ক্লাস প্যানেল
ফর্মুলা বুক
ক্লাস প্যানেল
ফর্মুলা বুক
পদার্থবিজ্ঞান ১ম পত্র
আপকামিং কোর্স
পদার্থবিজ্ঞান ২য় পত্র

এইচএসসি সেমিকন্ডাক্টর ও ইলেকট্রনিক্স অনুধাবনমূলক ম্যারাথন

পদার্থবিজ্ঞান ২য় পত্রের দশম অধ্যায় — সেমিকন্ডাক্টর ও ইলেকট্রনিক্স। সিলিকনের পরিবাহিতা গরমে বাড়ে কেন, ছোট বেস প্রবাহে বড় কালেক্টর প্রবাহ পাওয়া যায় কেন, কম্পিউটার বাইনারিতেই চলে কেন — এই অধ্যায়ের অনুধাবনমূলক প্রশ্নগুলো ব্যান্ড তত্ত্ব, p-n জাংশন, ট্রানজিস্টর ও ডিজিটাল ইলেকট্রনিক্স ঘিরে। এই পোস্টে অধ্যায়ের সব গুরুত্বপূর্ণ অনুধাবনমূলক প্রশ্ন ও উত্তর একসাথে সাজানো হয়েছে — বোর্ড পরীক্ষা ও কলেজ টেস্ট পরীক্ষায় আসা প্রশ্নগুলোকে প্রাধান্য দিয়ে। প্রতিটি উত্তর ২ নম্বরের উপযোগী করে সংক্ষিপ্ত ও ধারণা-নির্ভর করে লেখা।

অনুধাবনমূলক প্রশ্নের তালিকা

প্রশ্ন 01: সেমিকন্ডাক্টর বলতে কী বোঝ? তাপমাত্রা বাড়ালে এর পরিবাহিতা বাড়ে কেন, অথচ ধাতুর কমে কেন?

উত্তর: সেমিকন্ডাক্টর (সিলিকন, জার্মেনিয়াম) এমন পদার্থ যার পরিবাহিতা পরিবাহী ও অপরিবাহীর মাঝামাঝি এবং তাপমাত্রার ওপর প্রবলভাবে নির্ভরশীল। পরম শূন্য তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টর অপরিবাহীর মতো আচরণ করে — কোনো মুক্ত বাহক নেই। তাপ বাড়লে তাপীয় শক্তি সমযোজী বন্ধন ভেঙে প্রচুর নতুন ইলেকট্রন-হোল জোড় তৈরি করে — বাহকের সংখ্যা দ্রুতহারে বাড়ে, ফলে রোধ কমে পরিবাহিতা বাড়ে (ঋণাত্মক তাপমাত্রা গুণাঙ্ক)। ধাতুতে পরিস্থিতি উল্টো: মুক্ত ইলেকট্রনের সংখ্যা প্রায় ধ্রুব, তাপ বাড়ালে পরমাণুর কম্পন বাড়ে বলে ইলেকট্রনের বিচ্ছুরণ (সংঘর্ষ) বেড়ে রোধ বাড়ে। অর্থাৎ প্রভাবকটি ভিন্ন: সেমিকন্ডাক্টরে জয় হয় “বাহক সংখ্যার বৃদ্ধি”, ধাতুতে “সংঘর্ষের বৃদ্ধি”। এই তাপ-সংবেদনশীলতাই থার্মিস্টর তাপমাত্রা সেন্সরের ভিত্তি।

প্রশ্ন 02: শক্তি ব্যান্ড বলতে কী বোঝ? ব্যান্ড ফাঁকের ভিত্তিতে পরিবাহী, অপরিবাহী ও অর্ধপরিবাহীর পার্থক্য কী?

উত্তর: কঠিন পদার্থে পরমাণুগুলো কাছাকাছি থাকায় একক শক্তিস্তরগুলো চাপ খেয়ে অসংখ্য কাছাকাছি স্তরের ব্যান্ডে পরিণত হয়: যোজন ব্যান্ড (ভরা ইলেকট্রন) ও পরিবহন ব্যান্ড (মুক্ত চলাচলের স্তর)। মাঝখানের নিষিদ্ধ ফাঁক Eg-ই পরিবাহিতা নির্ধারণ করে। পরিবাহী (ধাতু): যোজন ও পরিবহন ব্যান্ড পরস্পরের ওপরে এসে পড়ে (Eg = 0) — সামান্য ক্ষেত্রেই ইলেকট্রন চলতে পারে, প্রচুর মুক্ত বাহক। অপরিবাহী (হীরা, কাচ): Eg বিশাল (প্রায় 5 eV-এর বেশি) — সাধারণ তাপশক্তি দিয়ে ইলেকট্রন ফাঁক পেরোতেই পারে না। অর্ধপরিবাহী: Eg মাঝারি (Si প্রায় 1.1 eV, Ge প্রায় 0.7 eV) — তাপ বা ডোপিংয়ে নিয়ন্ত্রণযোগ্যভাবে বাহক তৈরি করা যায়। এই “নিয়ন্ত্রণযোগ্য” মাঝামাঝি অবস্থাটিই ইলেকট্রনিক্সের ভিত্তি: চাইলে চলবে, চাইলে থামবে।

প্রশ্ন 03: নিজস্ব (intrinsic) সেমিকন্ডাক্টরে হোল বলতে কী বোঝ? হোল কীভাবে “চলাচল” করে?

উত্তর: বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরে তাপশক্তিতে কোনো ইলেকট্রন বন্ধন ভেঙে মুক্ত হলে পেছনে যে শূন্য আসনখানা থাকে, সেটিই হোল — এটি আসলে ইলেকট্রনের অভাব, যার আচরণ ঠিক +e আধানের একটি ধনাত্মক কণার মতো। হোলের চলাচল: পাশের বন্ধনের ইলেকট্রন লাফ দিয়ে এসে শূন্যস্থানটি পূরণ করলে শূন্যস্থানটি এক ধাপ পেছনে সরে যায় — পরপর এমন অদলবদলে হোলটি বিপরীত দিকে এগিয়ে চলে, ঠিক ভরা বাসে খালি আসন সরে যাওয়ার মতো। হোল নিজে কোনো কণা নয়, তবু বাহ্যিক ক্ষেত্রে এদের সমষ্টিগত গতিকে ধনাত্মক বাহকের প্রবাহ হিসেবে ধরাই সুবিধাজনক — এমনকি হল প্রভাব পরীক্ষায় হোল-বাহকের চিহ্ন ধনাত্মকই পাওয়া যায়। নিজস্ব সেমিকন্ডাক্টরে ইলেকট্রন ও হোলের সংখ্যা সবসময় সমান (জোড়ায় সৃষ্টি) এবং পরিবাহিতা খুবই কম — ব্যবহারিক ডিভাইসে তাই ডোপিং অপরিহার্য।

প্রশ্ন 04: ডোপিং বলতে কী বোঝ? ডোপিং করলে পরিবাহিতা বহুগুণ বেড়ে যায় কেন?

উত্তর: বিশুদ্ধ সেমিকন্ডাক্টরের সঙ্গে নিয়ন্ত্রিত মাত্রায় (প্রায় প্রতি দশ লক্ষ পরমাণুতে একজন) নির্দিষ্ট অপদ্রব্য মেশানোই ডোপিং। নিজস্ব অবস্থায় ঘরের তাপমাত্রায় বাহকের সংখ্যা এত কম যে পরিবাহিতা নগণ্য; পঞ্চযোজী অপদ্রব্য (ফসফরাস) মেশালে প্রতিটি অপদ্রব্য পরমাণু একটি করে বাড়তি মুক্ত ইলেকট্রন দেয় — তাপে বন্ধন ভাঙার ওপর নির্ভর না করেই বাহক সংখ্যা শত-হাজার গুণ বেড়ে যায়। পরিমাণটি সুনিয়ন্ত্রিত বলে পরিবাহিতা ইচ্ছামতো সাজানো যায় — এটি ডিজিটাল যন্ত্রাংশ তৈরির মূল কলাকৌশল। খেয়াল রাখো: ডোপিংয়ে নতুন ধরনের বাহক (সংখ্যাগুরু) বাড়ে, কিন্তু লঘু বাহকের সংখ্যা গুণফল-ধ্রুবকের (n·p ধ্রুব) কারণে আনুপাতিকে কমে যায়। ডোপিংমাত্রা বেশি হলে সেমিকন্ডাক্টর প্রায় ধাতুর মতো আচরণ করতে শুরু করে।

প্রশ্ন 05: n-টাইপ ও p-টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের মধ্যে পার্থক্য কী? দুটোই তড়িৎ-নিরপেক্ষ কেন?

উত্তর: n-টাইপ: পঞ্চযোজী দাতা অপদ্রব্য (P, As) — বাড়তি ইলেকট্রন মুক্ত বাহক; সংখ্যাগুরু বাহক ইলেকট্রন, লঘু বাহক হোল। p-টাইপ: ত্রিযোজী গ্রহীতা অপদ্রব্য (B, Al) — প্রতিটি অপদ্রব্য একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করে একটি হোল সৃষ্টি করে; সংখ্যাগুরু বাহক হোল, লঘু ইলেকট্রন। নিরপেক্ষতার কারণ: ডোপিংয়ে যোগ করা পরমাণুগুলো নিজেরা তড়িৎ-নিরপেক্ষ — দাতা পরমাণু ইলেকট্রন ছেড়ে ধনাত্মক আয়ন হলেও স্ফটিকের মোট ধনাত্মক ও ঋণাত্মক আধান সমানই থাকে (মুক্ত ইলেকট্রনের আধান আয়নের আধানে পুষিয়ে যায়)। p বা n নামটি বাহকের আধান-চিহ্ন নির্দেশ করে, স্ফটিকের মোট আধান নয়। এই ভুল বোঝাটা সাধারণ — পরীক্ষায় মনে রাখো: n-টাইপ মানে ঋণাত্মক বাহক প্রধান, ঋণাত্মক-আহিত পদার্থ নয়। তাপমাত্রা অনেক বাড়ালে নিজস্ব বাহক দুই প্রকারকেই ছাপিয়ে গিয়ে উভয়ে নিজস্ব আচরণে ফিরে যায়।

প্রশ্ন 06: p-n জাংশনে ডিপ্লিশন স্তর ও বাধা বিভব সৃষ্টি হয় কেন?

উত্তর: p ও n অংশ যুক্ত হলে ঘনত্বের পার্থক্যের কারণে n অংশের মুক্ত ইলেকট্রন p অংশে ব্যাপিত হয় এবং p অংশের হোল n অংশে আসে — সীমানার কাছাকাছি তারা পরস্পরকে মিলিয়ে (recombination) ওই এলাকার মুক্ত বাহক শেষ করে দেয়; পড়ে থাকে অনড় আয়নগুলো: n পাশে ধনাত্মক দাতা আয়ন, p পাশে ঋণাত্মক গ্রহীতা আয়ন। এই মুক্ত-বাহকশূন্য অঞ্চলই ডিপ্লিশন (নিঃশেষিত) স্তর। আয়নদের আধান একটি অন্তঃস্থ তড়িৎ ক্ষেত্র তৈরি করে যা আরও ব্যাপনকে বাধা দেয় — সেই ক্ষেত্রেরই বিভব-রূপ বাধা বিভব (সিলিকনে প্রায় 0.7 V)। সাম্যাবস্থায় ব্যাপন প্রবাহ ও ক্ষেত্র-তাড়িত প্রবাহ পরস্পরকে বাতিল করে নিট প্রবাহ শূন্য থাকে। বাইরে থেকে ভোল্টেজ না দিলে জাংশন দিয়ে কোনো প্রবাহ চলে না — এই বাধা অতিক্রম করাই ডায়োডের সব আচরণের চাবিকাঠি।

প্রশ্ন 07: সম্মুখ বায়াসে জাংশন দিয়ে প্রবাহ চলে কিন্তু বিপরীত বায়াসে চলে না কেন?

উত্তর: সম্মুখ বায়াসে (p-তে +, n-তে −) বাইরের ভোল্টেজ বাধা বিভবের বিরুদ্ধে কাজ করে: ডিপ্লিশন স্তর সরু হয়, বাধা কমে যায় — ভোল্টেজ বাধা বিভব (প্রায় 0.7 V) পেরোলেই সংখ্যাগুরু বাহকরা জাংশন পেরিয়ে প্রবল প্রবাহ চলে; V–I লেখচিত্রে একটি “হাঁটু” (knee) দেখা যায়। বিপরীত বায়াসে বাইরের ভোল্টেজ বাধাকে আরও বাড়িয়ে ডিপ্লিশন স্তর চওড়া করে — সংখ্যাগুরু বাহক জাংশনের কাছে আসতেই পারে না; চলে শুধু লঘু বাহকদের তৈরি সামান্য বিপরীত সম্পৃক্ত প্রবাহ (μA মাত্রার), যা ভোল্টেজ বাড়ালে প্রায় বাড়েই না। এই একমুখী আচরণই ডায়োডকে AC→DC রেক্টিফিকেশনে কাজে লাগায়। বিপরীত ভোল্টেজ অত্যাধিক হলে ভাঙন (breakdown) ঘটে প্রবাহ বেড়ে যায় — সাধারণ ডায়োডের জন্য ধ্বংসাত্মক হলেও জেনার ডায়োডে এটাই কার্যনীতি।

প্রশ্ন 08: রেক্টিফায়ার বলতে কী বোঝ? অর্ধ-তরঙ্গ অপেক্ষা পূর্ণ-তরঙ্গ রেক্টিফায়ার ভালো কেন?

উত্তর: যে ব্যবস্থা পরিবর্তী প্রবাহকে (AC) একদিকমুখী (pulsating DC) প্রবাহে রূপান্তর করে তাই রেক্টিফায়ার — ভিত্তি ডায়োডের একমুখী পরিবহন। অর্ধ-তরঙ্গ রেক্টিফায়ারে একটি ডায়োড AC-এর শুধু একটি অর্ধচক্র পাস করে, অপর অর্ধচক্র পুরোপুরি নষ্ট — দক্ষতা কম (সর্বোচ্চ প্রায় 40%), আউটপুটে বড় রিপল ও ফাঁক। পূর্ণ-তরঙ্গ রেক্টিফায়ারে (ব্রিজে চারটি ডায়োড) দুটি অর্ধচক্রই বিপরীত পথে ঘুরিয়ে একই দিকে পাঠানো হয় — কোনো অর্ধেকই নষ্ট হয় না, দক্ষতা দ্বিগুণ (প্রায় 81%), রিপলের কম্পাঙ্ক দ্বিগুণ বলে ফিল্টার করাও সহজ। প্রায় সব বাস্তব পাওয়ার সাপ্লাই তাই ব্রিজ রেক্টিফায়ার ব্যবহার করে। মনে রাখো: রেক্টিফায়ারের আউটপুট স্থির DC নয় — মসৃণ করার কাজ ফিল্টারের, স্থির ভোল্টেজের কাজ নিয়ন্ত্রকের (regulator)।

প্রশ্ন 09: জেনার ডায়োড ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রক হিসেবে কীভাবে কাজ করে?

উত্তর: জেনার ডায়োডকে ইচ্ছাকৃতভাবে ভারী ডোপিংয়ে তৈরি করা হয় যাতে নির্দিষ্ট বিপরীত ভোল্টেজে (জেনার ভোল্টেজ, যেমন 5.1 V) তা নির্ভুল ভাঙনে যায়। ভাঙন অঞ্চলে এর বৈশিষ্ট্য: ভোল্টেজ প্রায় ধ্রুব থাকে অথচ প্রবাহ বিশাল সীমায় বদলাতে পারে। বর্তনীতে এটিকে লোডের সমান্তরালে বিপরীত বায়াসে লাগালে ইনপুট ভোল্টেজ ওঠানামা করলেও বা লোডের প্রবাহ বদলালেও জেনার নিজের প্রবাহ বাড়িয়ে-কমিয়ে মোট ভারসাম্য রক্ষা করে — লোডের দুই প্রান্তের ভোল্টেজ জেনার ভোল্টেজেই আটকে থাকে। সিরিজ রোধ বাড়তি ভোল্টেজ খেয়ে নিরাপত্তা দেয়। সীমাবদ্ধতা: দক্ষতা কম (বাড়তি শক্তি তাপে নষ্ট) ও প্রবাহ সক্ষমতা সীমিত — বড় লোডে IC নিয়ন্ত্রক লাগে। কিন্তু সরলতা ও নির্ভুল প্রসঙ্গ ভোল্টেজের জন্য জেনার এখনো বহুল ব্যবহৃত।

প্রশ্ন 10: LED থেকে আলো নির্গত হয় কীভাবে? আলোর রঙ কীসের ওপর নির্ভর করে?

উত্তর: LED একটি সম্মুখ-বায়াসযুক্ত p-n জাংশন: সম্মুখ প্রবাহে ইলেকট্রন ও হোল জাংশনে মিলিত (recombine) হয় — ইলেকট্রন পরিবহন ব্যান্ড থেকে যোজন ব্যান্ডে নামার সময় বাড়তি শক্তি ছেড়ে দেয়। সাধারণ সিলিকন ডায়োডে এই শক্তি বেশিরভাগ তাপে যায়; LED-র উপাদানে (GaAsP, GaN ইত্যাদি সরাসরি ব্যান্ড-ফাঁকবিশিষ্ট) শক্তিটি ফোটন আকারে বেরিয়ে আসে (ইলেকট্রোলুমিনেসেন্স)। ফোটনের শক্তি E = Eg = hν — অর্থাৎ উপাদানের ব্যান্ড ফাঁকই রঙ নির্ধারণ করে: ফাঁক বড় হলে কম্পাঙ্ক বেশি (নীল/বেগুনি), ছোট হলে লাল/অবলোহিত। নীল LED আবিষ্কার (যা সাদা LED সম্ভব করেছে) নোবেল পুরস্কার পাওয়ার কারণও এই কঠিন বড়-ফাঁক উপাদান তৈরি করা। LED দক্ষ ও দীর্ঘজীবী — কারণ শক্তি সরাসরি আলোতে যায়, ফিলামেন্ট তাপানোর অপচয় নেই।

প্রশ্ন 11: সোলার সেল আলো থেকে বিদ্যুৎ তৈরি করে কীভাবে?

উত্তর: সোলার সেল মূলত একটি বড় ক্ষেত্রফলের p-n জাংশন — LED-র ঠিক উল্টো প্রক্রিয়া। জাংশন অঞ্চলে আলো পড়লে ফোটন (hν > Eg হলে) ইলেকট্রন-হোল জোড় তৈরি করে; জাংশনের অন্তঃস্থ তড়িৎ ক্ষেত্র জোড়টিকে আলাদা করে ফেলে — ইলেকট্রনকে n দিকে, হোলকে p দিকে ঠেলে দেয়। এভাবে দুই পাশে আধান জমে বিভব পার্থক্য সৃষ্টি হয় — বাইরের বর্তনী যুক্ত করলে প্রবাহ চলে। একটি সিলিকন সেল মাত্র প্রায় 0.5–0.6 V দেয় বলে প্যানেলে অনেকগুলো সেল শ্রেণিতে যুক্ত করা হয়। দক্ষতা প্রায় 20%-এর কাছাকাছি সীমিত থাকার কারণ: Eg-এর ছোট ফোটন কাজেই লাগে না, বড় ফোটনের বাড়তি শক্তি তাপ হয়ে যায় — এই বর্ণালি-অমিলই মূল ক্ষতি। অন্ধকারে সেলটি সাধারণ ডায়োডের মতোই আচরণ করে — আলো ছাড়া তার বিশেষত্ব নেই।

প্রশ্ন 12: ট্রানজিস্টরে ছোট বেস প্রবাহ বড় কালেক্টর প্রবাহ নিয়ন্ত্রণ করে কীভাবে?

উত্তর: ট্রানজিস্টরে (npn) পাতলা ও হালকা ডোপিংয়ের বেসের দুই পাশে এমিটার ও কালেক্টর। এমিটার-বেস জাংশন সম্মুখ বায়াসে থাকায় এমিটার থেকে প্রচুর ইলেকট্রন বেসে ঢোকে; বেস অত্যন্ত পাতলা ও হালকা ডোপড বলে ইলেকট্রনের মাত্র প্রায় 2–5% হোলের সঙ্গে মিলিত হয়ে বেস প্রবাহ (I_B) তৈরি করে, বাকি প্রায় 95–98% বেগে ছুটে কালেক্টর জাংশন পেরিয়ে কালেক্টর প্রবাহ (I_C) হয়। বিধায় I_C = β·I_B, যেখানে β (প্রায় 50–300) — বেস প্রবাহের খানিকটা বদলেই কালেক্টর প্রবাহ β গুণ বেশি বদলায়, আউটপুট পাওয়া যায় বড় রোধে — এভাবেই ভোল্টেজ ও শক্তি বিবর্ধন ঘটে। মূল নকশা-কৌশল হলো পাতলা বেস: বেস মোটা হলে বেশি ইলেকট্রন সেখানেই মিলিত হয়ে বিবর্ধন নষ্ট হয়ে যেত। সম্পর্কটি I_E = I_B + I_C — শক্তি আসে কালেক্টর সরবরাহ থেকে, বেস শুধু “ভালভ” নিয়ন্ত্রণ করে।

প্রশ্ন 13: ট্রানজিস্টর সুইচ হিসেবে কীভাবে কাজ করে?

উত্তর: সুইচিং ব্যবহারে ট্রানজিস্টরকে দুটি চরম অবস্থার যেকোনো একটিতে রাখা হয়: কাট-অফ (বেস প্রবাহ শূন্য → কালেক্টর প্রবাহ শূন্য — সুইচ বন্ধ/OFF) এবং স্যাচুরেশন (বেস প্রবাহ যথেষ্ট বড় → কালেক্টর প্রবাহ সর্বোচ্চ, কালেক্টর-এমিটার ভোল্টেজ প্রায় শূন্য — সুইচ চালু/ON)। মাঝামাঝি সক্রিয় অঞ্চল সুইচিংয়ে এড়িয়ে চলা হয় — সেখানে শক্তি অপচয় (I × V দুটোই উল্লেখযোগ্য) বেশি; দুই চরমে হয় প্রবাহ শূন্য নয় ভোল্টেজ প্রায় শূন্য — অপচয় সর্বনিম্ন। ডিজিটাল বর্তনীতে এই দুই অবস্থাই 0 ও 1 — কম্পিউটারের সব লজিকের ভৌত ভিত্তি। যান্ত্রিক সুইচের তুলনায় সুবিধা: চলমান অংশ নেই, সেকেন্ডে কোটি বার বদলাতে পারে, ক্ষুদ্র জায়গায় কোটি কোটি সুইচ বসানো যায়। রিলে চালানো, LED জ্বালানো থেকে প্রসেসরের গেট — নীতি একই।

প্রশ্ন 14: কম্পিউটারে বাইনারি সংখ্যা পদ্ধতি ব্যবহার করা হয় কেন?

উত্তর: ডিজিটাল যন্ত্রাংশের ভৌত অবস্থা স্বাভাবিকভাবে দুটি: সুইচ ON/OFF, ভোল্টেজ বেশি/কম, ট্রানজিস্টর স্যাচুরেটেড/কাট-অফ। বাইনারির দুটি অঙ্ক (0 ও 1) এই দুই অবস্থার সঙ্গে এক-এক মিলে যায় — ফলে একটি ট্রানজিস্টর দিয়েই একটি বিট ধরা যায়, বর্তনী সবচেয়ে সরল হয়। দশমিকে চালালে দশটি আলাদা ভোল্টেজ-স্তর লাগত — নয়েজ ও সহনশীলতার কারণে স্তরগুলো পরস্পরে গুলিয়ে যেত, যন্ত্র অবিশ্বস্ত হয়ে পড়ত। দুই স্তরের ব্যবস্থায় মাঝামাঝি নয়েজেও কোন স্তর তা নিরাপদে চেনা যায় — নির্ভরযোগ্যতাই মূল। দাম দিতে হয় অঙ্কের দৈর্ঘ্যে: সংখ্যা লিখতে বেশি বিট লাগে, কিন্তু তা আবার অক্টাল/হেক্সাডেসিমাল সংক্ষেপণে পুষিয়ে নেওয়া হয় (প্রতি হেক্স অঙ্ক = 4 বিট)। গাণিতিক দিকেও বাইনারি বুলিয়ান লজিকের সঙ্গে হুবহু মিলে যায় — যন্ত্র ও গণিত একই ভাষা পায়।

প্রশ্ন 15: NAND ও NOR গেটকে সার্বজনীন গেট বলা হয় কেন?

উত্তর: শুধু NAND গেট দিয়েই অন্য তিনটি মৌল গেট (NOT, AND, OR) বানানো যায়: NAND-এর দুই ইনপুট এক করলে NOT; NAND-এর আউটপুটে NOT (আবার NAND) লাগালে AND; ডি মরগান প্রয়োগে ইনপুট দুটি উল্টে NAND-এ দিলে OR। একইভাবে শুধু NOR দিয়েও সব গেট গড়া যায়। যেহেতু AND-OR-NOT পূর্ণ সেট থাকলেই যেকোনো লজিক বর্তনী বাস্তবায়ন করা যায়, NAND ও NOR প্রত্যেকে একাই সর্বসমর্থ — তাই সার্বজনীন। ব্যবহারিক গুরুত্ব: IC তৈরিতে একই ধরনের গেট বারবার ব্যবহারে উৎপাদন সস্তা, নকশা সরল ও যন্ত্রাংশের স্টক একরকম হয়। বাস্তবে CMOS প্রযুক্তিতে NAND গেট বানানো সবচেয়ে স্বাভাবিক ও সস্তা বলেই ডিজিটাল জগতের অধিকাংশ লজিক NAND-ভিত্তিক।

প্রশ্ন 16: বুলিয়ান বীজগণিত ও ডি মরগানের সূত্র ইলেকট্রনিক্সে কেন গুরুত্বপূর্ণ?

উত্তর: বুলিয়ান বীজগণিত ডিজিটাল বর্তনীর গণিত — দুটি মান (0/1) ও তিনটি ক্রিয়া (AND, OR, NOT) দিয়ে যেকোনো লজিককে সমীকরণে প্রকাশ করা যায়; সমীকরণ সরল করা মানে গেট কমানো — খরচ, জায়গা ও বিদ্যুৎ সাশ্রয়। ডি মরগানের সূত্রদ্বয়: (A·B)′ = A′ + B′ এবং (A + B)′ = A′·B′ — এগুলো দিয়ে NOT-কে ভেতরে-বাইরে ঠেলে বর্তনীকে এক রূপ থেকে অন্য রূপে নেওয়া যায় (যেমন OR গেটকে NAND দিয়ে প্রতিস্থাপন), যা সার্বজনীন গেট দিয়ে বাস্তবায়নের প্রাণ। কার্নো ম্যাপসহ এই সরলীকরণ ছাড়া আধুনিক প্রসেসরের কোটি গেটের নকশা সম্ভব হতো না — অপ্রয়োজনীয় গেট মানেই তাপ, দেরি ও টাকা। সূত্রিত নকশা যাচাইও সহজ: সত্য সারণির বদলে বীজগণিত প্রমাণ করে দুটি বর্তনী সমতুল্য কিনা।

প্রশ্ন 17: এনকোডার ও ডিকোডারের কাজ কী? হাফ অ্যাডার পূর্ণ যোগ করতে পারে না কেন?

উত্তর: এনকোডার অনেকগুলো ইনপুট লাইনের সক্রিয়টিকে সংক্ষিপ্ত বাইনারি কোডে বদলায় (যেমন কিবোর্ডের কোনো কী চাপলে তার ASCII কোড); ডিকোডার উল্টোটা করে — বাইনারি কোড থেকে নির্দিষ্ট একটি আউটপুট লাইন সক্রিয় করে (যেমন ঠিকানা ধরে একটি মেমোরি সারি বেছে নেওয়া, সেভেন-সেগমেন্ট ডিসপ্লে চালানো)। হাফ অ্যাডার দুটি বিট যোগ করে যোগফল (S) ও হাতে (C) দেয় — কিন্তু আগের ধাপ থেকে আসা হাতে-থাকা (carry-in) যোগ করার ব্যবস্থাই এর নেই। বহু-বিট যোগে প্রতি ধাপেই আগের ধাপের ক্যারি আসে, তাই ফুল অ্যাডার লাগে — তিনটি ইনপুট (A, B, C-in)। সীমাটি তাই গঠনগত: হাফ অ্যাডার এক-বিটের খেলনা; বাস্তব ALU-র ভিত্তি ফুল অ্যাডারের শৃঙ্খল (ripple carry)। দুটি হাফ অ্যাডার ও একটি OR গেট মিলে একটি ফুল অ্যাডার বানানো যায় — পাঠ্যবইয়ের চিরাচরিত নকশা।

প্রশ্ন 18: সমন্বিত বর্তনী (IC) আলাদা যন্ত্রাংশের বর্তনীর চেয়ে সুবিধাজনক কেন?

উত্তর: IC-তে পুরো বর্তনী — ট্রানজিস্টর, রোধ, সংযোগ — একটি ক্ষুদ্র সিলিকন চিপের ওপর ফটোলিথোগ্রাফি প্রক্রিয়ায় একসঙ্গে গড়া হয়। সুবিধা: (1) আকার — কোটি ট্রানজিস্টর মিলিমিটার মাত্রার জায়গায়; (2) খরচ — পৃথক সংযোগ বা মোড়কের খরচ ছাড়াই এক ব্যাচে হাজার হাজার চিপ; (3) নির্ভরযোগ্যতা — ঝালাই-জোড়া (solder joint) প্রায় নেই বললেই চলে, যেগুলোই বাস্তবে বেশি নষ্ট হয়; (4) গতি ও শক্তি — সংযোগ পথ ছোট বলে সংকেত দ্রুত, পরজীবী ধারকত্ব কম, বিদ্যুৎ খরচ সামান্য। সীমাবদ্ধতা: চিপের ভেতর মেরামত অসম্ভব, বড় ধারক/কুণ্ডলী চিপে বানানো কঠিন, আর নকশা একবার ঠিক হলে বদলানো ব্যয়বহুল। মুরের সূত্র অনুযায়ী চিপে ট্রানজিস্টর ঘনত্ব দীর্ঘদিন ধরে প্রায় প্রতি দুই বছরে দ্বিগুণ হয়ে কম্পিউটার বিপ্লব ঘটিয়েছে — বিচ্ছিন্ন যন্ত্রাংশে ভাবনাই হতো না।

প্রশ্ন 19: রেক্টিফায়ারের আউটপুটে ক্যাপাসিটর ফিল্টার ব্যবহার করা হয় কেন?

উত্তর: রেক্টিফায়ারের আউটপুট স্পন্দিত (pulsating) — ভোল্টেজ শূন্য থেকে চূড়ায় ওঠানামা করে (রিপল), যা ইলেকট্রনিক যন্ত্রে গুঞ্জন ও ত্রুটি ঘটায়। লোডের সমান্তরালে বড় ধারকত্বের ক্যাপাসিটর লাগালে সে চূড়ার সময় চার্জ জমিয়ে রাখে এবং উপত্যকার সময় (রেক্টিফায়ার বন্ধ থাকলে) লোডকে ধীরে ধীরে শক্তি সরবরাহ করে — ফলে আউটপুটের ওঠানামা (রিপল) অনেক কমে, ভোল্টেজ গড় মানের কাছে স্থির থাকে। ধারকত্ব ও লোড প্রবাহ যত বড়/ছোট, রিপল তত কম। তবু সামান্য রিপল থেকেই যায় — পুরোপুরি স্থির ভোল্টেজ পেতে এর পর নিয়ন্ত্রক (জেনার/IC 7805 জাতীয়) লাগে। মোবাইল চার্জার থেকে বড় পাওয়ার সাপ্লাই — সবখানে এই রেক্টিফায়ার → ফিল্টার → নিয়ন্ত্রক ধারাটিই প্রমিত।

প্রশ্ন 20: ফটোডায়োড আলো শনাক্ত করে কীভাবে? সাধারণ ডায়োডের সঙ্গে এর পার্থক্য কী?

উত্তর: ফটোডায়োডকে বিপরীত বায়াসে ব্যবহার করা হয় এবং এর জাংশন আলোর জন্য উন্মুক্ত রাখা হয় (স্বচ্ছ আবরণে)। আলোর ফোটন ডিপ্লিশন অঞ্চলে ইলেকট্রন-হোল জোড় তৈরি করে — জাংশন ক্ষেত্র তাদের আলাদা করে বিপরীত প্রবাহ তৈরি করে; এই প্রবাহ আলোর তীব্রতার প্রায় সমানুপাতিক, তাই পরিমাপ করেই আলো মাপা যায় (লাক্স মিটার, ক্যামেরা সেন্সর, বারকোড রিডার)। সাধারণ ডায়োডে বিপরীত প্রবাহ শুধু তাপীয় লঘু বাহকের সামান্য লিকেজ — তা অনিচ্ছাকৃত ও ক্ষতিকর; ফটোডায়োডে সেটাই প্রধান কার্যকর সংকেত — পার্থক্য নকশায়: ক্ষেত্রফল বড়, আবরণ আলো-ভেদ্য, আর ব্যবহার বিপরীত বায়াসেই। প্রতিক্রিয়া অত্যন্ত দ্রুত (ন্যানোসেকেন্ড) বলে অপটিক্যাল যোগাযোগের রিসিভারেও ফটোডায়োডই ভরসা। সোলার সেল একই নীতির — পার্থক্য শুধু উদ্দেশ্যে: সেখানে সংকেত নয়, শক্তিই লক্ষ্য, তাই ক্ষেত্রফল আরও বড় ও বায়াস শূন্য।

প্রশ্ন 21: বিবর্ধক হিসেবে ব্যবহারে ট্রানজিস্টরকে DC বায়াস দেওয়া হয় কেন?

উত্তর: ট্রানজিস্টর বিবর্ধক হয় তার সক্রিয় অঞ্চলে — যেখানে I_C বেস প্রবাহের সঙ্গে প্রায় রৈখিকভাবে বদলায়। ইনপুট AC সংকেত দেওয়ার আগে কার্য-বিন্দু (Q-point) সক্রিয় অঞ্চলের মাঝামাঝি বসিয়ে রাখাই DC বায়াসিং। বায়াস না দিলে বা ভুল জায়গায় দিলে সংকেতের একটি অর্ধচক্রে ট্রানজিস্টর কাট-অফে (অপরটিতে স্যাচুরেশনে) চলে যাবে — আউটপুটের অর্ধেক কেটে যাওয়া বিকৃত (clipped) তরঙ্গ পাওয়া যাবে; বিশুদ্ধ বিবর্ধন হবে না। বায়াস আরও স্থিতিশীল হতে হয়: তাপমাত্রা বাড়লে β ও লিকেজ বদলায় বলে Q-point সরে যেতে পারে — ভোল্টেজ-বিভাজক বায়াস ও এমিটার রোধ সেই সরণ ঠেকায়। উপমা: বিবর্ধন হলো ঢেউ; বায়াস হলো সমুদ্রপৃষ্ঠের গভীরতা — মাঝপথে না থাকলে ঢেউ তলায় বা ওপরে ধাক্কা খেয়ে বিকৃত হয়।

প্রশ্ন 22: সিলিকন ডায়োডের বাধা বিভব (প্রায় 0.7 V) জার্মেনিয়ামের (প্রায় 0.3 V) চেয়ে বেশি কেন?

উত্তর: বাধা বিভব সরাসরি উপাদানের ব্যান্ড ফাঁকের সঙ্গে সম্পর্কিত: সিলিকনের Eg প্রায় 1.1 eV, জার্মেনিয়ামের প্রায় 0.7 eV (কার্যত জাংশন-বাধা যথাক্রমে প্রায় 0.7 V ও 0.3 V পাওয়া যায়)। ফাঁক বড় মানে ডিপ্লিশন অঞ্চল পেরিয়ে বাহকদের জাংশন অতিক্রম করতে বেশি বিভব-উত্তেজনার দরকার — বাইরের সম্মুখ ভোল্টেজকে সেই বাধা প্রায় পুরোটা কাটিয়েই প্রবাহ শুরু করতে হয়। এর ব্যবহারিক ফল: সিলিকন ডায়োড চালু হতে বেশি ভোল্টেজ লাগে, কিন্তু সিলিকনের লিকেজ প্রবাহ অনেক কম ও উচ্চ তাপমাত্রায় (প্রায় 150–200°C পর্যন্ত) স্থিতিশীল — জার্মেনিয়াম প্রায় 70°C-এর বেশিতে অতিরিক্ত নিজস্ব বাহকে ভেসে যায়। এই কারণেই আধুনিক ইলেকট্রনিক্সে প্রায় সর্বত্র সিলিকন; জার্মেনিয়াম টিকে আছে বিশেষ নিম্ন-ভোল্টেজ/উচ্চ-কম্পাঙ্কের কিছু কাজে।

সেমিকন্ডাক্টর ও ইলেকট্রনিক্সের মূল বার্তা: ডোপিং দিয়ে বাহক নিয়ন্ত্রণ, জাংশন দিয়ে দিক নিয়ন্ত্রণ, আর ট্রানজিস্টর দিয়ে বিবর্ধন ও সুইচিং — এই তিন কৌশলেই গড়া পুরো আধুনিক ইলেকট্রনিক্স। পরের পোস্টে আসছে একাদশ অধ্যায় — জ্যোতির্বিজ্ঞান-এর অনুধাবনমূলক ম্যারাথন।

এইচএসসি পদার্থবিজ্ঞান ২য় পত্রের দশম অধ্যায় সেমিকন্ডাক্টর ও ইলেকট্রনিক্স-এর সব গুরুত্বপূর্ণ অনুধাবনমূলক প্রশ্ন ও উত্তর এক পোস্টে — ব্যান্ড তত্ত্ব, p-n জাংশন, ট্রানজিস্টর ও লজিক গেট সহ মোট ২২টি প্রশ্ন।
Picture of Rashed Rion
Rashed Rion

Physics, University of Chittagong

Facebook
Scroll to Top