सेमीकंडक्टर असल में कैसे काम करता है

ताँबे का तार बिजली चलाता है क्योंकि उसके इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र होकर चल सकते हैं। काँच नहीं चलाता क्योंकि उसके इलेक्ट्रॉन अपनी जगह बँधे हैं। सिलिकॉन दोनों के बीच बैठता है, और यह कोई कमी नहीं — यही पूरी बात है। जो पदार्थ केवल आपकी तय की हुई परिस्थितियों में चालन करे, उसी से स्विच बनाया जा सकता है; और वह स्विच जिसे नाख़ून बराबर चिप पर अरबों बार बनाया जा सके, वही आज के हर कंप्यूटर, फ़ोन और कंट्रोलर की नींव है।

बैंड, गैप, और सिलिकॉन दिलचस्प क्यों है

ठोस में इलेक्ट्रॉन कोई भी ऊर्जा नहीं ले सकते; वे अनुमत परासों में रहते हैं जिन्हें ऊर्जा बैंड कहते हैं। जिस बैंड के इलेक्ट्रॉन परमाणुओं को जोड़े रखते हैं वह संयोजी बैंड है। उसके ऊपर चालन बैंड है, जहाँ इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र होकर धारा ले जा सकता है। दोनों के बीच बैंड गैप है — ऊर्जा का वह परास जिसमें कोई इलेक्ट्रॉन रह ही नहीं सकता।

इस गैप का आकार सब कुछ तय करता है। धातु में बैंड एक-दूसरे पर चढ़ जाते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉन खुलकर बहते हैं। कुचालक में गैप इतना बड़ा है कि व्यावहारिक ऊर्जा से कोई इलेक्ट्रॉन पार नहीं जाता। सिलिकॉन में यह लगभग 1.1 इलेक्ट्रॉनवोल्ट है: इतना बड़ा कि शुद्ध सिलिकॉन कमरे के तापमान पर मुश्किल से चालन करे, और इतना छोटा कि ऊष्मा, प्रकाश या लगाया गया वोल्टेज इलेक्ट्रॉन को पार पहुँचा दे।

जब कोई इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में कूदता है तो संयोजी बैंड में एक ख़ाली जगह छोड़ जाता है। इस रिक्ति को होल कहते हैं, और पड़ोसी इलेक्ट्रॉन जब उसे भरने के लिए सरकते हैं तो यह धनात्मक आवेश वाहक जैसा व्यवहार करती है। इसलिए सेमीकंडक्टर में धारा दो तरह से एक साथ चलती है — ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन एक दिशा में, धनात्मक होल दूसरी दिशा में।

डोपिंग: सिलिकॉन को जान-बूझकर अशुद्ध करना

शुद्ध सिलिकॉन किसी काम का नहीं। असली छलाँग डोपिंग है — किसी दूसरे तत्व की नाममात्र मात्रा मिलाना, अक्सर एक करोड़ में एक परमाणु।

• फ़ॉस्फ़ोरस मिलाइए, जिसके बाहरी कक्ष में पाँच इलेक्ट्रॉन हैं जबकि सिलिकॉन में चार, तो एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन बिना बंध के बच जाता है। वह चालन बैंड से ठीक नीचे बैठता है और आसानी से मुक्त हो जाता है। परिणाम n-टाइप सिलिकॉन, जहाँ मुख्य वाहक इलेक्ट्रॉन हैं।
• बोरॉन मिलाइए, जिसके बाहरी कक्ष में तीन इलेक्ट्रॉन हैं, तो एक बंध अधूरा रह जाता है। वही अनुपस्थित इलेक्ट्रॉन एक होल है, जो पड़ोसी से इलेक्ट्रॉन लेने को तैयार है। परिणाम p-टाइप सिलिकॉन, जहाँ होल हावी हैं।

दोनों प्रकार कुल मिलाकर विद्युत-उदासीन रहते हैं — डोपिंग आवेश नहीं जोड़ती, गतिशील आवेश जोड़ती है। असली बात यह है कि अब इंजीनियर तय कर सकता है कि सिलिकॉन का कौन-सा हिस्सा किस वाहक से काम करेगा।

p-n संधि: एकतरफ़ा रास्ता

n-टाइप सिलिकॉन को सीधे p-टाइप से जोड़िए और तुरंत कुछ होता है। n-ओर के इलेक्ट्रॉन विसरित होकर p-ओर जाते हैं और होल भरते हैं; होल उल्टी दिशा में जाते हैं। सीमा के पास गतिशील वाहक एक-दूसरे को समाप्त कर देते हैं और बचता है ह्रास क्षेत्र — वाहक-रहित एक पतली पट्टी, जिसके दोनों ओर स्थिर आवेशित परमाणु एक अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र बना देते हैं।

यह क्षेत्र आगे के विसरण का विरोध करता है और संतुलन बन जाता है। अब बाहरी वोल्टेज लगाइए:

• अग्र अभिनति (p-ओर धनात्मक) वाहकों को संधि की ओर धकेलती है, ह्रास क्षेत्र सिकुड़ता है, और धारा आसानी से बहती है।
• पश्च अभिनति वाहकों को दूर खींचती है, ह्रास क्षेत्र चौड़ा होता है, और लगभग कोई धारा नहीं बहती।

इसलिए p-n संधि एक डायोड है — एक दिशा में धारा जाने देने और दूसरी में रोकने वाला अवयव। रेक्टिफ़ायर, सौर सेल और LED सब p-n संधि ही हैं, बस प्राथमिकताएँ अलग हैं: सौर सेल आती हुई रोशनी से वाहक बनाता है जिन्हें अंतर्निहित क्षेत्र अलग-अलग बहा ले जाता है, और LED उसी प्रक्रिया को उल्टा चलाता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन और होल संधि पर मिलकर ऊर्जा को प्रकाश के रूप में छोड़ते हैं।

ट्रांज़िस्टर प्रवर्धन करने वाला अवयव नहीं है। वह एक वाल्व है, और जब छोटी हरकत बड़े प्रवाह को नियंत्रित करे तो वाल्व यही करता है।

MOSFET: वह स्विच जिससे सब कुछ बना है

आधुनिक चिप का लगभग हर ट्रांज़िस्टर MOSFET है — मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फ़ील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांज़िस्टर। बनावट सीधी है: विपरीत प्रकार के आधार में दो डोप किए क्षेत्र होते हैं, स्रोत और ड्रेन, और उनके बीच एक गेट इलेक्ट्रोड होता है जिसे ऑक्साइड की बेहद पतली कुचालक परत सिलिकॉन से अलग रखती है।

गेट पर वोल्टेज न हो तो स्रोत और ड्रेन के बीच ग़लत प्रकार का सिलिकॉन है और धारा नहीं बहती। गेट पर वोल्टेज लगाइए और उसका विद्युत क्षेत्र ऑक्साइड के आर-पार पहुँचकर अल्पसंख्यक वाहकों को सतह पर खींच लाता है, जिससे स्रोत को ड्रेन से जोड़ता सही प्रकार का पतला चैनल बन जाता है। अब धारा बहती है। वोल्टेज हटाइए, चैनल ग़ायब।

गेट लगभग कोई धारा नहीं लेता — वह कुचालक से अलग है — इसलिए स्विच करने में ऊर्जा बहुत कम लगती है। यही दक्षता है जिसने MOSFET को, न कि पुराने ट्रांज़िस्टर डिज़ाइनों को, सघन डिजिटल लॉजिक के लिए व्यावहारिक बनाया। n-चैनल और p-चैनल को इस तरह जोड़िए कि एक हमेशा बंद रहे, और आपको CMOS मिलता है, जो बिजली मुख्यतः स्विच करते समय खाता है, लगातार नहीं।

उस एक स्विच से बाक़ी सब निकलता है। कुछ ट्रांज़िस्टर मिलकर एक लॉजिक गेट, कुछ गेट मिलकर एक योजक या स्मृति कोशिका, और करोड़ों मिलकर एक प्रोसेसर कोर बनाते हैं।

रेत से चिप तक

निर्माण इन विचारों को दोहराव के सहारे हार्डवेयर में बदलता है। अति-शुद्ध एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन के बेलन को काटकर वेफ़र बनाए और चमकाए जाते हैं। फिर परत-दर-परत परिपथ का नमूना खड़ा होता है: ऑक्साइड उगाया जाता है, प्रकाश-संवेदी फ़ोटोरेज़िस्ट चढ़ाया जाता है, और फ़ोटोलिथोग्राफ़ी परिपथ का नमूना उस पर प्रक्षेपित करती है। उजागर रेज़िस्ट धो दिया जाता है, नीचे का पदार्थ नक़्क़ाशी से हटाया जाता है, और आयन इम्प्लांटेशन से डोपेंट भीतर बिठाए जाते हैं। अंत में धातु की परतें जमाकर उपकरण आपस में जोड़े जाते हैं।

यह चक्र दर्जनों बार दोहराया जाता है और हर परत नीचे वाली से नैनोमीटर की सटीकता में मिलाई जाती है। तैयार वेफ़र की जाँच होती है, उसे अलग-अलग डाई में काटा जाता है और पैकेज किया जाता है। फ़ीचर आकार का लगातार घटना — मूर के नियम के पीछे की वही प्रवृत्ति — जिसने ट्रांज़िस्टर संख्या को हज़ारों से दसियों अरब तक पहुँचाया, अब भौतिक सीमाओं से टकरा रहा है, इसलिए डिज़ाइनर नई संरचनाओं और त्रि-आयामी ढेर की ओर बढ़ रहे हैं।

विद्यार्थियों और शोधकर्ताओं के लिए क्यों मायने रखता है

सेमीकंडक्टर भौतिकी वह जगह है जहाँ क्वांटम यांत्रिकी अमूर्त होना बंद कर देती है और रोज़गार देने लगती है। यह ठोस-अवस्था सिद्धांत, पदार्थ रसायन, उपकरण अभियांत्रिकी और उत्पादन नियंत्रण को एक ही शृंखला में जोड़ती है, और जो विद्यार्थी बैंड गैप समझ लेता है वह यह भी समझ जाता है कि सौर सेल की दक्षता की सैद्धांतिक सीमा क्यों है और चिप गर्म क्यों होती है। यह क्षेत्र तेज़ी से बदल भी रहा है: सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड जैसे चौड़े-बैंड-गैप पदार्थ पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में सिलिकॉन की जगह ले रहे हैं, कुछ परमाणु मोटे द्वि-आयामी पदार्थों पर सक्रिय शोध चल रहा है, और सेमीकंडक्टर आपूर्ति शृंखला अब राष्ट्रीय नीति का विषय है। पीयर-रिव्यू साहित्य से जुड़े रहना ही वह तरीक़ा है जिससे शोधकर्ता और इंजीनियरिंग विद्यार्थी उपकरण भौतिकी, निर्माण और विश्वसनीयता पर हो रहे काम के साथ चलते रहते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

सेमीकंडक्टर क्या है?

सेमीकंडक्टर वह पदार्थ है जिसकी विद्युत चालकता चालक और कुचालक के बीच होती है, और जिसे अशुद्धि मिलाकर, वोल्टेज लगाकर, या तापमान व प्रकाश बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है। सबसे अधिक प्रयोग सिलिकॉन का होता है, जबकि जर्मेनियम, गैलियम आर्सेनाइड, सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड विशेष कामों में लगते हैं।

डोपिंग सिलिकॉन के साथ क्या करती है?

डोपिंग किसी दूसरे तत्व की नाममात्र मात्रा मिलाकर गतिशील आवेश वाहक देती है। फ़ॉस्फ़ोरस या आर्सेनिक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन देकर n-टाइप बनाते हैं; बोरॉन या गैलियम होल बनाकर p-टाइप बनाते हैं। पदार्थ विद्युत-उदासीन ही रहता है — डोपिंग यह तय करती है कि कौन-सा वाहक हावी होगा, कुल आवेश नहीं।

ट्रांज़िस्टर धारा को कैसे स्विच करता है?

MOSFET में कुचालक-रहित गेट पर लगा वोल्टेज एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो वाहकों को सिलिकॉन की सतह पर खींचकर स्रोत और ड्रेन के बीच चालक चैनल बना देता है। चैनल हो तो धारा बहती है, न हो तो रुक जाती है। गेट कुचालक से अलग होने के कारण इस नियंत्रण में लगभग कोई धारा ख़र्च नहीं होती।

बैंड गैप क्यों महत्वपूर्ण है?

बैंड गैप तय करता है कि इलेक्ट्रॉन को गतिशील होने के लिए कितनी ऊर्जा चाहिए। इसी से तय होता है कि पदार्थ सेमीकंडक्टर जैसा बर्ताव करेगा या नहीं, वह किन तरंगदैर्घ्य का प्रकाश सोख या छोड़ सकता है, ऊँचे तापमान पर कितनी रिसाव धारा होगी, और वह कितना वोल्टेज सह सकता है — इसीलिए अलग-अलग उपयोगों के लिए अलग-अलग सेमीकंडक्टर चाहिए होते हैं।