सेमीकंडक्टर म्हणजे काय व याचे उपयोग कोणते ?

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान हे आधुनिक डिजिटल युगाच्या केंद्रस्थानी आहे, जे आपल्या दैनंदिन जीवनात अविभाज्य बनलेल्या उपकरणांना आणि प्रणालींना विद्युत ऊर्जा प्रदान करते.

स्मार्टफोन, लॅपटॉपपासून ते वैद्यकीय उपकरणे आणि नूतनीकरणक्षम ऊर्जा प्रणालींपर्यंत, सेमीकंडक्टर तांत्रिक प्रगती सक्षम करण्यात आणि इंटरनेट सोबत परस्पर जोडलेल्या जगाला आकार देण्यासाठी महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते.

सदर लेख सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाच्या मूलभूत गोष्टी, त्याचे अनुप्रयोग आणि विविध उद्योगांवर होणारे परिणाम याचा संदर्भ देतो.

अनुक्रमणिका


सेमीकंडक्टर म्हणजे काय ?

सेमीकंडक्टर म्हणजे काय

सेमीकंडक्टरला मराठीत अर्धसंवाहक असे म्हटले जाते. सेमीकंडक्टर ही एक अशी सामग्री आहे, ज्यामध्ये कंडक्टर आणि इन्सुलेटर यांच्यामध्ये विद्युत चालकता असते. इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात हा एक महत्वाचा घटक आहे, जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचा आधार बनतो.

सेमीकंडक्टर हे विशेषत: नियतकालिक सारणीतील घटकांपासून बनलेले असतात, जसे की सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge) किंवा गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) आणि इंडियम फॉस्फाइड (InP) सारख्या संयुगे इत्यादी.

सेमीकंडक्टरची चालकता त्याच्या क्रिस्टल जाळीच्या संरचनेत अशुद्धता आणून नियंत्रित आणि हाताळली जाऊ शकते, ही प्रक्रिया डोपिंग म्हणून ओळखली जाते.

डोपिंग फ्री चार्ज वाहकांची संख्या बदलते, एकतर इलेक्ट्रॉन किंवा इलेक्ट्रॉनची कमतरता “छिद्र” म्हणून ओळखली जाते, जे सेमीकंडक्टरचे विद्युत वर्तन निर्धारित करते. डोपिंगचे दोन सामान्य प्रकार आहेत ते म्हणजे N-type आणि P-type डोपिंग.

N-type डोपिंगमध्ये, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन्स आणण्यासाठी काही अशुद्धता जोडल्या जातात, परिणामी नकारात्मक चार्ज केलेले वाहक जास्त होतात. हे उच्च इलेक्ट्रॉन चालकता असलेली सामग्री तयार करते.

P-type डोपिंगमध्ये, इलेक्ट्रॉनची कमतरता किंवा “छिद्र” तयार करण्यासाठी अशुद्धता जोडल्या जातात, परिणामी सकारात्मक चार्ज वाहक असलेली सामग्री बनते. या दोन प्रकारच्या डोपिंगमधील परस्परसंवाद अनेक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या ऑपरेशनसाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

डायोड, ट्रान्झिस्टर, इंटिग्रेटेड सर्किट्स आणि लाइट-एमिटिंग डायोड (LED) यासह विविध इलेक्ट्रॉनिक घटकांमध्ये सेमीकंडक्टरचा वापर केला जातो. ते विद्युतीय प्रवाहाचे नियंत्रण आणि हाताळणी सक्षम करतात व त्यांना आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सच्या कार्यासाठी मूलभूत बनवतात.

सेमीकंडक्टरमध्ये इलेक्ट्रिकल सिग्नल वाढवण्याची आणि स्विच करण्याची क्षमता संगणक आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये डिजिटल लॉजिक आणि माहिती प्रक्रियेचा आधार बनते.

सेमीकंडक्टर्सचा विकास आणि सूक्ष्मीकरण हे तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीमागे एक प्रेरक ऊर्जा आहे, ज्यामुळे लहान, वेगवान आणि अधिक कार्यक्षम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची निर्मिती होते.


प्रकार

सेमीकंडक्टर्सचे त्यांच्या चालकतेच्या आधारे दोन मुख्य प्रकारांमध्ये विस्तृतपणे वर्गीकरण केले जाऊ शकते: आंतरिक अर्धसंवाहक आणि बाह्य अर्धसंवाहक. हे प्रकार त्यांच्या विद्युत गुणधर्म आणि वर्तनाच्या दृष्टीने भिन्न आहेत.

1. आंतरिक सेमीकंडक्टर

आंतरिक सेमीकंडक्टर हे कोणत्याही हेतुपुरस्सर अशुद्धतेशिवाय शुद्ध अर्धसंवाहक पदार्थ असतात. आंतरिक सेमीकंडक्टरच्या उदाहरणांमध्ये शुद्ध सिलिकॉन (Si) आणि जर्मेनियम (Ge) यांचा समावेश असतो. त्यांच्या शुद्ध स्वरूपात, या सामग्रीमध्ये सकारात्मक आणि नकारात्मक चार्ज वाहकांची संतुलित संख्या असते.

तथापि, खोलीच्या तपमानावर, कमी संख्येने इलेक्ट्रॉन्स कंडक्शन बँडमध्ये थर्मलली उत्तेजित होऊ शकतात, ज्यामुळे विनामूल्य चार्ज वाहक तयार होतात. यामुळे सूक्ष्म स्थिती मोजता येण्याजोगे चालकता येते. अधिक जटिल इलेक्ट्रॉनिक घटकांच्या निर्मितीसाठी अंतर्निहित सेमीकंडक्टर सामान्यत: बेस मटेरियल म्हणून वापरले जातात.

2. बाह्य सेमीकंडक्टर

बाह्य सेमीकंडक्टर हे डोप केलेले अर्धसंवाहक पदार्थ असतात, जेथे त्यांचे विद्युत गुणधर्म बदलण्यासाठी अशुद्धता जाणूनबुजून जोडल्या जातात. डोपिंगच्या प्रकारावर आधारित बाह्य अर्धसंवाहकांचे आणखी दोन प्रकारांमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते:

(i) N-type सेमीकंडक्टर: N-type सेमीकंडक्टर अशुद्धतेसह डोप केलेले असतात, जे क्रिस्टल जाळीच्या संरचनेत अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन समाविष्ट करतात. N-type डोपिंगसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या अशुद्धींमध्ये फॉस्फरस (P) आणि आर्सेनिक (As) यांचा समावेश होतो. जोडलेले इलेक्ट्रॉन सामग्रीमध्ये बहुसंख्य वाहक बनतात आणि ते त्याच्या विद्युत चालकतेमध्ये योगदान देतात. N-type सेमीकंडक्टर सामान्यतः ट्रान्झिस्टर आणि डायोडसारख्या उपकरणांमध्ये वापरले जातात.

(ii) P-type सेमीकंडक्टर: P-type सेमीकंडक्टर अशुद्धतेने भरलेले असतात, जे क्रिस्टल जाळीच्या संरचनेत इलेक्ट्रॉनची कमतरता किंवा “छिद्र” निर्माण करतात. P-type डोपिंगसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या अशुद्धींमध्ये बोरॉन (B) आणि गॅलियम (Ga) यांचा समावेश असतो. ही छिद्रे सामग्रीमध्ये बहुसंख्य वाहक बनतात आणि त्याच्या विद्युत चालकतेमध्ये योगदान देतात. P-type सेमीकंडक्टर देखील विविध इलेक्ट्रॉनिक घटकांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.

N-type आणि P-type अर्धसंवाहकांचे संयोजन pn जंक्शन्सच्या निर्मितीसाठी महत्त्वपूर्ण आहे, जे डायोड, ट्रान्झिस्टर आणि इंटिग्रेटेड सर्किट्स सारख्या अनेक सेमीकंडक्टर उपकरणांचे महत्वपूर्ण घटक आहेत. डोपिंग पातळी हाताळून आणि या सेमिकंडूक्टर्स ची जटिल व्यवस्था तयार करून, अभियंते विविध कार्यक्षमतेसह इलेक्ट्रॉनिक घटकांची विस्तृत श्रेणी तयार करू शकतात.


इतिहास

सेमीकंडक्टरचा इतिहास हा अनेक शतकांपासून पसरलेला एक आकर्षक प्रवास आहे. सेमीकंडक्टरच्या विकासातील काही महत्त्वपूर्ण टप्पे यांचे विहंगावलोकन खालीलप्रमाणे:

18वी आणि 19वी शतके – सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाचा पाया 18व्या शतकाच्या सुरुवातीला घातला गेला, जेव्हा शास्त्रज्ञांनी काही पदार्थांच्या विद्युत गुणधर्मांचे निरीक्षण केले. 1830 च्या दशकात, मायकेल फॅराडे आणि इतरांनी धातूच्या सल्फाइडसह सामग्रीच्या विद्युत चालकतेवर प्रयोग केले आणि अर्धसंवाहक वर्तन समजून घेण्यासाठी पाया घातला.

सेमीकंडक्टर डायोड इफेक्टचा शोध (1874) – 1874 मध्ये, जर्मन भौतिकशास्त्रज्ञ कार्ल फर्डिनांड ब्रॉन यांनी सुधारित प्रभावाचे निरीक्षण केले, जेथे सेमीकंडक्टर सामग्रीपासून बनविलेले सॉलिड-स्टेट जंक्शन डायोड विद्युत प्रवाह एका दिशेने दुसर्‍या दिशेने अधिक सहजपणे वाहू देते. यामुळे सेमीकंडक्टर डायोड प्रभावाचा पहिला शोध लागला.

क्रिस्टल डिटेक्टरचा शोध (1904) – 1904 मध्ये अमेरिकन अभियंता G.W. पिकार्डने “क्रिस्टल डिटेक्टर” चा शोध लावला, जो सेमीकंडक्टर डायोडचा प्रारंभिक प्रकार होता. हे उपकरण वायरलेस कम्युनिकेशनच्या सुरुवातीच्या काळात रेडिओ सिग्नल शोधण्यासाठी वापरले जात असे.

पॉइंट-कॉन्टॅक्ट ट्रान्झिस्टरचा विकास (1947) – 1947 मध्ये, बेल लॅब्समधील जॉन बार्डीन, वॉल्टर ब्रॅटन आणि विल्यम शॉकले यांनी पॉइंट-कॉन्टॅक्ट ट्रान्झिस्टरच्या शोधामुळे इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये क्रांती घडवून आणली. पॉइंट-संपर्क ट्रान्झिस्टर हे पहिले व्यावहारिक सेमीकंडक्टर उपकरण होते, जे विद्युत सिग्नल वाढविण्यास सक्षम होते तसेच हे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञानाचा मार्ग मोकळा करते.

जंक्शन ट्रान्झिस्टरचा शोध (1951) – 1951 मध्ये, विल्यम शॉकले, जॉन बार्डीन आणि वॉल्टर ब्रॅटन यांच्यासोबत, बेल लॅब्समध्ये देखील, जंक्शन ट्रान्झिस्टर विकसित केले. हा नवीन प्रकारचा ट्रान्झिस्टर पॉइंट-कॉन्टॅक्ट ट्रान्झिस्टरपेक्षा अधिक विश्वासार्ह आणि तयार करणे सोपे होते आणि ते त्वरीत इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्सचा पाया बनले.

इंटिग्रेटेड सर्किट्स (1960) – 1960 मध्ये जॅक किल्बी (टेक्सास इन्स्ट्रुमेंट्स) आणि रॉबर्ट नॉयस (फेअरचाइल्ड सेमीकंडक्टर) यांसारख्या अभियंते आणि शास्त्रज्ञांनी एकात्मिक सर्किट्स (ICs) विकसित केले. ICs ने एकाधिक ट्रान्झिस्टर आणि इतर घटकांना एकाच चिपवर एकत्र करण्याची परवानगी दिली, ज्यामुळे लक्षणीय सूक्ष्मीकरण आणि आधुनिक संगणनाचा जन्म झाला.

मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर (MOSFET) (1960 च्या दशकाच्या उत्तरार्धात) – MOSFET, फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टरचा एक प्रकार ज्यामुळे ट्रान्झिस्टरच्या कार्यक्षमतेत लक्षणीय सुधारणा झाली आणि बहुतेक आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी ते प्रबळ तंत्रज्ञान बनले.

मूरचा कायदा (1965) – 1965 मध्ये, इंटेलच्या सह-संस्थापकांपैकी एक गॉर्डन मूर यांनी भाकीत केले की सेमीकंडक्टर चिपवरील ट्रान्झिस्टरची संख्या अंदाजे दर दोन वर्षांनी दुप्पट होईल. मूरचा कायदा म्हणून ओळखले जाणारे हे निरीक्षण अनेक दशकांपासून खरे ठरले आहे आणि अर्धसंवाहक तंत्रज्ञानाच्या जलद प्रगतीमागे एक प्रेरक ऊर्जा  आहे.

भौतिक विज्ञानातील प्रगती – गेल्या काही वर्षांमध्ये, भौतिक विज्ञानातील महत्त्वपूर्ण प्रगतीने सेमीकंडक्टरचे गुणधर्म सुधारण्यात अगदी महत्वपूर्ण योगदान दिले आहे, ज्यामुळे उच्च-कार्यक्षमता साधने आणि तंत्रज्ञानाचा विकास झाला आहे.

सेमीकंडक्टरचा इतिहास चालू संशोधन आणि नवकल्पनांसह विकसित होत आहे, ज्यामुळे अधिक शक्तिशाली आणि अत्याधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार होतात, ज्यांनी आधुनिक जीवनातील जवळजवळ प्रत्येक पैलू बदलले आहेत.


भाग

सेमीकंडक्टरच्या संरचनेत विशेषत: अनेक स्तर आणि क्षेत्रांचा समावेश असतो, जे इच्छित विद्युत गुणधर्म आणि कार्यक्षमता प्राप्त करण्यासाठी काळजीपूर्वक डिझाइन केलेले असतात. सेमीकंडक्टरच्या संरचनेचे सामान्य विहंगावलोकन खालीलप्रमाणे:

1. सब्सट्रेट

सब्सट्रेट हे बेस मटेरियल आहे, ज्यावर सेमीकंडक्टर स्तर जमा केले जातात. हे यांत्रिक समर्थन प्रदान करते आणि विशिष्ट अनुप्रयोगावर अवलंबून सिलिकॉन (Si), गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs), किंवा नीलम सारख्या सामग्रीपासून बनविले जाऊ शकते.

2. एपिटॅक्सियल लेयर

बर्‍याच सेमीकंडक्टर उपकरणांमध्ये, सब्सट्रेटच्या वर एक एपिटॅक्सियल लेयर वाढतो. हा स्तर नियंत्रित डोपिंग आणि रचना असलेल्या अर्धसंवाहक सामग्रीचा पातळ, एकल-क्रिस्टल स्तर आहे. हे सेमीकंडक्टर संरचनेची गुणवत्ता आणि एकसमानता सुधारण्यास मदत करते.

3. क्षेत्रे

सेमीकंडक्टर संरचनेतील भिन्न प्रदेश विशिष्ट अशुद्धतेसह सामग्रीचे डोपिंग करून तयार केले जातात. डोप केलेल्या प्रदेशांचे दोन मुख्य प्रकार आहेत:

(a) P-type क्षेत्र: हा प्रदेश बोरॉन (B) किंवा गॅलियम (Ga) सारख्या स्वीकारक अशुद्धतेने भरलेला असतो, जे बहुसंख्य चार्ज वाहक म्हणून इलेक्ट्रॉनची कमतरता ओळखतात.

(B) N-type प्रदेश: हा प्रदेश फॉस्फरस (P) किंवा आर्सेनिक (As) सारख्या दात्याच्या अशुद्धतेने भरलेला असतो, जे बहुसंख्य चार्ज वाहक म्हणून अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन सादर करतात.

p-type आणि n-type क्षेत्रांमधील जंक्शन “pn जंक्शन” म्हणून ओळखले जाते आणि अनेक सेमीकंडक्टर उपकरणांमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते.

4. संपर्क

वेगवेगळ्या प्रदेशांना विद्युत जोडणी देण्यासाठी सेमीकंडक्टर पृष्ठभागावर धातूचे संपर्क ठेवले जातात. हे संपर्क सामान्यत: अॅल्युमिनियम (Al) किंवा सोने (Au) सारख्या धातूंचे बनलेले असतात आणि ते डिव्हाइसला बाह्य सर्किटरीशी जोडण्यासाठी वापरले जातात.

5. ऑक्साईड स्तर

सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO2) सारख्या पातळ ऑक्साईड स्तरांचा वापर अनेकदा वेगवेगळ्या प्रदेशांना अलग ठेवण्यासाठी किंवा फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर (FETs) मध्ये गेट डायलेक्ट्रिक म्हणून काम करण्यासाठी इन्सुलेट स्तर म्हणून केला जातो. हे स्तर अवांछित विद्युत परस्परसंवादांना प्रतिबंध करतात आणि डिव्हाइसची कार्यक्षमता सुधारतात.

6. पॅसिव्हेशन लेयर्स

पॅसिव्हेशन लेयर्स हे ओलावा, दूषित घटक आणि यांत्रिक ताण यांसारख्या बाह्य घटकांपासून संरक्षण करण्यासाठी सेमीकंडक्टर संरचनेच्या पृष्ठभागावर लावले जाणारे पातळ संरक्षणात्मक कोटिंग्स असतात. जे डिव्हाइसची विश्वासार्हता सुधारण्यास आणि ऱ्हास टाळण्यास मदत करतात.

7. मेटलायझेशन लेयर्स

मेटललायझेशन लेयर्समध्ये मेटल इंटरकनेक्ट्स असतात, जे डिव्हाइसचे वायरिंग पॅटर्न बनवतात. हे विविध घटक, प्रदेश आणि संपर्कांमध्ये विद्युत कनेक्शन प्रदान करतात. मेटलायझेशनसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या धातूंमध्ये अॅल्युमिनियम (Al), तांबे (Cu) आणि टंगस्टन (W) यांचा समावेश होतो.

सेमीकंडक्टर लेयर्स आणि घटकांची विशिष्ट रचना आणि व्यवस्था हे डायोड, ट्रान्झिस्टर किंवा इंटिग्रेटेड सर्किट्स (ICs) यांसारख्या उपकरणाच्या प्रकारावर अवलंबून असते. संरचनेची जटिलता आणि डिझाइन हे उपकरणाच्या इच्छित अनुप्रयोगासाठी आवश्यक विशिष्ट विद्युत वैशिष्ट्ये आणि कार्यक्षमता प्राप्त करण्यासाठी काळजीपूर्वक तयार केले आहे.


सेमीकंडक्टर कसे कार्य करते ?

सेमीकंडक्टर त्यांच्या विद्युत चालकतेच्या तत्त्वांवर आणि सामग्रीमधील चार्ज वाहकांच्या हाताळणीवर आधारित कार्य करतात. सेमीकंडक्टर कसे कार्य करतात याचे सामान्य स्पष्टीकरण  खालीलप्रमाणे:

1. चालकता: त्याच्या शुद्ध स्वरूपात, सिलिकॉन (Si) किंवा जर्मेनियम (Ge) सारख्या सेमीकंडक्टर सामग्रीमध्ये मध्यम विद्युत चालकता असते. कमी तापमानात, वहनासाठी जवळजवळ कोणतेही चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन किंवा छिद्र) उपलब्ध नसतात.

2. डोपिंग: चालकता वाढविण्यासाठी आणि सेमीकंडक्टरच्या वर्तनावर नियंत्रण ठेवण्यासाठी, डोपिंग नावाच्या प्रक्रियेद्वारे हेतुपुरस्सर अशुद्धता जोडल्या जातात. डोपिंग सेमीकंडक्टर सामग्रीच्या क्रिस्टल जाळीच्या संरचनेत वेगवेगळ्या घटकांच्या अणूंचा परिचय देते. डोपिंगचे दोन सामान्य प्रकार आहेत:

(i) N-type डोपिंग: N-type डोपिंगमध्ये, फॉस्फरस (P) किंवा आर्सेनिक (As) सारख्या होस्ट सेमीकंडक्टरपेक्षा अधिक व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन असलेल्या घटकाचे अणू जोडले जातात. हे अशुद्धता अणू सेमीकंडक्टर सामग्रीसाठी अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन दान करतात, ज्यामुळे जास्त नकारात्मक चार्ज केलेले वाहक (इलेक्ट्रॉन) तयार होतात. हे सामग्रीला N-type सेमीकंडक्टर बनवते, ज्यामध्ये उच्च इलेक्ट्रॉन चालकता असते.

(ii) P-type डोपिंग: P-type डोपिंगमध्ये, बोरॉन (B) किंवा गॅलियम (Ga) सारख्या होस्ट सेमीकंडक्टरपेक्षा कमी व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन असलेल्या घटकाचे अणू जोडले जातात. हे अशुद्ध अणू अर्धसंवाहक सामग्रीमध्ये “छिद्र” किंवा इलेक्ट्रॉनची कमतरता निर्माण करतात, जे सकारात्मक चार्ज वाहक म्हणून कार्य करतात. हे सामग्रीला P-type सेमीकंडक्टर बनवते, ज्यामध्ये उच्च छिद्र चालकता असते.

3. चार्ज कॅरिअर्स आणि इलेक्ट्रिक फील्ड्स: सेमीकंडक्टरमध्ये चार्ज वाहक (n-type मधील इलेक्ट्रॉन आणि p-type मधील छिद्र) विद्युत क्षेत्राच्या प्रभावाखाली फिरतात. जेव्हा सेमीकंडक्टरवर व्होल्टेज लागू केले जाते, तेव्हा n-type च्या प्रदेशातील मुक्त इलेक्ट्रॉन सकारात्मक टर्मिनलकडे जातात, तर p-type क्षेत्रातील छिद्र नकारात्मक टर्मिनलकडे जातात. चार्ज वाहकांची ही हालचाल विद्युत प्रवाह तयार करते.

4. PN जंक्शन आणि डायोड वर्तन: जेव्हा p-type चा प्रदेश आणि n-type चा प्रदेश एकमेकांच्या संपर्कात येतो, तेव्हा pn जंक्शन नावाचे जंक्शन तयार होते. pn जंक्शनवर, n-type च्या प्रदेशातील अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन्स छिद्रांसोबत पुन्हा एकत्रित होऊन p-type च्या प्रदेशात पसरतात. त्याचप्रमाणे, p-type च्या प्रदेशातील छिद्रे n-type च्या प्रदेशात पसरतात आणि इलेक्ट्रॉनसह पुन्हा एकत्र होतात. हे प्रसरण आणि पुनर्संयोजन pn जंक्शनजवळ एक क्षीणता क्षेत्र तयार करते, जे एक इन्सुलेटर म्हणून कार्य करते.

फॉरवर्ड बायस कॉन्फिगरेशनमध्ये, जेथे पॉझिटिव्ह टर्मिनल p-type क्षेत्राशी जोडलेले असते आणि n-type क्षेत्राशी नकारात्मक टर्मिनल जोडलेले असते, कमी होणारा प्रदेश कमी केला जातो. हे डायोडमधून विद्युत् प्रवाह सहजपणे वाहू देते आणि ते कमी प्रतिकार दर्शवते.

रिव्हर्स बायस कॉन्फिगरेशनमध्ये, जेथे पॉझिटिव्ह टर्मिनल n-type क्षेत्राशी आणि नकारात्मक टर्मिनल p-type क्षेत्राशी जोडलेले असते, कमी होणारा प्रदेश विस्तीर्ण होतो, लक्षणीय विद्युत प्रवाह रोखतो. या वर्तनामुळे उच्च प्रतिकार होतो आणि डायोडद्वारे विद्युत् प्रवाह प्रतिबंधित होतो.

5. ट्रान्झिस्टर आणि अॅम्प्लिफिकेशन: ट्रान्झिस्टर ही मुख्य अर्धसंवाहक उपकरणे आहेत, जी विद्युत सिग्नल वाढवण्यासाठी आणि स्विच करण्यासाठी चार्ज वाहकांच्या नियंत्रणाचा वापर करतात. फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर (FETs), जसे की मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर (MOSFETs), स्त्रोत आणि निचरा क्षेत्रांमधील चार्ज वाहकांचा प्रवाह नियंत्रित करण्यासाठी गेटवर लागू व्होल्टेजचा वापर करतात. गेट व्होल्टेज बदलून, चॅनेलची चालकता समायोजित केली जाऊ शकते, ज्यामुळे अचूक प्रवर्धन आणि सिग्नल नियंत्रणास अनुमती मिळते.

डायोड, ट्रान्झिस्टर, इंटिग्रेटेड सर्किट्स (ICs) आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचा विकास सक्षम करून आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये सेमीकंडक्टर महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात. डोपिंग पातळी, भौतिक गुणधर्म आणि उपकरण संरचना काळजीपूर्वक डिझाइन करून, सेमीकंडक्टर विद्युत वर्तन आणि कार्यक्षमतेची विस्तृत श्रेणी प्रदर्शित करू शकतात, ज्यामुळे ते आधुनिकतेचा पाया बनतात.


उपयोग

सेमीकंडक्टरने आधुनिक जीवनाच्या जवळजवळ प्रत्येक पैलूमध्ये प्रवेश केला आहे. काही उल्लेखनीय उपयोग खालीलप्रमाणे:

1.ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स

स्मार्टफोन, टॅब्लेट, टेलिव्हिजन आणि संगणक त्यांच्या प्रक्रिया शक्ती, मेमरी आणि कनेक्टिव्हिटीसाठी सेमीकंडक्टरवर अवलंबून असतात.

2. कम्युनिकेशन्स आणि नेटवर्किंग

सेल्युलर नेटवर्क्सपासून ते सॅटेलाइट कम्युनिकेशन्सपर्यंत, सेमीकंडक्टर्स हाय-स्पीड डेटा ट्रान्समिशन, वायरलेस कनेक्टिव्हिटी आणि सिग्नल प्रोसेसिंगची सुविधा देतात.

3. नूतनीकरणक्षम ऊर्जा

सेमीकंडक्टर वर आधारित सौर पेशी ऊर्जा निर्मितीसाठी सौर ऊर्जेचा वापर करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहेत. शिवाय, सेमीकंडक्टर उपकरणे पवन टर्बाइन आणि ऊर्जा साठवण प्रणालींमध्ये कार्यक्षम ऊर्जा रूपांतरण आणि नियंत्रण सक्षम करतात.

4. वैद्यकीय तंत्रज्ञान

सेमीकंडक्टर-आधारित सेन्सर्स, इमेजिंग उपकरणे आणि निदान साधने वैद्यकीय इमेजिंग, मॉनिटरिंग सिस्टम आणि प्रोस्थेटिक्ससह आरोग्यसेवेतील प्रगतीमध्ये योगदान देतात.

5. ऑटोमोटिव्ह इंडस्ट्री

आधुनिक वाहनांमध्ये सेमीकंडक्टर महत्त्वपूर्ण आहेत, इंजिन कंट्रोल युनिट्स, सुरक्षा वैशिष्ट्ये, इन्फोटेनमेंट आणि इलेक्ट्रिक वाहन घटक यासारख्या पॉवरिंग सिस्टम इत्यादी.


फायदे

सेमीकंडक्टर्स अनेक फायदे देतात ज्याने त्यांना आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सचा पाया बनवला आहे. येथे सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाचे काही प्रमुख फायदे आहेत:

1. नियंत्रणीय विद्युत गुणधर्म

सेमीकंडक्टरचा एक प्रमुख फायदा म्हणजे त्यांचे विद्युत गुणधर्म तंतोतंत नियंत्रित करण्याची त्यांची क्षमता आहे. डोपिंग प्रक्रियेद्वारे, सेमीकंडक्टरची चालकता आणि वर्तन विशिष्ट आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी तयार केले जाऊ शकते. हे डायोड, ट्रान्झिस्टर आणि इंटिग्रेटेड सर्किट्स सारख्या भिन्न कार्ये आणि वैशिष्ट्यांसह उपकरणे तयार करण्यास अनुमती देते.

2. लहान आकार आणि उच्च एकत्रीकरण

सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक घटकांचे सूक्ष्मीकरण आणि उच्च एकत्रीकरण सक्षम करतात. एकाच सेमीकंडक्टर चिपवर असंख्य ट्रान्झिस्टर, रेझिस्टर, कॅपेसिटर आणि इतर घटक तयार करण्याच्या क्षमतेने इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात क्रांती घडवून आणली आहे. लाखो किंवा अब्जावधी ट्रान्झिस्टर असलेले इंटिग्रेटेड सर्किट्स (ICs) अर्धसंवाहक सामग्रीच्या छोट्या तुकड्यावर तयार केले जाऊ शकतात, परिणामी कॉम्पॅक्ट आणि शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करता येतील.

3. कमी उर्जा वापर

सेमीकंडक्टर इतर तंत्रज्ञानाच्या तुलनेत कमी वीज वापरतात. ते विद्युत उर्जेचा कार्यक्षम वापर करण्यास अनुमती देऊन वेगाने चालू आणि बंद स्थितींमध्ये स्विच करू शकतात. ही मालमत्ता पोर्टेबल उपकरणे, बॅटरीवर चालणारी उपकरणे आणि ऊर्जा-कार्यक्षम अनुप्रयोगांसाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

4. हाय स्पीड आणि परफॉर्मन्स

सेमीकंडक्टर्स हाय-स्पीड ऑपरेशन सक्षम करतात, ते अॅप्लिकेशन्ससाठी आदर्श बनवतात, ज्यांना वेगवान सिग्नल प्रक्रिया, डेटा ट्रान्सफर आणि गणना आवश्यक असते. सेमीकंडक्टरपासून बनवलेले ट्रान्झिस्टर वेगाने चालू आणि बंद करू शकतात, ज्यामुळे उच्च-वारंवारता ऑपरेशन आणि उच्च-कार्यक्षमता संगणन शक्य होते.

5. विश्वसनीयता आणि दीर्घायुष्य

सेमीकंडक्टर उच्च विश्वासार्हता आणि दीर्घायुष्य देतात. योग्यरित्या पॅकेज आणि संरक्षित केल्यावर ते यांत्रिक शॉक, कंपन आणि पर्यावरणीय घटकांना प्रतिरोधक असतात. उत्पादन प्रक्रिया आणि सामग्रीच्या गुणवत्तेतील प्रगतीमुळे, सेमीकंडक्टर अत्यंत विश्वासार्ह बनले आहेत आणि ते खराब न होता विस्तारित कालावधीसाठी कार्य करू शकतात.

6. अष्टपैलुत्व

सेमीकंडक्टर हे अष्टपैलू असतात आणि ते विविध ऍप्लिकेशन्समध्ये वापरले जाऊ शकतात. ते दूरसंचार, संगणन, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑटोमोटिव्ह, एरोस्पेस, वैद्यकीय उपकरणे यासह विविध उद्योगांमध्ये इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचा आधार बनतात. त्यांची अष्टपैलुत्व आणि अनुकूलता या क्षेत्रांमधील जलद विकास आणि नाविन्यपूर्णतेला हातभार लावते.

7. स्केलेबिलिटी

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान अत्यंत स्केलेबल आहे, जे सतत प्रगती आणि सुधारणांना अनुमती देते. सेमीकंडक्टर चिपवरील ट्रान्झिस्टरची संख्या अंदाजे दर दोन वर्षांनी दुप्पट होते, असे मूरच्या कायद्याने सेमीकंडक्टर उद्योगात सतत प्रगती केली आहे. ही स्केलेबिलिटी कालांतराने अधिक शक्तिशाली आणि कार्यक्षम उपकरणे विकसित करण्यास सक्षम करते.

8. डिजिटल लॉजिकसह सुसंगतता

सेमीकंडक्टर हे डिजिटल लॉजिकशी स्वाभाविकपणे सुसंगत असतात, जे आधुनिक संगणनाचा आधार बनतात. इलेक्ट्रिकल सिग्नल आणि चार्ज वाहक हाताळून, सेमीकंडक्टर डिजिटल माहितीचे प्रतिनिधित्व करू शकतात आणि त्यावर प्रक्रिया करू शकतात, ज्यामुळे डिजिटल सर्किट्स आणि संगणकीय प्रणाली विकसित होतात.

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाच्या या फायद्यांनी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सच्या प्रगतीमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावली आहे आणि आपल्या जीवनातील विविध पैलूंमध्ये, संवाद आणि मनोरंजनापासून आरोग्यसेवा आणि वाहतुकीपर्यंत बदल घडवून आणले आहेत.


तोटे

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान अनेक फायदे देते, परंतु त्याच्या वापराशी संबंधित काही तोटे देखील आहेत. सेमीकंडक्टरचे काही मुख्य तोटे खालीलप्रमाणे:

1. किंमत

सेमीकंडक्टर उत्पादन प्रक्रियेमध्ये जटिल आणि अत्याधुनिक तंत्रांचा समावेश असतो, ज्यासाठी विशेष उपकरणे आणि क्लीनरूम सुविधा आवश्यक असतात. सेमीकंडक्टर फॅब्रिकेशन सुविधा (फॅब्स) साठी प्रारंभिक सेटअप खर्च खूप जास्त असू शकतो. याव्यतिरिक्त, नवीन सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाच्या विकासासाठी बर्‍याचदा महत्त्वपूर्ण संशोधन आणि विकास गुंतवणूक आवश्यक असते. हे घटक सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या एकूण खर्चात योगदान देतात, ज्यामुळे ते इतर इलेक्ट्रॉनिक घटकांच्या तुलनेत तुलनेने महाग होतात.

2. उष्णता निर्मिती

सेमीकंडक्टर हे ऑपरेशन दरम्यान उष्णता निर्माण करू शकतात, विशेषत: उच्च-शक्तीच्या अनुप्रयोगांमध्ये किंवा उच्च फ्रिक्वेन्सीवर चालत असताना. उष्णता सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या कार्यक्षमतेवर आणि विश्वासार्हतेवर परिणाम करू शकते. व्युत्पन्न उष्णता नष्ट करण्यासाठी पुरेशा थंड उपाय, जसे की हीट सिंक किंवा पंखे आवश्यक आहेत. काही प्रकरणांमध्ये, अतिरिक्त कूलिंग सिस्टम आवश्यक असू शकतात, ज्यामुळे एकूण सिस्टममध्ये जटिलता आणि खर्च वाढतो.

3. पर्यावरणीय घटकांसाठी संवेदनशीलता

सेमीकंडक्टर तापमान, आर्द्रता आणि रेडिएशन यांसारख्या पर्यावरणीय घटकांसाठी संवेदनशील असतात. अति तापमानामुळे त्यांची कार्यक्षमता आणि विश्वासार्हता कमी होऊ शकते. ओलावा आणि दूषित घटक इलेक्ट्रिकल शॉर्ट्स होऊ शकतात. कॉस्मिक रेडिएशन किंवा इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक हस्तक्षेपासह रेडिएशन, सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या ऑपरेशनमध्ये व्यत्यय आणू शकतात. म्हणून, त्यांचे इष्टतम कार्यप्रदर्शन आणि दीर्घायुष्य सुनिश्चित करण्यासाठी संरक्षणात्मक पॅकेजिंग आणि काळजीपूर्वक हाताळणी महत्त्वपूर्ण आहे.

4. डिझाईन आणि मॅन्युफॅक्चरिंगची जटिलता

सेमीकंडक्टरची रचना आणि निर्मितीसाठी कौशल्य आणि विशेष ज्ञान आवश्यक आहे. जटिल प्रक्रियेमध्ये फोटोलिथोग्राफी, एचिंग, डिपॉझिशन आणि डिफ्यूजन यासह अनेक चरणांचा समावेश होतो. कॉम्प्लेक्स इंटिग्रेटेड सर्किट्स (ICs) ची रचना आणि पडताळणी आव्हानात्मक आणि वेळखाऊ असू शकते. अगदी लहान मॅन्युफॅक्चरिंग दोषांमुळे सेमीकंडक्टर उपकरणांमध्ये महत्त्वपूर्ण कार्यक्षमता किंवा कार्यप्रदर्शन समस्या उद्भवू शकतात.

5. मर्यादित सामग्रीची उपलब्धता

जरी सिलिकॉन (Si) ही सर्वाधिक प्रमाणात वापरली जाणारी सेमीकंडक्टर सामग्री आहे, तरीही विशिष्ट गुणधर्मांसह काही सेमीकंडक्टर सामग्रीची मर्यादित उपलब्धता आहे. हे विशिष्ट सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या स्केलेबिलिटी आणि उपलब्धतेवर परिणाम करू शकते. पर्यायी साहित्य विकसित करणे किंवा साहित्याची उपलब्धता सुधारण्यासाठी नवीन पद्धती शोधणे हे सेमीकंडक्टर संशोधनातील सततचे आव्हान आहे.

6. अप्रचलितता आणि जलद तांत्रिक प्रगती

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान जलद प्रगती आणि सतत सुधारणांद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे. नवीन तंत्रज्ञान आणि उपकरणे वारंवार उदयास येतात, ज्यामुळे जुनी उपकरणे अप्रचलित होतात. विकासाच्या या जलद गतीमुळे उत्पादनाचे जीवनचक्र लहान होऊ शकते आणि वारंवार अपग्रेड किंवा बदलण्याची गरज निर्माण होऊ शकते.

7. पर्यावरणीय प्रभाव

सेमीकंडक्टर फॅब्रिकेशनमध्ये समाविष्ट असलेल्या उत्पादन प्रक्रियेचा पर्यावरणावर परिणाम होऊ शकतो. उत्पादन प्रक्रियेत वापरलेली रसायने, जसे की सॉल्व्हेंट्स आणि वायू, जर योग्यरित्या हाताळले नाहीत, तर ते धोकादायक असू शकतात. टाकून दिलेल्या किंवा अप्रचलित सेमीकंडक्टर उपकरणांसह इलेक्ट्रॉनिक कचऱ्याची विल्हेवाट लावणे, जबाबदारीने व्यवस्थापित न केल्यास पर्यावरणीय आव्हानेही निर्माण होतात.

हे तोटे असूनही, सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाद्वारे सक्षम केलेले फायदे आणि प्रगती यातील कमतरतांपेक्षा खूप जास्त आहेत, ज्यामुळे विविध उद्योग आणि अनुप्रयोगांमध्ये त्याचा व्यापक अवलंब होत आहे. या मर्यादांचे निराकरण करणे आणि सेमीकंडक्टर उपकरणांचे कार्यप्रदर्शन, कार्यक्षमता आणि टिकाऊपणा सुधारणे हे निरंतर संशोधन आणि नाविन्यपूर्ण उद्दिष्ट आहे.


FAQ

1. कंडक्टर, इन्सुलेटर आणि सेमीकंडक्टरमध्ये काय फरक आहे ?

उत्तर : कंडक्टरमध्ये उच्च विद्युत चालकता असते आणि ते सहजपणे विद्युत प्रवाह वाहू देतात. इन्सुलेटरमध्ये कमी विद्युत चालकता असते आणि ते विद्युत प्रवाह रोखतात. सेमीकंडक्टरमध्ये मध्यवर्ती चालकता असते, जी डोपिंग आणि तापमान यासारख्या घटकांद्वारे नियंत्रित केली जाऊ शकते.

2. इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये वापरली जाणारी सर्वात सामान्य सेमीकंडक्टर सामग्री कोणती आहे ?

उत्तर : सिलिकॉन (Si) ही इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये सर्वाधिक प्रमाणात वापरली जाणारी सेमीकंडक्टर सामग्री आहे, ज्यामुळे त्याची विपुलता, उत्कृष्ट विद्युत गुणधर्म आणि परिपक्व उत्पादन प्रक्रिया वाढते.

3. सेमीकंडक्टरमध्ये डोपिंग म्हणजे काय ?

उत्तर : डोपिंग ही विद्युत गुणधर्म बदलण्यासाठी सेमीकंडक्टर सामग्रीमध्ये हेतुपुरस्सर अशुद्धता अणूंचा परिचय करून देण्याची प्रक्रिया आहे.n-type किंवा p-type क्षेत्र तयार करण्यासाठी फॉस्फरस किंवा बोरॉन सारख्या भिन्न संख्येच्या व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन्स असलेल्या इतर घटकांचे अणू जोडून डोपिंग केले जाते.

4. डायोड आणि ट्रान्झिस्टर काय आहेत आणि ते कसे कार्य करतात ?

उत्तर : डायोड्स हे सेमीकंडक्टर उपकरण आहे, जे एका दिशेने विद्युत प्रवाहास परवानगी देतात आणि उलट दिशेने अवरोधित करतात. ते सामान्यतः स्विचिंग ऍप्लिकेशन्समध्ये वापरले जातात. ट्रान्झिस्टर हे देखील एक सेमीकंडक्टर उपकरण आहे, जे इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल वाढवू शकतात आणि बदलू शकतात. त्यामध्ये तीन स्तर असतात- उत्सर्जक, बेस आणि संग्राहक आणि इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्समधील महत्त्वपूर्ण घटक आहेत.

5. इंटिग्रेटेड सर्किट्स (ICs) म्हणजे काय  ?

उत्तर : इंटिग्रेटेड सर्किट्स, किंवा ICs, इलेक्ट्रॉनिक सर्किट आहे, ज्यात एकाच चिपवर ट्रान्झिस्टर, रेझिस्टर आणि कॅपॅसिटर यांसारखी अनेक इंटरकनेक्टेड सेमीकंडक्टर उपकरणे असतात. मायक्रोप्रोसेसर आणि मेमरी चिप्सपासून सेन्सर्स आणि कम्युनिकेशन उपकरणांपर्यंत ICs मोठ्या प्रमाणावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये वापरले जातात.

6. सेमीकंडक्टर ला मराठीत काय म्हणतात ?

उत्तर : सेमीकंडक्टर ला मराठी अर्धसंवाहक असे म्हणतात.

7. सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाचे भविष्य काय आहे ?

उत्तर : सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाच्या भविष्यात ट्रान्झिस्टरचा आकार कमी करणे, नवीन सामग्री (जसे की ग्राफीन आणि 2D सामग्री) शोधणे, अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम उपकरणे विकसित करणे आणि क्वांटम संगणन आणि न्यूरोमॉर्फिक संगणन सारख्या तंत्रज्ञानाचा विकास करणे समाविष्ट आहे. याव्यतिरिक्त, कृत्रिम बुद्धिमत्ता, इंटरनेट ऑफ थिंग्ज (IoT), आणि स्वायत्त वाहने यासारख्या उदयोन्मुख क्षेत्रांमध्ये सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावेल अशी अपेक्षा आहे.

अधिक लेख –

1. इलेक्ट्रॉनिक्स म्हणजे काय ?

2. मायक्रोचीप चा शोध कधी लागला ?

3. तार यंत्राचा शोध कधी लागला ?

Leave a Comment