विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्ति

विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्ति : विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्ती या घन अवस्था साधनाद्वारे संकेताचे विद्युत् भारात रूपांतर करण्यात येते व त्यात हा विद्युत् भार एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी सरकविण्याची व्यवस्था केलेली असते. या साधनात स्वीकारक अपद्रव्य मिश्रित पोकळीयुक्त p-प्रकारच्या सिलिकॉनाच्या अधःस्तरावर [⟶ अर्धसंवाहक] सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडाचा पातळ थर असून त्यावर ॲल्युमिनियमाचे पातळ थर १, २, ३, इ. [⟶ आ. १ (अ) व (आ)] चढविलेले असतात. त्यांना द्वार म्हणतात. द्वारपट्ट्यांची लांबी १/१०० मिमी. पर्यंत असून दोन द्वारांमधील अंतर १/१००० मिमी. असते. अशा त्रि-प्रावस्था प्रयुक्तीमध्ये १-४-७-१० एकत्र तसेच २-५-८ आणि ३-६-९ एकत्र जोडलेले असतात. काही साधनांत विद्युत् संकेताचे विद्युत् भारात रूपांतर करून तो वरील साधनात सोडण्यासाठी आणि तो विद्युत् भार काढून घेऊन त्याचे पुनःश्च संकेतात रूपांतर करण्यासाठी विद्युत् अग्राची व्यवस्था केलेली असते.

त्यांना अनुक्रमे आदान (निविष्ट) द्विप्रस्थ, आदान द्वार आणि प्रदान (निष्पन्न) द्वार आणि प्रदान द्विप्रस्थ म्हणतात. आदान द्विप्रस्थाच्या द्वारा इलेक्ट्रॉन साधनात सोडले जातात. प्रदान द्विप्रस्थ विद्युत् भाराचे संसूचन किंवा अभिज्ञान करतो. आदान द्विप्रस्थ, आदान द्वार आणि द्वार – १ हे मिळून मॉस्फेट (MOSFET मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रँझिस्टर) सारखे कार्य करतात. प्रयुक्तीची संरचना अनेक द्वारे असलेल्या मॉस (MOS मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर) ट्रँझिस्टरासारखी आहे. प्रत्येक धातु-ऑक्साइड-अर्धसंवाहक संरचना मॉस धारित्रासारखी कार्य करते. [ज्याची विद्युत् संवाहकता निरोधक व संवाहक यांच्या दरम्यानची असते अशा पदार्थाला अर्धसंवाहक म्हणतात ⟶ अर्धसंवाहक].

 आदर्श मॉस संरचनेत धातूला p–प्रकारच्या अर्धसंवाहकाच्या सापेक्ष मोठे धन स्थिर विद्युत् वर्चस् दिले, तर अर्धसंवाहकांचे ऊर्जापट्ट आंतरपृष्ठाशी खालच्या बाजूला वळतात. अर्धसंवाहकाची अंगभूत किंवा निज फेर्मी पातळी p–अर्धसंवाहकाच्या फेर्मी पातळीखाली उतरल्यास आंतरपृष्ठाशी अल्पसंख्य वाहकांची म्हणजे इलेक्ट्रॉनांची संख्या मोठी होते व आंतरपृष्ठाशी n–प्रकारचा थर बनतो. याला प्रतिलोमन म्हणतात. आंतरपृष्ठभागाजवळची अंगभूत फेर्मी पातळी आणि अर्धसंवाहकाच्या अंतर्भागातील अंगभूत फेर्मी पातळी यांमधील अंतराला पृष्ठ वर्चस् म्हणतात. तेψ_S ने दर्शविले आहे [आ. २ (अ)].

अंतर्भागातील अंगभूत फेर्मी पातळी आणि फेर्मी पातळी यांमधील अंतरψ_B ने दर्शविले आहे. ψ_S = 2 ψ_B झाल्यास तीव्र प्रतिलोमन होते.  या परिस्थितीत प्रतिलोमन थरातील इलेक्ट्रॉन संहती (प्रमाण) अर्धसंवाहकाच्या अंतर्भागातील बहुसंख्य वाहकांच्या संहती-एवढी होते. याचा परिणाम म्हणजे द्वारांचे धन वर्चस् व त्यायोगे उत्पन्न होणारे विद्युत् क्षेत्र यांपासून अर्धसंवाहकातील रिक्त प्रदेश परिरक्षित राहतो. या परिस्थितीत रिक्त प्रदेशाची जाडी महत्तम असते [आ. २ (आ)]. ज्या विद्युत् दाबाला अशी परिस्थिती होते त्या विद्युत् दाबाला अधःसीमा विद्युत् दाब म्हणतात. यापेक्षा द्वार वर्चस् वाढविले, तर वाढलेले वर्चस् निरोधकावर-ऑक्साइड थरावर-पडते व प्रतिलोमन थरातील इलेक्ट्रॉन संहती वाढते. वर्चस् जेवढे जास्त तेवढी इलेक्ट्रॉन संहती जास्त असते. धातुपट्टीवर लावलेल्या धन वर्चस्वामुळे अर्धसंवाहक-निरोधक आंतरपृष्ठाशी वर्चस् कूप तयार होतो. या कूपाची खोली वर्चसाच्या समप्रमाणात असते. वर्चस् कूप जेवढे जास्त खोल तेवढीच त्यात मावू शकणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांची संख्या मोठी असते. वर्चस् कूपात साचणारे इलेक्ट्रॉन हे मुक्त इलेक्ट्रॉन असून ते पृष्ठभागाच्या जवळपासच्या अर्धसंवाहकात औष्णिक रीत्या निर्माण झालेले असतात. या इलेक्ट्रॉनांद्वारे वर्चस् कूप पूर्ण भरण्यास लागणाऱ्या कालाला औष्णिक शिथिलन काल म्हणतात हा काल अर्धसंवाहक, निरोधक आणि त्यांचे आंतरपृष्ठ यांच्या गुणधर्मांवर अवलंबून असतो. उत्तम पदार्थ आणि योग्य तंत्राचा उपयोग केल्यास हा काल बराच मोठा करता येतो.

द्वाराला स्थिर वर्चस् न देता मोठा धन स्पंद लावला, तर अर्धसंवाहक-ऑक्साइड आंतरपृष्ठावर खोल वर्चस् कूप निर्माण होतो व स्थिर वर्चसामुळे मिळणाऱ्या महत्तम रिक्त प्रदेशापेक्षा जाड रिक्त प्रदेश तयार होतो. या क्षणिक अवस्थेला खोल रिक्तता म्हणतात. अशा परिस्थितीत वर्चस् कूपात बाहेरून अन्य मार्गांनी इलेक्ट्रॉन सोडले, तर ते कूपात साठतात. औष्णिक रीत्या निर्माण झालेले इलेक्ट्रॉन या कूपात येण्यापूर्वी हा इलेक्ट्रॉन विद्युत् भार दुसऱ्या ठिकाणी (दुसऱ्या द्वाराखाली) नेतात. विद्युत् भार युग्मिता प्रयुक्तीचे कार्य या तत्त्वावर आधारलेले आहे. 

 आ. १ (इ) मध्ये १, ४, ७ इ. द्वारांवर क_१ वेळी धन वर्चस् स्पंद ‘व’  असून त्यांचा खाली बनलेल्या वर्चस् कूपामध्ये [आ. १ (ई)]. इलेक्ट्रॉन भरले आहेत. द्वार-१ खालचे इलेक्ट्रॉन आदान द्विप्रस्थापर पूर्वी आलेल्या संकेताद्वारे अंतःक्षेपित आहेत. द्वार-४ खालच्या वर्चस् कूपात इलेक्ट्रॉन नाहीत. ते रिकामे आहे क_२ वेळी द्वार – १ व -२ या दोहोंचे वर्चस् व असते. त्यामुळे दोन्ही द्वारांच्या खालचे वर्चस् कूप जुळतात व पूर्वी वर्चस् कूप-१ मध्ये असलेले इलेक्ट्रॉन जुळलेल्या कूपात पसरतात. क_३ वेळी द्वार-१ चे वर्चस् व/२ होते  परंतु द्वार-२ चे वर्चस् व हेच राहते. त्यामुळे द्वार-१ च्या कूपांची खोली कमी होते. त्यांतील इलेक्ट्रॉन द्वार-२ च्या कूपात उतरतार. क_४ वेळी द्वार-१ चे वर्चस् ० होते   पण द्वार-२ चे वर्चस् व असल्यामुळे सर्व विद्युत् भार द्वार-२ च्या कूपात राहतो. या सर्व प्रसंगी द्वार-३ चे वर्चस् ० असल्यामुळे विद्युत् भार वर्चस् कूप-२ च्या पलीकडे जाऊ शकत नाही. या सर्व क्रिया रीतसर व्हाव्यात यासाठी वर्चस् स्पंद द्वारांना योग्य प्रावस्थांमध्ये लावणे आवश्यक आहे. अशा प्रकारे आदान द्विप्रस्थाने अंतःक्षेपित विद्युत् भार प्रदान द्विप्रस्थापर्यंत पोहोचतो. तेथून विद्युत् संकेत बाहेर घेऊन त्यावर आवश्यक त्या प्रक्रिया केल्या जातात.

 स्थानांतरण होत असताना खालील बाबींचा विद्युत् भार संपुटावर परिणाम होतो. औष्णिक विसरण आणि प्रतिसरण यांमुळे विद्युत् भार संपुट पसरते. निकटवर्ती द्वारांवर भिन्न वर्चसे असल्यामुळे विद्युत् क्षेत्र पृष्ठभागावर पसरते. या सीमावर्धित क्षेत्राचादेखील विद्युत् भार संपुटावर परिणाम होतो.

अर्धसंवाहक-निरोधक आंतरपृष्ठावर संवहन पट्ट आणि संयुजा पट्ट यांच्यामधील पट्ट-अंतरालामध्ये ऊर्जा पातळ्या असतात. त्यांना पृष्ठ-अवस्था म्हणतात. इलेक्ट्रॉन संपुटाचा पृष्ठ-अवस्थांशी संपर्क आला की, काही इलेक्ट्रॉन त्या अवस्थांमध्ये अडकून पडतात. इलेक्ट्रॉन संपुट पुढे गेल्यावर अडकलेले इलेक्ट्रॉन हळूहळू बाहेर पडतात. त्यांतील काही पूर्वीच्या संपुटात जातात  परंतु काही इलेक्ट्रॉन एवढ्या सावकाश बाहेर येतात की, ते नंतर येणाऱ्या संपुटात सापडतात. यामुळे स्थानांतरण कार्यक्षमता कमी होते.

हा दुष्परिणाम दोन प्रकारे टाळतात. रिकाम्या कूपात पृष्ठ-अवस्थेतील इलेक्ट्रॉन जाऊन पडतात म्हणून पूर्णतः रिकामे वर्चस् कूप न ठेवणे हा एक उपाय आहे. कूपामध्ये किमान विद्युत् भार ठेवला म्हणजे द्वारांच्या खालून स्थिर पश्चगामी विद्युत् भार वाहत राहतो. त्यायोगे पृष्ठ-अवस्था सदैव इलेक्ट्रॉनांनी भरलेल्या राहतात व त्यांचा संकेत विद्युत् भारावर परिणाम होत नाही. किमान विद्युत् भार कूपाच्या इलेक्ट्रॉन धारकतेच्या १५-२० % असतो. याला संतुष्ट शून्य म्हणतात.

स्थानांतरण कार्यक्षमता सुधारण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे न्यूनतम वर्चसाचे स्थान पृष्ठभागाच्या खाली नेणे हा होय. ही क्रिया आयन रोपण अथवा दिष्ट उपरी थर या तंत्राद्वारे साध्य होते. या प्रसंगी विद्युत् भार संचय होण्याचे स्थान नियंत्रक विद्युत् अग्रापासून दूर गेल्याने महत्तम विद्युत् भार घनता १/२-१/३ ने कमी होते परंतु या संरचनेमध्ये सीमावर्धित क्षेत्र वाढते म्हणून विद्युत् भार लवकर स्थानांतरित होतो. विद्युत् भार आंतरपृष्ठावरून न सरकता खोलवर असलेल्या परिवाहातून जात असल्याने तो पृष्ठ चलनशीलतेने न सरकता आयतन चलनशीलतेने सरकतो. आयतन चलनशीलता पृष्ठ चलनशीलतेपेक्षा जास्त असते. त्यामुळे हे साधन उत्तम प्रकारे कार्य करू शकते. याला अंतर्गत परिवाह विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्ती म्हणतात. विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्तीचा एकदिश (एकाच दिशेत वाहणाऱ्या) विद्युत् प्रवाहात उपयोग करता येत नाही. तसेच त्याच्या वापरण्यात ऊर्जा कमी लागते. १/१०० मिमी. पेक्षा कमी लांबीची द्वारे वापरल्यास ही साधने १ कोटी हटर्झापेक्षा जास्त कंप्रतेवर वापरता येतात. आधुनिक तंत्रामुळे प्रत्येक स्थानांतरणाची कार्यक्षमता ९९.९ टक्क्यांपर्यंत मिळू शकते. तसेच एका एककामध्ये १,००० द्वारे सहज चढविता येतात. अशी साधने सिलिकॉनाप्रमाणे गॅलियम आर्सेनाइडावर तयार करण्यात आली  आहेत. त्रि-प्रावस्थांच्या कालदर्शी स्पंदांप्रमाणे दोन प्रावस्थांच्या कलदर्शी स्पंदांचा उपयोग करता येतो परंतु त्यांसाठी विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्तीची वेगळ्या प्रकारची संरचना करावी लागते. रेखीय मांडणीच्या साधनाप्रमाणे पृष्ठस्थ (पृष्ठलग्न) मांडणी असलेली साधने ढलप्यावर (चिपेवर) बनविण्यात येतात. त्यात दोन रांगांमध्ये २-३ सहस्त्रांश मिमी. अंतर असते.

 या साधनाचा महत्त्वाचा उपयोग प्रतिमाकरणासाठी वा प्रतिमादर्शनासाठी होतो. त्यासाठी आदान द्विप्रस्थ इत्यादींची आवश्यकता नसते. अर्धसंवाहकावर प्रकाश पडला की, इलेक्ट्रॉन निर्माण होतात. साधनावर एखाद्या चित्राची प्रतिमा पडली, तर प्रकाशाद्वारे निर्माण झालेले इलेक्ट्रॉन प्रकाशतीव्रता भिन्न भिन्न असलेल्या स्थानी साचतात. त्यांची संख्या त्या ठिकाणाच्या प्रकाशाच्या तीव्रतेच्या प्रमाणात असते. अशा प्रकारे प्रतिमेचे विद्युत् भाराच्या चित्रात रूपांतर होते. हे विद्युत् भार विस्थापित करून त्यांचे अभिलेखन (नोंदणी) करतात. हे साधन प्रकाशाला छायाचित्रणाच्या पटलाच्या (फिल्मच्या) ५० पट संवेदनशील असल्यामुळे ज्योतिषशास्त्रात प्रतिमानिर्मितीसाठी अतिशय उपयुक्त ठरले आहे. हवाई छायाचित्रण, प्रकाशकीय दूरदर्शकाने पाहिलेल्या प्रतिमा साठविणे इत्यादींसाठी या साधनाचा उपयोग होतो.

आदान द्विप्रस्थामधून घेतलेला संकेत प्रदान द्विप्रस्थामधून बाहेर पडण्यास किती विलंब लागतो हे द्वारांची संख्या व स्पंदांची कंप्रता यांवर अवलंबून असते. तेव्हा स्पंदांची कंप्रता बदलून विलंबकाल सहज नियंत्रित करता येते, म्हणून विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्तीचा विलंब तारमार्ग म्हणून उपयोग करतात. याशिवाय संकलित मंडलातील क्रमवार स्मृती, विविध संकेत भरण, विस्थापन नोंदवही इ. कामांसाठी हे साधन वापरता येते. 

सिलिकॉन चिपेवरील प्रकाशसंवेदी द्रव्यामुळे फोटॉन इलेक्ट्रॉनीय रीतीने ओळखता येतात. संकलित सूक्ष्म मंडलाच्या योजनेमुळे ओळखलेले असे संकेत सुट्या चित्रघटकाच्या रांगेला अनुसरून स्थानांतरित होतात व त्यामुळे स्वस्थ ज्योतींचे अतिजलदपणे क्रमवीक्षण (क्रमाक्रमाने निरीक्षण) करता येते. असे सुटे घटक एकेरी रांगेत मांडले गेल्यास एकरेषीय रचनाव्यूह आणि ते घटक रांगेत व स्तंभात मांडले गेल्यास द्विमितीय रचनाव्यूह ही मांडणी तयार होते.

हबल अवकाश दूरदर्शकात १,६०० X १,६०० चित्रघटक रचनाव्यूह असलेला अशा प्रयुक्तीचा अभिज्ञातक (ओळखणारा घटक-डिटेक्टर) आहे. यात प्रत्यक्षात ८०० X ८०० चित्रघटक रचनाव्यूह एकत्र जोडलेले आहेत. छायाचित्रीय काचेपेक्षा हे १०० पट संवेदनशील असल्याने ग्रह, अभ्रिका, ताराकगुच्छ इत्यादींच्या क्रमवीक्षणासाठी व त्यांच्याविषयीची योग्य माहिती नोंदविण्यासाठी ही प्रयुक्ती उपयुक्त आहे. अभिज्ञातकातील द्रव्य बदलून अन्य तरंगलांबीसाठी अधिक संवेदनशीलता मिळविता येते. उदा., काही अभिज्ञातक वर्णपटातील तांबड्यापेक्षा निळ्या भागाला अधिक संवेदनशील असतात.

अवकाशातील वेधशाला, मोठे रेडिओ दूरदर्शक व अशा इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्ती १९६०-७० या दशकापासून अधिक वापरल्या जाऊ लागल्या. त्यामुळे दीघिकांचे (अब्जावधी तारे असलेलया आकाशगंगेसारख्या समूहांचे) तपशीलवार नकाशे, तसेच अवकाशातील अवरक्त, रेडिओ व क्ष-किरण यांच्या उद्गमांच्या याद्या तयार करता आल्या. प्रकाशीय प्रतिमादर्शनात याची गरज नसते. विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्ती हे सुविकसित साधन आहे. त्यामुळे ते वापरण्यासाठी कुशलता लागते. द्विस्तरीय विद्युत् भार युग्मित प्रयुक्ती अभिज्ञातकाची रचना करण्याचे प्रयत्न चालू आहेत.

पहा : अर्धसंवाहक इलेक्ट्रॉनीय प्रयुक्ति घन-अवस्था भौतिकी.

संदर्भ : 1. Millman, J. Grabel, A. Microelectronics, New York, 1988.

           2. Nachaudhari, D., Semiconductor Devices, Bombay, 1989.

           3. Streetmen, B. G. Solid State Electronic Devices, Bombay, 1986.

           4. Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices, 1987.

खांडेकर, पु. वि.

“