પ્રસરણ, ડ્રિફ્ટ, અને બેરિયર વોલ્ટેજ

જો તમારે મોબાઈલ ફોનની બેટરીને ચાર્જ કરવી હોય તો તમારે એવા વિધુત પ્રવાહની જરૂર પડે જે બેટરી માંથી ફક્ત એક જ દિશામાં વહન પામે પરંતુ તમે દીવાલમાં લગાડેલા સોકેટ માંથી જે વિધુત પ્રવાહ મેળવો છો તે વિધુત પ્રવાહ ઉલટ સુલટ એટલે કે ઓલ્ટરનેટીંગ હોય છે સમયની સાથે વિધુત પ્રવાહ હંમેશા પોતાની દિશા બદલતો હોય છે જો આપણે આ સોકેટ સાથે આપણા મોબાઈલને જોડીએ તો તેની બેટરીને ચાર્જ કઈ રીતે કરી શકાય આપણે અહી જે એડેપ્ટરનો ઉપયોગ કરીએ છીએ તે એસી વિધુત પ્રવાહને ડીસી વિધુત પ્રવાહમાં એટલે કે ઉલટ સુલટ વિધુત પ્રવાહને એકદીશ વિધુત પ્રવાહમાં ફેરવતો હોવો જોઈએ અને એડેપ્ટર આ કામ કઈ રીતે કરે છે તેનો જવાબ પીએન જંકશન છે તો હવે આપણે પીએન જંકશનને સમજીએ અગાઉના વિડીઓમાં આપણે જોઈ ગયા કે PN જંકશનમાં એક બાજુએ ઘણા બધા હોલ આવેલા હોય છે અને બીજી બાજુએઘણા બધા ઈલેક્ટ્રોન આવેલા હોય છે તેમ જ અહી બે પ્રકારની ગતિ થાય છે એક વિસરણ એટલે કે દીફ્યુજન છે તે પ્રકાર માંથી હોલનું વિસ્તરણ N પ્રકારમાં થાય છે અને N પ્રકાર માંથી ઈલેક્ટ્રોન ઈલેક્ટ્રોનનું વિસરણ P પ્રકારમાં થાય છે અને આવું બંનેની સંદ્રતામાં રહેલા તફાવતને કારણે થાય છે પરંતુ રીકોમ્યુનિકેશનની પ્રક્રિયાને કારણે અહી વિધુત ભારિત જગ્યા રચાય છે જે વિસરણની પ્રક્રિયાને ધીમી કરે છે પરંતુ તેના કારણે બીજા પ્રકારની પણ ગતિ થાય છે જેના કારણે મૈનોરીટી ચાર્જ કેરિયરનું એક બીજામાં વહન થાય છે હવે તમે નોંધશો કે N પ્રકારમાં રહેલા હોલ P પ્રકારમાં જાય છે અને P પ્રકારમાં રહેલા ઈલેક્ટ્રોન N પ્રકારમાં જાય છે અને સંતોલિત સ્થિતિ આગળ P પ્રકારમાનો દરેક હોલ જેનું N પ્રકારમાં વિસરણ થાય છે ત્યારે અહી રહેલો એક હોલ P પ્રકારમાં પાછો આવે છે અને તેજ રીતે જયારે N પ્રકારમાં રહેલા એક ઈલેક્ટ્રોનનું P પ્રકારમાં વિસરણ થાય છે ત્યારે અહી P પ્રકારમાં રહેલો એક ઈલેક્ટ્રોન N પ્રકારમાં પાછો આવે છે અને આ રીતે સંતુલિત સ્થિતિ જળવાઈ રહે છે હવે આ બંને પ્રકારની ગતિને કારણે જે વિધુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે તેના વિશે આપણે આ વિડીઓમાં વાત કરીશું અને આપણે સાથે સાથે એ પણ જોઈશું કે PN જંકશનની આગળ એક વોલ્ટેજ ઉત્પન્ન થાય છે ઈલેક્ટ્રોન એ હોલ વિધુત્ભારિત કણો છે હોલ વાસ્તવમાં કોઈ વિધુત ભારિત કણ નથી પરંતુ તેને વિધુત ભારિત કણ તરીકે લેવામાં આવે છે આ વિધુત ભારિત કણોની ગતિને કારણે વિધુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે માટે આ PN જંકશનમાં વિધુત પ્રવાહ જોવા મળશે અને હવે આપણે તેના વિશે વાત કરીશું વિધુત પ્રવાહનો એક પ્રકાર વિસરણ પ્રવાહ છે દીફ્યુજન કરંત હવે આ વિસરણ પ્રવાહની દિશા કઈ હોઈ શકે તમે તેના વિશે વિચારો યાદ કરો કે વિધુત પ્રવહની દિશા એ જ હોય છે જે દિશામાં ધન વિધુતભારનું વહન થાય છે અને જો ઋણ વિધુતભરોનું વહન થઇ રહ્યું હોય તો વિધુત પ્રવાહની દિશા વિરુધ આવશે તમે વિડીઓ અટકાવો અને તેની દિશા વિશે વિચારો વિસરણ પ્રવાહની દિશા કઈ હોઈ શકે શું તે P થી N તરફ હશે કે N થી P તરફ જો આપણે હોલના વિસરણની વાત કરીએ તો તેની દિશા જમણી બાજુએ આવશે કારણ કે અહી કરતા અહીહોલની સંખ્યા વધારે છે અને તેના કારણે જમણી દિશામાં વિધુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય આપણે આ રીતે વિધુત પ્રવાહની દિશા દર્શાવીએ હવે જો આપણે ઈલેક્ટ્રોનના વિસરણની વાત કરીએ તો તેના વિસરણની દિશા ડાબી બાજુએ આવશે કારણ કે અહીના કરતા અહી ઈલેક્ટ્રોનની સંખ્યા ઓછી છે પરંતુ ઈલેક્ટ્રોન ઋણ વિધુતભારિત કર્ણ છે ભલે તેનું વિસરણ ડાબી બાજુએ થાય છે તો પણ તેના કારણે ઉત્પન્ન થતો વિધુત પ્રવાહ જમણી બાજુએ જ આવે આમ બંને કર્ણના વિસરણને કારણે ઈલેક્ટ્રોન અને હોલના વિસરણની ગતિને કારણે આપણને એક જ દિશામાં વિધુત પ્રવાહ મળે તેઓ એક બીજાને કેન્સલ કરતા નથી પરંતુ તે બંનેના વિધુત પ્રવાહનો સરવાળો થાય છે તે એક જ દિશામાં હશે તેથી આપણે તેને દીફ્યુજન કરંટ એટલે કે વિસરણ પ્રવાહ કહીશું જેને હું આ રીતે દર્શાવીશ અને આપણને આ વિધુત પ્રવાહ મેજોરીટી ચાર્જ કેરીયર્સને કારણે મળે છે આમ અહી આવિધુત પ્રવાહ મેજોરીટી ચાર્જ કેરિયરને કારણે મળે છે અને તેની દિશા P થી N તરફની છે તેની દિશા P થી N તરફની છે હવે અહી બીજા પ્રકારનો વિધુત પ્રવાહ પણ જોવા મળશે અને તે મઈનોરીટી ચાર્જ કેરીયર્સને કારણે હશે ઉદાહરણ તરીકે જો આપણે આ હોલ લઈએ જે અહી યાદચિક રીતે ગતિ કરે છે અને જયારે તે અહી આવશે ત્યારે તે આ ઋણ વિધુત ભારીત આયનો સાથે આકર્ષણ પામશે અને અહી જશે હવે આ હોલનું જે દિશામાં વહન થાય છે તમેં તેના પર ધ્યાન આપો આ હોલ N પ્રકાર માંથી P પ્રકારમાં જાય છે તેવીજ રીતે અહી માઈનોરીટી ચાર્જ કેરિયર ઈલેક્ટ્રોન જયારે આ વિસ્તારમાં આવે છે ત્યારે આ આયનને કારણે તે આકર્ષણ પામે છે અને N માં જાય છે ફરીથી તેને કારણે ઉત્પન્ન થતા વિધુત પ્રવાહની દિશા N થી P તરફની હશે આમ આ ગતિ વિરુધ દિશામાં વિધુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે અને આપણે તે વિધુત પ્રવહ ને દ્રીફ્ત કરંટ એટલે કે દ્રીફ્ત પ્રવાહ કહીશું આપણે તેને અહી લખીશું આ દ્રીફ્ત પ્રવાહ છે જેને આપણે આ રીતે લખીશું અને તે મૈનોરીટી ચાર્જ કરિયરને કારણે હોય છે અને તેની દિશા N થી P તરફની હોય છે N થી P તરફ હવે તમને કદાચ થશે કે તેને દ્રીફ્ત કરંટ શા માટે કહેવામાં આવે છે જો તમે અહી આ વિસ્તારને જુઓ જ્યાં અર્ધવાહકનો વિધુત ભારિત ભાગ છે હવે તમે કદાચ અગાઉ ભણી ગયા હતો જયારે તમારી પાસે વિધુત ભાર હોય ત્યારે તે વિધુત ક્ષેત્ર ઉત્પન કરે છે અને આ વિધુત ક્ષેત્ર હંમેશા ધનથી ઋણ તરફનો હોય છે જો આપણે અહી વિધુત ક્ષેત્ર દર્શાવીએ તો તે કઈક આ રીતે આવશે વિધુત ક્ષેત્રની દિશા આ પ્રમાણે આવે તે N થી P તરફ આવશે નોંધો કે મૈનોરીટી ચાર્જ કેરીયર્સ એક પ્રકારમાંથી બીજા પ્રકારમાં આ વિધુત ક્ષેત્રને કારણે થાય છે અને જ્યારે પણ વિધુત ક્ષેત્રમાં વિધુતભારો ગતિ કરતા હોવ તો આપણે તેની ગતિને ત્રીફ્ત ગતિ કહીએ છીએ જે તમે કદાચ વિધુતના પ્રકરણમાં ભણી ગયા હસો તેથી જ આપણે તને દ્રીફ્ત પ્રવાહ કહીએ છીએ સંતુલિત અવસ્થા આગળ આ બંને વિધુત પ્રવાહ એક બીજાને સમાન હોવા જોઈએ આપણે જોઈ ગયા કે જયારે એક ઈલેક્ટ્રોનનું વિસરણ થાય ત્યારે અહીંથી એક ઈલેક્ટ્રોન દ્રીફ્ત થવો જોઈએ પરિણામેં કુલ વિધુત પ્રવાહ 0 થશે હવે જો તમે આ વિસ્તારને જુઓ ખરેખર આપણે pn જંકશને ત્રણ ભાગમાં વિભાજીત કરી શકીએ હવે જો તમે આ વિસ્તાર જુઓ તો તે તટસ્થ છે કારણ કે બધા જ ઈલેક્ટ્રોન હોલ વડે સંતુલિત થાય છે માટે અહી આ વિસ્તાર આ ભાગ તેવી જ રીતે અહી આ ભાગ પણ તટસ્થ છે કારણ કે ફોસ્ફરસના બધા જ ધન આયનનો સંતુલન આ ઈલેક્ટ્રોન વડે થાય છે પરંતુ આ બંને વચ્ચેનો આ વિસ્તાર જે જંકશનની નજીક છે તે તટસ્થ નથી તે વિધુત ભારિત છે જ્યાં તમારી પાસે વિધુત ક્ષેત્ર છે અને આ વિધુત ભારિત શા માટે છે કારણ કે અહી આ આયનના વિધુત ભારને કેન્સલ કરવા માટે ત્યાં કોઈ ઈલેક્ટ્રોન કે હોલ નથી અને તેથી જ આપણે આ વિસ્તારને દીપ્લેષણ વિસ્તાર કહીએ છીએ આપણે તેને દીપ્લેષણ વિસ્તાર કહીશું દીપ્લેષણ વિસ્તારનો અર્થ એ થશે કે આ વિસ્તારમાં કોઈ પણ ચાર્જ કેરિયર નથી જો આપણે ફરીથી એક વખત એનીમેશનને જોઈએ તો વિસરણ અને વહન સતત થયા કરે છે ઈલેક્ટ્રોન અને હોલ એક બીજામાં જવાનું ચાલુ રાખે છે પરંતુ કોઈ પણ ચાર્જ કેરિયર અહી આ વિસ્તારમાં રોકાતો નથી તેથી આપણે તેને દીપ્લેષણ વિસ્તાર કહીશું હવે તમે અહી જોઈ શકો કે આ દીપ્લેષણ વિસ્તારમાં વિધુત ક્ષેત્રને કારણે અને pn જંકશન આગળ વોલ્ટેજ ઉત્પન્ન થાય છે આ બંનેની વચ્ચે વિધુત સ્થિતિમાનનો તફાવત ઉત્પન્ન થાય છે આવું શા કારણે થાય છે તે જોઈએ સૌ પ્રથમ સ્થિતિમાનનો અર્થ શું થાય તે સમજીએ વોલ્ટેજનો અર્થ શું થાય જો આપણે તેને વિધુતની ભાષામાં જોઈએ તો વોલ્ટેજ બરાબર ધન 1 કુલંબ વિધુત ભારની સ્થિતિ ઉર્જા વોલ્ટેજનો અર્થ આ પ્રમાણે થાય જો તમારી પાસે ધન એક કુલંબનો વિધુત ભાર હોય જે આમાંથી પસાર થતો હોય તો તેની સ્થિતિ ઉર્જામાં ફેરફાર થશે ધારો કે મારી પાસે અહી એક કુલંબનો વિધુત ભાર છે હવે આપણે આ એક કુલંબના વિધુત ભારને આ pn જંકશન માંથી પસાર કરીએ અને તેની સ્થિતિ ઉર્જામાં શું ફેરફાર થાય છે તે જોઈએ ધારો કે પ્રારંભમાં આપણે આ એક કુલંબના વિધુત ભારને ધક્કો મારીએ છીએ જેથી તેની અમુક ઝડપ આવશે આપણે તે ઝડપની નોંધ રાખીએ છીએ અને પછી તેના આધારે તેની ગતિ ઉર્જામાં શું ફેરફાર થાય છે તે જોઈએ આપણે તેને ધક્કો મારીએ છીએ હવે જયારે તે તટસ્થ વિસ્તારમાં હશે અહી કોઈ પણ વિધુત ભાર નથી માટે તે અહી કોઈ પણ વિધુત ભાર સાથે અપાકર્ષણ કે આકર્ષણ અનુભવશે નહિ પરિણામે તેની ઝડપ બદલાશે નહિ આમ જયારે તે તટસ્થ વિસ્તારમાં હશે ત્યારે તેની ગતિ ઉર્જા લગભગ અચલ રહે હવે જો તેની ગતિ ઉર્જા અચલ રહેતી હોય તો તેની સ્થિતિ ઉર્જા પણ અચલ રહેવી જોઈએ કારણ કે કુલ ઉર્જા હંમેશા અચલ હોય છે યાંત્રિક ઉર્જા સંરક્ષણનો નિયમ જો તેની ગતિ ઉર્જા અચલ રહેતી હોય જો તેની સ્થિતિ ઉર્જા અચલ રહેતી હોય તો તેનો વોલ્ટેજ પણ અચલ હોવો જોઈએ અહી કોઈ પણ સંખ્યા હોય પરંતુ તેનો વોલ્ટેજ અચલ રહેશે પરંતુ જયારે હવે આ વિધુત ભાર દીપ્લેષણ વિસ્તારમાં પહોચે જયારે તે દીપ્લેષણ વિસ્તારમાં દાખલ થશે ત્યારે આ વિધુત ક્ષેત્રને કારણે તેના પર વિરુધ દિશામાં બળ લાગે તે પાછળની દિશામાં ધકેલાય હવે તેની ઝડપ સાથે શું થાય છે તે વિચારીએ વિધુત ભારોનો વહન જમણી બાજુએ થાય છે અને તે પાછળની તરફ ધકેલાય છે જેના કારણે તેની ઝડપમાં ઘટાડો થાય આમ જયારે તે અહીથી અહી સુધી જશે ત્યારે તેની ગતિ ઉર્જામાં ઘટાડો થાય તે ધીમો પડતો જાય કારણ કે તે પાછળ ધકેલાય છે જાયે તમે બોલને ઉપર ફેંકો છો ત્યારે ગુરુત્વાકર્ષણબળ તેને ધીમું પડે છે આ તેની સમાન જ છે તેની ગતિ ઉર્જામાં ઘટાડો થાય છે પરંતુ તેની સ્થિતિ ઉર્જા વધશે તે જ બાબત અહી પણ થશે જયારે તે તટસ્થ વિસ્તારમાં હોય ત્યારે તેની ગતિ ઉર્જા અચલ રહે છે પરંતુ જયારે તે દીપેશન વિસ્તારમાં દાખલ થશે ત્યારે તેની ગતિ ઉર્જા ઓછી થતી જશે તે ધીમો પડતો જાય પરંતુ તેની સ્થિતિ ઉર્જામાં વધારો થાય અને જયારે તે ફરીથી N પ્રકારમાં દાખલ થાય ત્યારે તેની ઝડપ લગભગ અચલ રહેશે તેના કારણે તેનો વોલ્ટેજ પણ અચલ રહે તો હવે તે વોલ્ટેજ કેવો દેખાય છે આપણે તેનો આલેખ દોરીશું આપણે અહી આ અક્ષપર વોલ્ટેજ લઈએ આ વોલ્ટેજ છે હવે પ્રારંભમાં અહી અમુક વોલ્ટેજ જોવા મળશે તે કેટલો હશે તે આપણે જાણતા નથી પરંતુ તે વોલ્ટેજ અચળ હશે માટે દીપ્લેષણ વિસ્તાર સુધી તે વોલ્ટેજ અચળ હશે અને જયારે તે દીપ્લેષણ વિસ્તારમાં જશે ત્યારે તેની સ્થિતિ ઉર્જામાં વધારો થાય કારણ કે તેની ઝડપ ઘટે છે માટે અહી આ બિંદુ સુધી N પ્રકાર સુધી તેના વોલ્ટેજમાં વધારો થાય જે કઈક આ રીતે જોવા મળશે અને પછી જયારે તે N પ્રકારમાં દાખલ થાય ત્યારે ફરીથી તેનો વોલ્ટેજ અચલ આવે આમ તમે અહી P અને N ની વચ્ચે વિધુત સ્થીતિમાનનો તફાવત જોઈ શકો N નો વિધુત સ્થિતિમાનનો તફાવત P કરતા વધારે છે અને તમે આ વોલ્ટેજની ગણતરી કરી શકો તમે તેને ગણી શકો જો તમે સીલીકોન લો તો ઓરડાના તાપમાને આ વિધુત સ્થિતિમાનનો તફાવત લગભગ 0 .7 વોલ્ટ હોય છે અને ખરેખર આ વોલ્ટેજ વિસરણની પ્રક્રિયા માટે બેરીયર જેવું કામ કરે છે જેના કારણે વિસરણની પ્રક્રિયા મુશ્કેલ બની જાય છે માટે આપણે આ વોલ્ટેજને બેરીયર પોતેન્શીલ કહીશું આપણે તેને બેરીયર પોતેન્શિઅલ કહીશું જેને V B તરીકે દર્શાવી શકાય અને આ પોતેન્શિઅલને સમજવું એ જયારે આપણે આ PN જંકશનને બેટરી સાથે જોડીએ ત્યારની મુખ્ય ચાવી છે પરંતુ જયારે PN જંકશન સંતુલિત અવસ્થાએ હોય ત્યારે આપણે તેને કોઈ બેટરી સાથે ન જોડીએ ત્યારે પહેલેથી જ તેની અંદર બેરીયર પોતેન્શિઅલ હોય છે P પ્રકારની સરખામણીમાં N પ્રકાર વધુ સ્થીતિમાનઆગળ હોય છે