குறைகடத்தி

குறைகடத்தி அல்லது குறைக்கடத்தி (Semiconductor) என்பது சில வகை மாசுகளை ஊட்டுவதால் மின்கடத்துத்திறனில் மாறுபாடு ஏற்படும் திண்மப்பொருள் ஆகும். தங்கம் வெள்ளி போன்ற உலோகங்கள் மின்னோட்டத்தை மிக நன்றாகக் கடத்தும் நற்கடத்திகள் அல்லது கடத்தி. கண்ணாடி, பீங்கான், இரப்பர், மரம் போன்ற பொருட்கள் மின்னோட்டத்தை மிக மிகச் சிறிதளவே (அரிதாக) கடத்தும் அரிதிற்கடத்திகள் அல்லது காப்புப்பொருள்கள். இவ்விருவகைப் பொருட்தன்மைகளுக்கும் இடைப்பட்ட மின்கடத்துத்திறன் கொண்ட பொருள்கள் குறைகடத்திகள் எனப்படும். குறைகடத்திகளுக்கு சிறந்த எடுத்துக்காட்டுகள் தனிமங்களில் சிலிக்கான், ஜெர்மானியம் போன்றவற்றையும், கூட்டுப்பொருளான காலியம் ஆர்சினைடு (GaAs), இண்டியம் பாசுபைடு (InP) போன்றவற்றையும், அண்மையில் கண்டுபிடித்து மிக விரைவாக வளர்ந்துவரும் நெகிழி வகைப் பொருட்களும், பென்ட்டசீன் (C₂₂H₁₄), ஆந்திரசீன் (C₁₄H₁₀) போன்ற கரிம வேதியியல் பொருட்களையும் இன்னும் நூற்றுக்கணக்கான பொருட்களையும் கூறலாம்.இவை மின்கடத்துத் திறனில் உலோகங்களுக்கும், மின்கடத்தாப் பொருட்களுக்கும் இடைப்பட்ட பண்பை கொண்டிருப்பவை. உதாரணமாக சிலிகான் (Si), ஜெர்மேனியம் (Ge), காலியம் ஆர்சனைடு (GaAs) போன்றவை. பண்டைய காலங்களில், கற்காலம், உலோகக் காலம் என்று வழங்குவது போல 20 ஆம் நூற்றாண்டை சிலிகான் காலம் என்று அழைக்கப்படுகிறது. இன்றைக்கும் நாம் பயன்படுத்தும் அனைத்து வகை எலக்ட்ரானியல் பொருட்களிலும் சிலிகான் குறைக்கடத்திகளே உயிர்நாடியாக இருக்கின்றன. பெரும்பான்மையான குறைக்கடத்திகள் அணுக்களுக்கிடையே சகப்பிணைப்பு(Covalent Bonding) வகை வேதிப் பிணைப்பைக்(Chemical Bond) கொண்டிருப்பவை.

கணினி போன்ற கருவிகளில் உள்ள குறைக்கடத்தியால் செய்த நுண்மின்சுற்றுக் கருவிகள்

குறைக்கடத்தியால் செய்த சீரொளி (லேசர்) தரும் இருமுனையக் கருவி. அளவை ஒப்பிட ஒரு சென்ட் அமெரிக்க செப்பு நாணயம் காட்டப்பட்டுள்ளது

கணினியின் உள்ளே இருக்கும் நுண்மின்சுற்றுகள் முதல் பற்பல மின்னியல் கருவிகளும், ஒலி-ஒளி கருவிகளும், மருத்துவ, பொறியியற்கருவிகளும், கதிரொளியை மின்னாற்றலாக மாற்றும் கதிரொளி மின்னாக்கிகளும், பல்வேறு வகையான லேசர் எனப்படும் சீரொளிக்கருவிகளும் இந்த குறைக்கடத்தியால் ஆன கருவிகளே. ஒலி, ஒளி, மணம், வெப்பநிலை, அழுத்தநிலை, நீர்ம ஓட்டம் போன்ற பல இயற்பியல் பண்புகள், குறைக்கடத்திகளின் பண்புகள் ஏதேனும் ஒன்றில் ஒருசிறு மாற்றம் ஏற்படுத்துவதால், இதனை அடிப்படையாகக் கொண்டு பற்பல உணர்திறன் (sensability) கொண்ட கருவிகளை ஆக்க இயலுகின்றது. கட்டைவிரல் நகத்தின் அளவே உள்ள பரப்பளவில் 1,000,000,000 திரிதடையங்கள் (டிரான்சிஸ்டர்கள்) ஒருசேர உருவாக்கக் குறைக்கடத்திப் பொருள்களின் பண்புகள் உறுதுணையாய் இருக்கின்றன. குறைக்கடைத்திக் கருவிகளின் வணிகம் இன்று ஆண்டுக்கு 250-300 பில்லியன் என்னும் கணக்கில் நடைபெறுகின்றது

குறைகடத்தியின் பண்புகள்

மின்கடத்துத்திறனில் இடைப்பட்ட அளவு கொண்டது குறைக்கடத்தி என்று பொதுவாக கூறப்பட்டாலும், அது போதுமான அளவு வரையறுக்க பயனற்ற ஒன்றாகும். நன்கடத்திகளின் மின்தடை எண் 10⁻⁶ Ohm-cm (மைக்ரோ ஓம்-செமீ ) , வன்கடத்திகளின் மின்தடை எண் 10¹⁴ Ohm-cm (100 கிகா ஓம்-செமீ) ஆகும். எனவே இடைப்பட்ட கடத்துத்திறன் என்பது ஒரு பெரும் இடைவெளி கொண்டது (ஏறத்தாழ 20 பதின்ம அடுக்கு வேறுபாடு கொண்டது;10²⁰ மடங்கு வேறுபடுவது). குறைக்கடத்திகளை, தனிவகைப் பொருளாக தெளிவாக வேறுபடுத்திக் காட்டுவது, அதன் வெப்பத்தால் மாறுபடும் மின்கடத்துமை. இப்பண்புகளை முதலில் தெளிவாக கண்டு வேறுபடுத்திக் கூறியவர் மைக்கேல் பாரடே என்னும் ஆங்கில அறிவியலாளர். வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது இக்குறைக்கடத்திகளின் மின் தடை மதிப்பு குறைகிறது. இப்பண்பு அவை மின்னியல் சுற்றுகளில் பயன்படுத்த பெரிதும் அடிப்படையாக இருக்கிறது. வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது குறைக்கடத்திகளின் அணுக்களிலுள்ள வெளிக்கூட்டு எலக்ட்ரான்கள் இணைதிறன் பட்டையிலிருந்து(Valence Band), கடத்துத்திறன் பட்டைக்கு(Conduction Band) தாவுகின்றன. இதனால், வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது மின்கடத்தும் திறன் அதிகமடைகிறது. ஆனால் தங்கம் வெள்ளி போன்ற நன்கடத்திகளில் வெப்பம் ஏற ஏற, மின்கடத்துத் திறன் குறையும். ஏனெனில் அதில் உள்ள அணுக்களின் அதிர்வு கூடுவதால், எதிர்மின்னிகளின் ஓட்டம் அணுக்களில் மோதி தடைபடுகின்றது. ஆனால் குறைக்கடத்தியில் வெப்பம் கூடினால், எதிர்மின்னிகளின் ஓட்டம் அணுக்களில் மோதி தடைபட்டாலும், மின்கடத்துமை கூடுகின்றது. ஏனெனில் வெப்ப ஆற்றலில் துணையால் சகபிணைப்பில் (covalent bond) கட்டுண்டு இருந்த எதிர்மின்னிகள் விடுபட்டும், விடுபட்ட இடத்தில் தோன்றும் மின்துளைகள் என்னும் புரைமின்னிகள் உருவாகியும் கூடுதலான கடத்தும் மின்மங்கள் உருவாகின்றன. இவை மின் புலத்தால் உந்தப்பெற்று (விசை வயப்பட்டு) ஓடி கூடுதலான கடத்துமை தருகின்றது. எனவே கடத்துமை கூடும். வெப்பத்தால் மேலும் எலக்ட்ரான்களும் (அல்லது எதிர்மின்னிகள்) குறைக்கடத்திகளின் இணைதிறன் பட்டையிலிருந்து வெப்ப ஆற்றலை உள்வாங்கிக் கொண்டு உயராற்றல் கொண்ட கடத்துதிறன் பட்டைக்கு விடுபடுகின்றன. இதனால் நகரவல்ல மின் துளைகளும் (அல்லது புரைமின்னிகளும்) கூடுதலான எண்ணிக்கையில் உருவாகின்றன உண்மையில், இணைதிறன் ஆற்றல் பட்டையிலுள்ள எதிர்மின்னிகள் (எலக்ட்ரான்கள்) பகிர்பிணைப்பில் ஈடுபட்டிருப்பதால் அவை (கூடிய வெப்ப ஆற்றலால்) விடுபட்டு கடத்து ஆற்றல் பட்டைக்கு செல்லும்போது, இணைதிறன் ஆற்றல் பட்டையில் மின் துளைகளும் (புரைமின்னிகளும்) கடத்து ஆற்றல் பட்டையில் எலக்ட்ரான்களும் இணையாக (சோடியாக) உருவாகின்றன. ஒரு பகிர்பிணைப்பு அறுபட்டால் ஓர் எதிர்மின்னியும், ஒரு புரைமின்னியும் (மின் துளையும்) உருவாகும்.

குறைக்கடத்தியின் மற்றொரு முக்கியமான பண்பு ஒளிமின்கடத்துமை. குறைக்கடத்தியின் மீது விழும் ஒளியலைகளின் ஆற்றலானது குறைக்கடத்தியின் ஆற்றல் இடைவெளியைக் காட்டிலும் கூடுதலாக உடையதாய் இருப்பின், குறைக்கடத்தியின் மின்கடத்துமை கூடுகின்றது. ஒளியலைகளின் ஆற்றல், குறைக்கடத்தியின் அணுக்களின் பகிர்பிணைக்கை (covalent bond) அல்லது எதிர்மின்னி ஆற்றல் இடைவெளியைக் (electron energy band gap) காட்டிலும் கூடுதலாக இருப்பின், பகிர்பிணைப்பு முறியும், இதனால் புதிய எதிர்மின்னிகளும் புரைமின்னிகளும் உருவாகின்றன. எனவே மின்கடத்துமை கூடுகின்றது. இவ் ஒளிமின்கடத்துமை குறைக்கடத்திகளின் தனிச்சிறப்பான பண்புகளில் ஒன்று. மாழைகளைப் போல அல்லாமல் குறைக்கடத்திகளின் இரண்டு வகையான நகரும் மின்மங்கள் உள்ளன: எதிர்மின்மம் உடைய எதிர்மின்னி மற்றும் நேர்மின்மம் உடைய புரைமின்னி (மின் துளை). குறைக்கடத்தியின் இன்னொரு முக்கியமான பண்பு, மிகச் சிறிதளவே குறிப்பிட்ட வகையான வேற்றணுக்கள் சேர்த்தாலும், குறைக்கடத்தியின் மின்கடத்துமையும் மிகமிகப் பெரிய அளவிலே மாறவல்லது.

பொருட்கள்

நுண்மின்னணுவியல் மற்றும ஒளிமின்னழுத்தத்தில்( photovoltaics) குறைகடத்திப் பொருளாக பயன்படும் சிலிக்கான் படிகங்கள்

• :பெரும் எண்ணிக்கையிலான தனிமங்களும் சேர்மங்களும் குறைகடத்திப் பண்புகளைப் பெற்றிருக்கின்றன.

தனிமவரிசை அட்டவணையின் 14 வது தொகுதியிலுள்ள சிலிக்கான் மற்றும் செர்மானியம் உள்ளிட்ட குறிப்பிட்ட தூய தனிமங்கள் குறைகடத்தி தயாரிப்பில் வணிக ரீதியாக முக்கியத்துவம் கொண்ட தனிமங்களாகும்.சிலிக்கான் மற்றும் செர்மானியம் ஆகியவை திறம்பட பயன்படுத்தப்படுகின்றன, ஏனெனில் அவை 4 வெளிப்புற எலக்ட்ரான்களை அவற்றின் வெளிக்கூட்டில் கொண்டுள்ளன, அவை ஒரே நேரத்தில் எலக்ட்ரான்களை சமமாக பெறவோ அல்லது இழக்கவோ செய்யும் திறனை அளிக்கின்றன.

• :இரட்டைச்சேர்மங்கள் குறிப்பாக தனிம வரிசை அட்டவணையின் 13 மற்றும் 15 ஆவது தொகுதிகளைச் சேர்ந்த காலியம், அர்சனைடு, 12 மற்றும் 16 ஆவது தொகுதிகள்,14 மற்றும் 16 வது தொகுதிகள் மற்றும் 14 வது தொகுதியின் பல்வேறு தனிமங்கள்.உதாரணம்: சிலிக்கன் கார்பைடு
• :ஆக்சைடு மற்றும் கலப்புலோகங்கள் போன்ற முத்தனிமச் சேர்மங்கள்
• :கரிமச்சேர்மங்களைக் கொண்டு உருவாக்கப்பட்ட கரிமக் குறைகடத்திகள்

மோட்டோரோலா தொடுதிரை செல்பேசியில் உள்ள குறைகடத்திகளுடன் கூடிய ஒருங்கிணைந்த சுற்று (IC Chip)

பெரும்பாலும் பொதுவாக பயன்படுத்தப்படும் குறைகடத்திகள் படிக திண்மங்களாகும். ஆனால் படிக அமைப்பு இல்லாத மற்றும் நீர்ம குறைகடத்திகளும் அறியப்கிடுன்றன.உதாரணம்: நீரியமாக்கிய பளிங்குருவில்சிலிக்கன் (hydrogenated amorphous silicon) மற்றும் ஆர்செனிக், செலினியம் மற்றும் டெலூரியம் ஆகியவற்றின் பல்வேறு விகிதாச்சாரத்தில் அமைந்த கலவைகள்.இடைநிலை கடத்துத்தன்மையின் பண்புகள் மற்றும் வெப்பநிலை கொண்ட கடத்துத்தன்மையின் விரைவான மாறுபாடு, அத்துடன் அவ்வப்போது எதிர்மறை எதிர்ப்பு ஆகியவற்றால் இந்த கலவைகள் நன்கு அறியப்பட்ட குறைக்கடத்திகளாகும்.

குறைகடத்தி பொருட்களின் தயாரிப்பு

இன்றைய மின்னணு தொழில்நுட்பத்தில், மடிக்கணினிகள், மின்வருடி, தொலைபேசி, உள்ளிட்ட பல்வேறு மிண்ணணு சாதனங்களில் பயன்படுத்தப்படும் ஒருங்கிணைந்த சுற்று (IC) என்ற மிக முக்கியமான அம்சம் கொண்ட அங்கங்களில் இவ்வகையான குறைக்கடத்திகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.ஒருங்கிணை சுற்றமைப்பில் (IC) பயன்படுத்துவதற்காக குறைகடத்திகளானது பெருமளவில் தயாரிக்கப்படுகின்றன.ஒரு சிறந்த குறைக்கடத்தி பொருள் உருவாக்க,அவற்றில் பயன்படத்தப்பட்ட தனிமங்களின் இரசாயன தூய்மை மிக முக்கியமானதாகும். ஏதேனும் சிறிய குறைபாடுகள் கடுமையான விளைவு ஏற்படுத்தவல்லது. குறைகடத்தி பொருள் எவ்விதம் பயன்படுத்தப்பட்டுள்ளதோ அந்த அளவுக்கு குறைகடத்தியில் அவை செயலாற்றுகின்றன.

குறைகடத்திகளின் வகைகள்

குறைக்கடத்தி உள்ளார்ந்த குறைக்கடத்தி (தூய குறைக்கடத்தி), புறவியலான குறைக்கடத்தி என்ற இருவகைப்படும்.

உள்ளார்ந்த குறைக்கடத்திகள்

தூய சிலிக்கான் அல்லது தூய செருமானியம் உள்ளார்ந்த குறைக்கடத்திக்கு சில எடுத்துக்காட்டாகும். ஒரு தூய சிலிக்கான் படிகம் மின் காப்புப் பொருளிலுருந்து வேறுபட்டுள்ளது; அறை வெப்பத்தால் அணிக்கோவைத் தளத்திலிருந்து எலக்ட்ரான்கள் (எதிர்மின்னிகள்) வெளியேறி கடத்துப்பட்டைச் செல்வதும் (இவ்வெலக்ட்ரான்கள் கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் அல்லது கடத்து எலக்ட்ரான்கள் என்றழைக்கப்படுகின்றன).

எலக்ட்ரான்கள் இருந்த இடங்களில் மின் துளைகள் (புரைமின்னி)கள் என்றழைக்கப்படும் காலியிடங்களும் உருவாவதன் சாத்தியங்கள் உண்டு. மேலும், கடத்துப்பட்டையில் உள்ள கட்டுனா எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை ( N _e )யும் இணைதிறன் பட்டையிலுள்ள மின் துளைகளின் எண்ணிக்கை ( N _h )யும் சமமாக இருக்கும்.

புறவியலான குறைக்கடத்திகள்

தூய சிலிக்கான் மற்றும் தூய செருமானியம் படிகங்களில் மாசுக்களைப் புகுத்துவதன் மூலம் அவற்றின் மின்கடத்து திறனை மாற்றியமைக்க முடியும். இவ்வாறு வேறு தனிமத்தின் அணுக்களை ஒரு உள்ளார்ந்த குறைக்கடத்தியினுள் புகுத்தி அவற்றின் மின்கடத்து திறன் அதிகரிக்கப்பட்ட குறைக்கடத்திகளை, புறவியலான குறைக்கடத்திகள் என்று அழைக்கிறோம்.

n-வகைக் குறைக்கடத்திகள்

தூய சிலிக்கான் படிகத்தில் ஒவ்வொரு சிலிக்கான் அணுவும் நான்கு இணைதிறன் (வெளிக்கூட்டு) எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டிருக்கும்; இதனால் ஒவ்வொரு சிலிக்கான் அணுவும் நான்கு சிலிக்கான் அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்பில் ஈடுபட்டிருக்க முடியும். மாசூட்டுதல் மூலம், அவற்றில், ஐந்து அல்லது மூன்று எண்ணிக்கையிலான வெளிக்கூட்டு எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட வேதியணுக்களைப் புகுத்தினால் அவற்றின் கடத்துதிறனில் மிகுந்த மாற்றத்தைக் கொண்டுவர இயலும். எடுத்துக்காட்டாக, பாசுபரசு அல்லது போரான் போன்ற தனிமங்கள் முறையே ஐந்து மற்றும் மூன்று இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டிருக்கும். இப்போது மாசூட்டுதல் மூலம், ஒரு சிலிக்கான் படிகத்தில் பாசுபரசு தனிமத்தைப் புகுத்தும் போது, சகப்பிணைப்பில் ஈடுபட்டிருக்கும் நான்கு எலக்ட்ரான்களுக்கும் மேல் உபரியாக ஒரு எலக்ட்ரானைக் கொண்டிருக்கும். இவ்வுபரி எலக்ட்ரான் மாசூட்டப்பட்ட சிலிகானின் மின்கடத்துத் திறனை அதிகரிக்கச் செய்கிறது. இவ்வகை உபரி எலக்ட்ரான்களை வழங்கும் மாசுக்களை உள்ளடக்கிய குறைக்கடத்திகளை n-வகைக் குறைக்கடத்தி என்று வழங்குவர்.

p-வகைக் குறைக்கடத்திகள்

தூய சிலிகான் படிகத்தில் மாசூட்டுதல் மூலம், மூன்று வெளிக்கூட்டு எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட போரான் தனிமத்தைப் புகுத்தும் போது, போரானுடன் மூன்று சிலிகான் அணுக்கள் மட்டுமே சகப்பிணைப்பில் ஈடுபட்டிருக்கும். தற்போது போரான் அணுவிற்கருகே ஒரு துளை உருவாகும். இத்துளைகள் எலக்ட்ரான்களுக்கு எதிரானதாகச் செயல்படுவதால் அவை நேர்மின்னிகளாக நோக்கப்படும். மின் புலத்திற்குட்படுத்தும் போது, இவ்வகைத் துளைகள் மின்னோட்டம் பாய உறுதுணையாயிருக்கின்றன. இவ்வாறு துளைகளை வழங்கும், மாசுக்களை உள்ளடக்கிய குறைக்கடத்திகளை p-வகைக் குறைக்கடத்தி என்று வழங்குவர்.

வரலாறு

1821 ஆம் ஆண்டில் தோமஸ் யோஹன் சீபக் என்பவர் முதன் முதலில் குறைகடத்திகளின் விளைவைக் கண்டறிந்தார். மைக்கேல் பரடே என்பவர், 1833 இல் வெள்ளி சல்பைட் மாதிரியின் மின்தடையானது வெப்பமாக்கும்போது குறைவதாக அறிக்கை கொடுத்தார். இது செப்பு போன்ற உலோகப் பொருட்களின் பண்புக்கு முரணாக இருந்தது. 1839 இல் எட்வேர்ட் பக்கெரல் என்பவர், ஒளியின் தாக்கம் இருக்கும்போது ஒரு திண்ம, திரவ மின்பகுளிக்குமிடையில் மின்னழுத்தம் ஏற்பட்டதை அவதானித்தார். 1873 இல், வில்லௌபி சிமித் என்பவர், ஒளியின் தாக்கம் இருக்கையில் செலெனியம் தடைகளில், மிந்தடை குறைவதை அவதானித்தார்.

இவற்றையும் காண்க

• செயல்படு பெருக்கி