ఎలక్ట్రానిక్స్‌

 అర్ధవాహక వలయాల అధ్యయనం! 

  మొబైల్‌ వెనుక కవర్‌ను ఒకసారి తెరిచి చూస్తే అందులో అనేక చిన్న చిన్న సర్క్యూట్లు కనిపిస్తాయి. అవే ఫోన్‌ నుంచి కాల్స్‌ చేయడానికి, ఫోటోలు, వీడియోలు తీయడానికి, గేమ్స్‌ ఆడుకోవడానికి వీలు కల్పించే ఎలక్ట్రానిక్‌ వలయాలు. ఫ్లాష్‌లైట్‌ను ఆన్‌ చేసినప్పుడు కూడా ఒక సర్క్యూట్‌ పూర్తయి విద్యుత్తు ప్రవహించి బల్బు వెలుగుతుంది. ఆ ఎలక్ట్రికల్‌ సర్క్యూట్లలో విద్యుత్తు ప్రవాహం, సంబంధిత పరికరాల పనితీరు అధ్యయనమే ఎలక్ట్రానిక్స్‌. నిత్య జీవితంలో అత్యంత కీలకమైన ఈ విభాగంలోని ప్రధానాంశాలైన విద్యుత్తు వాహకాలు, బంధకాలు, అర్ధవాహకాలు, ముఖ్య పరికరాల గురించి అభ్యర్థులకు అవగాహన ఉండాలి. ఎలక్ట్రానిక్‌ వస్తువుల్లో భాగాలైన రెసిస్టర్‌లు, కెపాసిటర్లు, ఇండక్టర్‌లు, డయోడ్‌లు, ట్రాన్సిస్టర్‌లు, సర్క్యూట్‌లు, అందులోని భాగాలు, అవి నిర్వర్తించే పాత్ర గురించి తెలుసుకోవాలి.

ఎలక్ట్రాన్‌ల ప్రవర్తన, ప్రవాహాన్ని నియంత్రించే పరికరాల రూపకల్పన, వినియోగం గురించి అధ్యయనం చేసే భౌతికశాస్త్ర విభాగాన్ని ఎలక్ట్రానిక్స్‌ అంటారు. దీన్నే అర్ధవాహక భౌతికశాస్త్రం అని కూడా అంటారు.

ఉష్ణ అయానిక ఉద్గారం: శూన్యంలో లోహపు తీగను అధిక ఉష్ణోగ్రతతో వేడి చేసినప్పుడు దాని నుంచి ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉద్గారం అవుతాయి. వాటిని థర్మియాన్లు అంటారు. ఈ ప్రక్రియను థర్మియానిక్‌ ఉత్సర్గం అంటారు. 1884లో థామస్‌ ఆల్వా ఎడిసన్‌ ఈ ప్రక్రియను కనుక్కున్నాడు. దీని ఆధారంగా డయోడ్‌లు, ట్రయోడ్‌లు అనే శూన్యనాళికలను తయారుచేస్తారు.

డయోడ్‌ వాల్వ్‌: దీనిని 1904లో జాన్‌ ఫ్లెమింగ్‌ కనుక్కున్నారు. ఇది ఏకాంతర ప్రవాహాన్ని (AC) ఏక ముఖ ప్రవాహం (DC) గా మారుస్తుంది.

ట్రయోడ్‌ వాల్వ్‌: దీనిని 1907లో ఫారెస్ట్‌ కనుక్కున్నారు. ఆంప్లిఫయర్, ఆసిలేటర్, మాడ్యులేటర్‌ వలయాల్లో ఉపయోగిస్తారు.

అర్ధవాహకాలు: విద్యుత్తు వాహకాలు, బంధకాలకు మధ్యస్థంగా ఉండే పదార్థాలను అర్ధవాహకాలు అంటారు. సిలికాన్‌ (Si), జెర్మేనియం (Ge) మూలకాలు అర్ధవాహకాలు. సున్నా కెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్వచ్ఛమైన అర్ధవాహకాలు విద్యుత్తు బంధకాలుగా ఉంటాయి. ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ అర్ధవాహకాల వాహకత్వం పెరుగుతుంది. మలినాలను కలపడం ద్వారా స్వచ్ఛమైన అర్ధవాహకాలు p - రకం,  n - రకం అర్ధ వాహకాలుగా మారతాయి.

P - రకం అర్ధవాహకం: ఇడియం లాంటి ఒక త్రిసంయోజక మూలకంతో మాదీకరణం చేసిన Si లేదా Ge ను p - రకం అర్ధవాహకం అంటారు. దీనిలో త్రిసంయోజక మాలిన్యం అదనపు రంధ్రాలను ఏర్పరచడం వల్ల అది p - రకం అర్ధవాహకం అవుతుంది. అందులో అధిక ఆవేశ వాహకాలు రంధ్రాలు. 

n - రకం అర్ధవాహకం: ఆర్సెనిక్‌ లాంటి ఒక పంచ సంయోజక మూలకంతో మాదీకరణం చేసిన Si లేదా Ge ను n-రకం అర్ధవాహకం అంటారు. దీనిలో పంచ సంయోజక మాలిన్యం అదనపు ఎలక్ట్రాన్లను ఇవ్వడం వల్ల అది -  రకం అర్ధవాహకం అవుతుంది. దీనిలో అధిక ఆవేశ వాహకాలు ఎలక్ట్రాన్‌లు.

స్వభావజ అర్ధవాహకం: మాదీకరణం చేయని స్వచ్ఛమైన అర్ధవాహకం (Si లేదా Ge) ను స్వభావజ అర్ధవాహకం అంటారు. దీనిలో ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య రంధ్రాల సంఖ్యకు సమానం.

అస్వభావజ అర్ధవాహకం: పంచ లేదా త్రిసంయోజక మూలకంతో మాదీకరణం చేసిన అర్ధవాహకం (Si లేదా Ge)  ను అస్వభావజ అర్ధవాహకం అంటారు.

p - n సంధి డయోడ్‌: p - రకం, n - రకం అర్ధవాహకాలను కలపడం ద్వారా pn -  సంధి డయోడ్‌ ఏర్పడుతుంది. p-n సంధి డయోడ్‌ పురోబయాస్‌లోనే విద్యుత్తును ప్రసారం చేస్తుంది. రస్సెస్, ఓల్‌ అనే శాస్త్రవేత్తలు 1939లో అమెరికాలోని బెల్‌ పరిశోధనశాలలో రూపొందించారు. దీనిని ఉపయోగించి AC ని DC గా మార్చవచ్చు. ఎలక్ట్రానిక్‌ వలయాల్లో ఇది స్విచ్‌గా ఉపయోగపడుతుంది.

పురోశక్మం: ఒక డయోడ్‌ p - రకం కొనను బ్యాటరీ ధన టర్మినల్‌కు, n -  రకం కొనను రుణ టర్మినల్‌కు కలిపితే ఆ డయోడ్‌ పురోశక్మం/వాలుబయాస్‌లో ఉందని అంటారు.

తిరోశక్మం: ఒక డయోడ్‌ p- రకం కొనను బ్యాటరీ రుణ టర్మినల్‌కు, n -  రకం కొనను ధన టర్మినల్‌కు కలిపితే ఆ డయోడ్‌ తిరోశక్మం/ఎదురు బయాస్‌లో ఉందని అంటారు.

జెన్నర్‌ డయోడ్‌: పురోశక్మంలో పదునైన భంజన వోల్టేజీ ఉండటానికి తగిన విధంగా మాదీకరణం చేసిన డయోడ్‌ను జెన్నర్‌ డయోడ్‌ అంటారు. దీన్ని డాక్టర్‌ క్లారెన్స్‌ పెల్విన్‌ జెన్నర్‌ కనుక్కున్నాడు. దీన్ని వోల్టేజీ నియంత్రకంగా ఉపయోగిస్తారు. వలయంలో ఎల్లప్పుడూ తిరోబయాస్‌లో కలుపుతారు.

కాంతి డయోడ్‌: మిశ్రమ అర్ధవాహకాలు గాలియం ఆర్సినైడ్‌ (GaA), గాలియం ఫాస్ఫైడ్‌ (GaP) వంటి పదార్థాలతో తయారుచేసిన డయోడ్‌లు కాంతిని ఉద్గారం చేస్తాయి. నిక్‌ హెలోన్యాక్‌ జూనియర్‌ 1962లో దీనిని కనుక్కున్నాడు. మిశ్రమ అర్ధవాహకంలోని అనుఘటకాలు LED నుంచి ఉద్గారమయ్యే రంగును నిర్ధారిస్తాయి. పరారుణ LED ని రిమోట్‌ కంట్రోల్‌లో ఉపయోగిస్తారు.

సౌరఘటం: సౌరశక్తిని విద్యుత్తుగా మార్చే సాధనాన్ని సౌరఘటం అంటారు. ఇది ఫొటో వోల్టాయిక్‌ ప్రభావంపై ఆధారపడి పనిచేస్తుంది.

జెన్నర్‌ భంజన వోల్టేజీ: అధికంగా మాదీకరణం చేసిన సన్నని లేమి పొర ఉన్న సంధులకు ఇది ఉంటుంది. ఈ భంజన వోల్టేజి లేమి పొర వద్ద బలమైన విద్యుత్తు క్షేత్రాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఈ క్షేత్రం సంయోజనీయ బంధాలను విచ్ఛేదించి ఎలక్ట్రాన్‌ - రంధ్రాల జంటలను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. పురోశక్మంలోని కొద్ది పెరుగుదల వల్ల అధిక ఆవేశ వాహకాలు ఉద్భవించి జెన్నర్‌ భంజన ఏర్పడుతుంది.

అవోలాన్‌ భంజన వోల్టేజీ: అల్పంగా మాదీకరణం చేసిన, వెడల్పు లేమి పొర ఉన్న సంధులకు ఇది ఉంటుంది. ఈ భంజన వోల్టేజీ లేమి పొర వద్ద మామూలు విద్యుత్తు క్షేత్రాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. దీనిలో అల్పసంఖ్యాక ఆవేశ వాహకాలు పరమాణువులను ఢీకొనడం వల్ల సంయోజనీయ బంధాలు విచ్ఛేదనకు లోనై ఎలక్ట్రాన్‌ - రంధ్రాలు జంటలు ఉత్పత్తి అవుతాయి. ఈ ఆవేశ వాహకాలు విద్యుత్తు క్షేత్రం వల్ల త్వరణీకరణకు గురై ఇతర బంధాలతో జరిపే అభిఘాతాల వల్ల అవోలాన్‌ భంజన ఏర్పడుతుంది.

సార్వత్రిక ద్వారాలు: NAND, NOR ద్వారాలను సార్వత్రిక ద్వారాలు అంటారు. ఎందుకంటే ఈ రెండు ద్వారాల్లో ఏ ఒక్కదాన్ని లేదా రెండింటినైనా ఉపయోగించి ఇతర ద్వారాలను నిర్మించవచ్చు.

అర్ధతరంగ ఏకధిక్కరణి: దీనిలో ఒక డయోడ్‌ మాత్రమే ఉంటుంది. ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌కు సెంటర్‌ టాప్‌ ఉండదు. అర్ధతరంగ ఏకధిక్కరణి AC తరంగంలో సగాన్ని మాత్రమే DC గా మారుస్తుంది. దీని గరిష్ఠ దక్షత 40.6%.

పూర్ణ తరంగ ఏకధిక్కరణి: దీనిలో రెండు డయోడ్లు ఉంటాయి. ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌కు సెంటర్‌టాప్‌ ఉంటుంది. పూర్ణతరంగ ఏకధిక్కరణి పూర్తి AC తరంగాన్ని DC గా మారుస్తుంది. దీని గరిష్ఠ దక్షత 81.2%.

ట్రాన్సిస్టర్‌: రెండు సంధులు ఉన్న అర్ధవాహక సాధనాన్ని ట్రాన్సిస్టర్‌ అంటారు. దీనిలో మూడు భాగాలుంటాయి.

1) ఉద్గారకం: ట్రాన్సిస్టర్‌లో ఆవేశ వాహకాలను ఇచ్చే భాగాన్ని ఉద్గారకం అంటారు. ఇది ఎక్కువగా మాదీకరణం చెంది ఉంటుంది.

2) ఆధారం: ట్రాన్సిస్టర్‌లో ఆవేశ వాహకాలను తన ద్వారా వెళ్లనిచ్చే మధ్య భాగాన్ని ఆధారం అంటారు. ఇది సన్నగా, తక్కువగా మాదీకరణం చెంది ఉంటుంది.

3) సేకరిణి: ట్రాన్సిస్టర్‌లో ఆవేశ వాహకాలను సేకరించే భాగాన్ని సేకరిణి అంటారు. ఇది మధ్యస్థంగా మాదీకరణం చెంది ఉంటుంది.

 ట్రాన్సిస్టర్లు ప్రధానంగా రెండు రకాలు.

1) p-n-p ట్రాన్సిస్టర్‌: రెండు p - రకం అర్ధవాహకాలు, ఒక n-రకం అర్ధవాహకంతో వేరుచేసి ఉన్న అర్ధవాహక సాధనాన్ని p-n-p ట్రాన్సిస్టర్‌ అంటారు. దీనిలో అధిక ఆవేశ వాహకాలు రంధ్రాలు.

2) n-p-n ట్రాన్సిస్టర్‌: రెండు n- రకం అర్ధవాహకాలు, ఒక n-రకం అర్ధవాహకంతో వేరుచేసి ఉన్న అర్ధవాహక సాధనాన్ని n-p-n ట్రాన్సిస్టర్‌ అంటారు. దీనిలో అధిక ఆవేశ వాహకాలు ఎలక్ట్రాన్‌లు.

వర్ధనం: ఒక సంకేత బలాన్ని పెంచే ప్రక్రియను వర్ధనం అంటారు. వర్ధనం కోసం వాడే సాధనాన్ని వర్ధకం అంటారు. రేడియో, టీవీ లాంటి అనేక ఎలక్ట్రానిక్‌ సాధనాల్లో వర్ధనాలను వాడతారు. ట్రాన్సిస్టర్‌ను వర్ధకంగా ఉపయోగిస్తారు.

 

మాదిరి ప్రశ్నలు
 

1. కిందివాటిలో వర్ధకంగా ఉపయోగించే పరికరం?

1) LED   2) జెన్నర్‌ డయోడ్‌

3) ట్రాన్సిస్టర్‌   4) సౌర ఘటం

 

2. ట్రయోడ్‌ వాల్వ్‌లను కనుక్కున్న శాస్త్రవేత్త? 

1) ఫారెస్ట్‌   2) జాన్‌ ఫ్లెమింగ్‌

3) రస్సెల్‌   4) జెన్నర్‌

 

3.కిందివాటిలో అర్ధవాహకాన్ని గుర్తించండి.

1) బోరాన్‌    2) సిలికాన్‌   3) ఆస్టాటిన్‌    4) అయోడిన్‌

4. కిందివాటిలో వోల్టేజి నియంత్రకంగా ఉపయోగించే పరికరం?

1) కాంతి డయోడ్‌   2) సౌరఘటం   3) జెన్నర్‌ డయోడ్‌    4) ట్రాన్సిస్టర్‌

 

 

5. ఆంప్లిఫయర్, మాడ్యులేటర్‌ వలయాల్లో ఉపయోగించే పరికరం?

1) ట్రయోడ్‌ వాల్వ్‌    2) డయోడ్‌ వాల్వ్‌

3) p-n సంధి డయోడ్‌   4) ట్రాన్సిస్టర్‌

 

6. అర్ధతరంగ ఏకధిక్కరణి గరిష్ఠ దక్షత?

1) 81.2%   2) 40.6%    3) 24.2%    4) 12.4%

 

7. కిందివాటిలో సౌరశక్తిని విద్యుత్‌ శక్తిగా మార్చే సాధనం? 

1) కాంతి డయోడ్‌    2) p-n  సంధి డియోడ్‌

3) జెన్నర్‌ డయోడ్‌     4) సౌరఘటం

 

8. కాంతి డయోడ్‌ను కనుక్కున్న శాస్త్రవేత్త?

1) నిక్‌ హెలోన్యాక్‌ జూనియర్‌   2) రస్సెల్, ఓల్‌

3) జాన్‌ ఫ్లెమింగ్‌    4) ఫారెస్ట్‌

 

9. ఎలక్ట్రానిక్‌ వలయాల్లో స్విచ్‌గా ఉపయోగించే అర్ధవాహకం?

1) ట్రాన్సిస్టర్‌   2) జెన్నర్‌ డయోడ్‌

3) p-n   సంధి డయోడ్‌    4) కాంతి డయోడ్‌

 

10. రేడియో, టీవీ వంటి ఎలక్ట్రానిక్‌ సాధనాల్లో ఉపయోగించే పరికరం?

1) n-p-n   ట్రాన్సిస్టర్‌    2) p-n-p ట్రాన్సిస్టర్‌

3) p-n  సంధి డయోడ్‌    4) వర్ధనం

 

సమాధానాలు: 1-3; 2-1; 3-2; 4-3; 5-1; 6-2; 7-4; 8-1; 9-3; 10-4.

 

 

రచయిత: చంటి రాజుపాలెం