீட்டில் கொடுத்தால், ஒலிபெருக்கியில் பெருக்கப்பட்ட ஒலி கேட்கும். மின்தேக்கி தளத்திற்கு AC சைகையை மட்டும் அனுமதிக்கப் பயன்படுகின்றது; தளத்திற்குத் தேவையான 0.7 V நேர் சார்பு மின்னழுத்தம் ஒரு மின்தடை ஊடாகக் கொடுக்கப்படுகின்றது.
மின்னணு சுவிட்ச் (switch): உமிழ்வி–தளம் (B–E) மின்னழுத்த வேறுபாடு 0.7 V-க்குக் கீழே இருந்தால் I_C சுழி — டிரான்சிஸ்டர் திறந்த சுவிட்ச் (OFF). B–E மின்னழுத்தம் 0.7 V-ஐ தாண்டினால் (≈ 0.8 V) I_C உச்சம் — டிரான்சிஸ்டர் மூடிய சுவிட்ச் (ON).