Unit 2 Notes in Hindi, FEEE 2004, Polytechnic 2nd Semester

 

2. बुनियादी (एनालॉग) और डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स का अवलोकन

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2.1 सेमिकंडक्टर्स का परिचय

सेमिकंडक्टर्स:

सेमिकंडक्टर एक ऐसा पदार्थ है जिसकी विद्युत चालकता कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच होती है। सेमिकंडक्टर्स आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार हैं, जिनमें ट्रांजिस्टर, डायोड और इंटीग्रेटेड सर्किट जैसे उपकरण शामिल हैं। दो सबसे सामान्य सेमिकंडक्टर सामग्री सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) हैं।

2.1.1 विभिन्न सेमिकंडक्टर सामग्री (Si, Ge)

1. सिलिकॉन (Si):

   • बैंडगैप: 1.1 eV
   • सामान्य उपयोग: आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में सबसे सामान्य रूप से उपयोग किया जाता है (ट्रांजिस्टर, सोलर सेल, माइक्रोप्रोसेसर)।
   • गुण: सिलिकॉन अपनी स्थिरता और प्रचुरता के कारण सबसे अधिक इस्तेमाल होता है।
   • उदाहरण: सिलिकॉन चिप्स – जो माइक्रोप्रोसेसर का मस्तिष्क होते हैं, कंप्यूटर, मोबाइल फोन आदि में उपयोग होते हैं।

   आरेख:

   • सिलिकॉन परमाणु संरचना:
     • सिलिकॉन के पास 14 इलेक्ट्रॉन होते हैं, और इसका परमाणु संख्या 14 है। इसके बाहरी शेल में 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं।

   
   Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
   (प्रत्येक Si परमाणु चार सहसंयोजन बंधों के माध्यम से दूसरे Si परमाणुओं से जुड़ा होता है)
   

2. जर्मेनियम (Ge):

   • बैंडगैप: 0.67 eV
   • सामान्य उपयोग: ऐतिहासिक रूप से ट्रांजिस्टर और डायोड में उपयोग किया गया।
   • गुण: जर्मेनियम का बैंडगैप छोटा होता है और यह तापमान के प्रति अधिक संवेदनशील होता है।
   • उदाहरण: जर्मेनियम ट्रांजिस्टर – पुराने ट्रांजिस्टर-आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किया गया।

   आरेख:

   • जर्मेनियम परमाणु संरचना:
     • सिलिकॉन के समान, लेकिन इसका बैंडगैप छोटा होता है। जर्मेनियम के बाहरी शेल में भी 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं।

   
   Ge: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
   

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2.2 सेमिकंडक्टर्स में डोपिंग (अशुद्धियाँ)

डोपिंग:

डोपिंग वह प्रक्रिया है जिसमें एक शुद्ध सेमिकंडक्टर सामग्री (जैसे Si या Ge) में कुछ विशेष अशुद्धियाँ (जिन्हें डोपेंट कहा जाता है) जोड़ी जाती हैं ताकि इसकी विद्युत गुणधर्म को बदला जा सके।

2.2.1 अंतर्निहित और बाह्य सेमिकंडक्टर

1. अंतर्निहित सेमिकंडक्टर:

   • अंतर्निहित सेमिकंडक्टर एक शुद्ध सेमिकंडक्टर होता है जिसमें कोई अशुद्धियाँ नहीं होती।
   • अंतर्निहित सेमिकंडक्टर में सभी इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में दृढ़ता से जुड़े होते हैं और सामान्य तापमान पर यह स्वतंत्र रूप से नहीं चल सकते।

   आरेख:

   • ऊर्जा बैंड आरेख:
   • अंतर्निहित सेमिकंडक्टर में वैलेंस बैंड पूर्ण होता है और कंडक्शन बैंड खाली होता है। इसके बीच का बैंडगैप लगभग 1.1 eV होता है (सिलिकॉन के लिए)।

   
   वैलेंस बैंड (पूर्ण) | कंडक्शन बैंड (खाली) 
   (ऊर्जा अंतर 1.1eV)
   

2. बाह्य सेमिकंडक्टर:

   • बाह्य सेमिकंडक्टर में डोपिंग की जाती है ताकि इसकी चालकता बढ़ सके।
   • बाह्य सेमिकंडक्टर के दो प्रकार होते हैं:
     • n-प्रकार: डोनर परमाणु (जैसे, फास्फोरस) से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोड़े जाते हैं।
     • p-प्रकार: एकसेप्टर परमाणु (जैसे, बोरॉन) से रिक्त स्थान (होल) बनाए जाते हैं।

   आरेख:

   • n-प्रकार: डोनर परमाणु अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करते हैं।
   • p-प्रकार: एकसेप्टर परमाणु रिक्त स्थान (होल) उत्पन्न करते हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन मूव कर सकते हैं।

   
   n-प्रकार सेमिकंडक्टर: अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं, जिससे यह नकारात्मक चार्ज वाला बन जाता है।
   p-प्रकार सेमिकंडक्टर: "होल्स" सकारात्मक चार्ज वाहक के रूप में कार्य करते हैं।
   

2.2.2 अंतर्निहित और बाह्य सेमिकंडक्टर की परमाणु संरचना

• अंतर्निहित सेमिकंडक्टर: परमाणु दृढ़ता से जुड़े होते हैं और इसमें कोई स्वतंत्र चार्ज वाहक नहीं होते।
• बाह्य सेमिकंडक्टर: n-प्रकार सेमिकंडक्टर में डोनर परमाणु अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करते हैं, जबकि p-प्रकार में एकसेप्टर परमाणु रिक्त स्थान (होल) उत्पन्न करते हैं, जो चार्ज को स्थानांतरित करने में मदद करते हैं।

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2.3 चालकता

सेमिकंडक्टर की चालकता इस पर निर्भर करती है कि सामग्री में कितने चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन या होल) उपलब्ध हैं।

2.3.1 वाहक परिवहन: डिफ्यूजन और ड्रिफ्ट करंट, मोबिलिटी, रेजिस्टिविटी

1. डिफ्यूजन करंट:

   • डिफ्यूजन तब होती है जब चार्ज वाहक उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से निम्न सांद्रता वाले क्षेत्र में स्थानांतरित होते हैं। यह स्वाभाविक रूप से कणों की यादृच्छिक गति के कारण होता है।

   आरेख:

   • चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन/होल) सेमिकंडक्टर में सांद्रता के अंतर को बराबर करने के लिए स्थानांतरित होते हैं।

   
   डिफ्यूजन: उच्च सांद्रता → निम्न सांद्रता
   

2. ड्रिफ्ट करंट:

   • ड्रिफ्ट करंट तब होती है जब वाहक एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में चलते हैं। एक लागू विद्युत क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉन सकारात्मक टर्मिनल की ओर और होल नकारात्मक टर्मिनल की ओर चलते हैं।

   आरेख:

   • ड्रिफ्ट करंट तब उत्पन्न होती है जब सेमिकंडक्टर सामग्री पर विद्युत क्षेत्र लागू होता है।

3. मobilit (μ):

   • मोबिलिटी उस दर को कहते हैं जिस पर चार्ज वाहक एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में सेमिकंडक्टर सामग्री में चलते हैं। उच्च मोबिलिटी का मतलब होता है कि सामग्री अच्छी तरह से विद्युत धारा को पारित करती है।

4. रेजिस्टिविटी (ρ):

   • रेजिस्टिविटी एक पदार्थ की स्वाभाविक विशेषता है जो विद्युत धारा के प्रवाह का प्रतिरोध करती है। कम रेजिस्टिविटी वाली सामग्री विद्युत धारा को अच्छे से पारित करती है।

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2.3.2 चार्ज वाहकों का निर्माण और पुनः संयोजन, PN जंक्शन

1. निर्माण:

   • निर्माण तब होता है जब वैलेंस बैंड में स्थित इलेक्ट्रॉन पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं (ताप या प्रकाश से) और कंडक्शन बैंड में कूद जाते हैं, जिससे रिक्त स्थान (होल्स) उत्पन्न होते हैं।

2. पुनः संयोजन:

   • पुनः संयोजन तब होता है जब कंडक्शन बैंड का इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में स्थित होल के साथ पुनः मिल जाता है, जिससे दोनों इलेक्ट्रॉन और होल न्यूट्रल हो जाते हैं।

3. PN जंक्शन:

   • एक PN जंक्शन तब बनता है जब p-प्रकार और n-प्रकार सेमिकंडक्टर को एक साथ रखा जाता है।
   • जब वोल्टेज लागू किया जाता है, तो फॉरवर्ड बायस वर्तमान को बहने की अनुमति देता है, जबकि रिवर्स बायस वर्तमान के प्रवाह को रोकता है।

   आरेख:

   • फॉरवर्ड बायस: P-साइड को पॉज़िटिव टर्मिनल से जोड़ा जाता है, और N-साइड को नेगेटिव टर्मिनल से जोड़ा जाता है।
   • रिवर्स बायस: P-साइड को नेगेटिव टर्मिनल से जोड़ा जाता है, और N-साइड को पॉज़िटिव टर्मिनल से जोड़ा जाता है।

   
   फॉरवर्ड बायस: करंट बहता है, डिप्लीशन क्षेत्र संकुचित होता है।
   रिवर्स बायस: करंट नहीं बहता, डिप्लीशन क्षेत्र विस्तारित होता है।
   

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2.4 सक्रिय घटक और उनका उपयोग

2.4.1 डायोड्स, वी-आई लक्षण, फॉरवर्ड और रिवर्स बायस

1. डायोड:

   • एक डायोड दो टर्मिनल वाला उपकरण है जो केवल एक दिशा में करंट को बहने देता है।
   • फॉरवर्ड बायस: जब P-साइड पॉज़िटिव और N-साइड नेगेटिव होती है, तो करंट बहता है।
   • रिवर्स बायस: जब P-साइड नेगेटिव और N-साइड पॉज़िटिव होती है, तो करंट नहीं बहता, सिवाय एक छोटे लीकज करंट के।

2. वी-आई लक्षण:

   • फॉरवर्ड बायस: जब डायोड फॉरवर्ड बायस होता है, तो करंट तब बहता है जब वोल्टेज एक निश्चित थ्रेशोल्ड (आमतौर पर 0.7V सिलिकॉन के लिए) को पार करता है।
   • रिवर्स बायस: रिवर्स बायस में, डायोड करंट को रोकता है, सिवाय छोटे लीकज करंट के।

   आरेख:

   • डायोड के वी-आई लक्षण:
   • ग्राफ दिखाता है कि फॉरवर्ड बायस में, करंट एक निश्चित थ्रेशोल्ड वोल्टेज (0.7V) के बाद तेजी से बढ़ता है।

   
   |       / 
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   |    /       
   |   /       
   |  /         
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2.4.2 बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर (BJT), PNP और NPN BJT, लक्षण

1. BJT:

   • BJT एक तीन-परत सेमिकंडक्टर उपकरण होता है जिसमें दो PN जंक्शन होते हैं: एमिटर, बेस और कलेक्टर।
   • NPN: बेस p-प्रकार और एमिटर और कलेक्टर n-प्रकार होते हैं।
   • PNP: बेस n-प्रकार और एमिटर और कलेक्टर p-प्रकार होते हैं।

   आरेख:

   • NPN ट्रांजिस्टर:
     • एमिटर n-प्रकार (नकारात्मक चार्ज), बेस p-प्रकार (सकारात्मक चार्ज), और कलेक्टर n-प्रकार होते हैं।

   
   NPN ट्रांजिस्टर:
   एमिटर (n) → बेस (p) → कलेक्टर (n)
   

2. लक्षण:

   • सक्रिय क्षेत्र में, ट्रांजिस्टर सिग्नल को बढ़ाता है।
   • संतृप्ति क्षेत्र में, यह "ऑन" होता है और कटऑफ क्षेत्र में, यह "ऑफ" होता है।

   आरेख:

   • BJT के लक्षणात्मक वक्र: यह दर्शाता है कि करंट किस प्रकार वोल्टेज के साथ बदलता है विभिन्न ऑपरेटिंग क्षेत्रों (सक्रिय, कटऑफ, संतृप्ति) में।

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2.5 बूलियन अलजेब्रा

2.5.1 लॉजिक गेट्स

1. NOT गेट: इनपुट सिग्नल को उलटता है (अर्थात, आउटपुट इनपुट के विपरीत होता है)।
2. AND गेट: आउटपुट 1 होता है केवल तब, जब सभी इनपुट 1 होते हैं।
3. OR गेट: आउटपुट 1 होता है अगर कम से कम एक इनपुट 1 होता है।
4. NAND गेट: आउटपुट AND का उलट होता है।
5. NOR गेट: आउटपुट OR का उलट होता है।
6. EX-OR गेट: आउटपुट 1 होता है अगर इनपुट अलग होते हैं।
7. EX-NOR गेट: आउटपुट 1 होता है अगर इनपुट समान होते हैं।

आरेख:

• लॉजिक गेट्स के ट्रुथ टेबल:

A	B	NOT A	AND	OR	NAND	NOR	EX-OR	EX-NOR
0	0	1	0	0	1	1	0	1
0	1	1	0	1	1	0	1	0
1	0	0	0	1	1	0	1	0
1	1	0	1	1	0	0	0	1

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2.5.2 दशमलव संख्या का बाइनरी कोड

दशमलव संख्या को बाइनरी में परिवर्तित करने के लिए हम दशमलव संख्या को 2 से बार-बार विभाजित करते हैं और शेषफल को रिकॉर्ड करते हैं।

उदाहरण: दशमलव 13 को बाइनरी में बदलें।

• 13 ÷ 2 = 6 शेष 1
• 6 ÷ 2 = 3 शेष 0
• 3 ÷ 2 = 1 शेष 1
• 1 ÷ 2 = 0 शेष 1

बाइनरी समकक्ष: 13 = 1101

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महत्वपूर्ण अभ्यास प्रश्न

1. अंतर्निहित और बाह्य सेमिकंडक्टर को आरेख के साथ समझाएं।

• हल: अंतर्निहित सेमिकंडक्टर शुद्ध होता है और इसका वैलेंस बैंड भरा होता है। बाह्य सेमिकंडक्टर में डोपिंग की जाती है, जिससे n-प्रकार और p-प्रकार सेमिकंडक्टर बनते हैं।

2. फॉरवर्ड और रिवर्स बायस में डायोड के काम करने के तरीके को वी-आई लक्षण के साथ समझाएं।

• हल: फॉरवर्ड बायस में करंट तब बहता है जब वोल्टेज 0.7V (सिलिकॉन के लिए) को पार करता है। रिवर्स बायस में, डायोड करंट को रोकता है, सिवाय एक छोटे लीकज करंट के।

3. BJT (NPN और PNP) के काम करने के सिद्धांत को लक्षणात्मक वक्रों के साथ समझाएं।

• हल: NPN ट्रांजिस्टर में, जब बेस सकारात्मक रूप से बायस होता है, तो कलेक्टर से एमिटर की ओर करंट बहता है। लक्षणात्मक वक्र दर्शाते हैं कि करंट किस प्रकार वोल्टेज के साथ बदलता है।

4. दी गई लॉजिक सर्किट के लिए बूलियन अभिव्यक्ति को सरल बनाएं।

• हल: बूलियन कानूनों जैसे डि मॉर्गन का नियम, वितरण नियम और संघटन नियम का उपयोग करके अभिव्यक्तियों को सरल करें।

5. सेमिकंडक्टर्स में डिफ्यूजन और ड्रिफ्ट करंट के बीच अंतर को समझाएं।

• हल: डिफ्यूजन करंट तब उत्पन्न होता है जब वाहक सांद्रता के अंतर के कारण स्थानांतरित होते हैं, जबकि ड्रिफ्ट करंट तब उत्पन्न होता है जब वाहक विद्युत क्षेत्र के कारण स्थानांतरित होते हैं।