திரிதடையம்

பல்லாயிரக்கணக்கான திரிதடையங்கள் ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்றுகளில் அமைந்துள்ள தொகுசுற்றுகள் படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளன

திரிதடையம் (Transistor, இலங்கை வழக்கு: மூவாயி) அல்லது திரான்சிஸ்டர் என்னும் மின்னனியல் கருவி ( இலத்திரனியல் கருவி); இது அடிப்படையான மின் குறிப்பலை பெருக்கியாகவும், மின் குறிப்பலைகளை வேண்டியவாறு கடத்தவோ அல்லது கடத்தாமல் இருக்கவோச் செய்யப் பயன்படும் நிலைமாற்றிகளாகவும் (switches) பயன்படும் ஓர் அரைக்கடத்திக் கருவி ஆகும். இன்றைய கணினிகள், அலைபேசிகள் முதல் கணக்கற்ற மின்னனியல் கட்டுப்பாட்டுக் கருவிகள் யாவும் இந்தத் திரிதடையங்களால் பின்னிப் பிணைந்த மின்சுற்றுகளால் ஆனவை. இதனைக் கண்டுபிடித்தவர்களுக்கு 1956இல் கூட்டாக இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.^[1]

வரலாறு

வெப்ப மின்னணு மும்முனையம் 1907 இல் புதிடாகப் புனையப்பட்டது. இதனால் வானொலித் தொழில்நுட்பமும் நெடுந் தொலைவுத் தொலைபேசித் தொழிநுட்பமும் கிளைத்து வளரலாயின. அனால், இந்த மும்முனையன் கணிசமான மின்னாற்றலை உறிஞ்சியது. வில்லியம் எக்கிளெசு படிக இருமுனைய அலையாக்கியைக் கண்டுபிடித்தார். ^[2] செருமானிய இயற்பியலாளர் 1925 இல் ஜூலியசு எட்கர் இலில்லியன்பெல்டு புல விளைவு திரிதடையத்துக்கான (புவிதி) பதிவுரிமம் கோரி விண்னப்பித்தார். இது வெற்றிடக்குழல் மும்முனையத்துக்கு ஈடான திண்மநிலை அல்லது மின்னனியல் பதிலியாக விளங்கியது.^[3]^[4] இவரே அமெரிக்காவிலும் இதற்கான பதிவுரிமத்துக்கு 1926 இல் விண்ணப்பித்தார்.^[5] and 1928.^[6]^[7] என்றாலும், இவர் இதற்கான ஆய்வுக் கட்டுரை ஏதும் வெளியிடவில்லை. மேலும் இவரது கருவிகளுக்கான இயக்கத்திக் காட்டும் முன்வகைமைப் படிமம் எதையும் பதிவுரிம விண்னப்பங்களில் குறிப்பிடவில்லை. இதற்கான அரைக்கடத்திப் பொருள்களும் பத்தாண்டுகளாகச் சந்தைக்கு விற்பனைக்கு வெளியாகவில்லை; எனவே, இவரது திண்மநிலை மிகைப்பி எண்ணக்கருக்கள் 1920 களிலும் 1930 களிலும் நடைமுறைக்கு வர வாய்ப்பில்லை.^[8] ஆசுகர் கைல் 1934 இல் செருமனியில் இதையொத்த கருவியைப் புதிதாக தானும் தனியே புனைந்துள்ளார்.^[9]

ஜான் பர்தீனும் வால்டேர் பிரட்டைனும் 1947 நவம்பர் 17 முதல் 1947 திசம்பர் 23 வரை அமெரிக்கா, நியூஜெர்சி முரேகில்லில் அமைந்த AT&T தொழில்குழுமத்தின் பெல் ஆய்வகத்தில் பல் செய்முறைகளைச் செய்து, செருமானியப் படிகத்தின் இரு பொன்னாலான புள்ளிகளுக்கு இடையில் மின்வழங்கலைத் தரும்போது உள்ளீட்டி தரும் குறிகையை விட வெளியீட்டில் பேரளவு குறிகை உருவாதலை நோக்கிப் பதிவு செய்தனர்.^[10]> திண்மநிலை இயற்பியலின் தலைவராகிய வில்லியம் சாக்ளே இதன் மின்னழுத்த்த்தைக் கண்டறிந்தார் அடுத்த சில மாதங்களில் அரைக்கடத்திகள் (ஒருபால் கடத்திகள்) பற்றிய அறிவுத்தளத்தை பெரிதும் விரிவுபடுத்தினார். திரிதடையம் (transistor) என்ற சொல்லை ஜான் ஆர். பியர்சு திரிதல்தடையம் (transresistance) என்ற சொல்லுக்கான சுருக்கமான வடிவமாக அறிமுகப்படுத்தினார்.^[11]^[12]^[13] பர்தீன் சாக்ளேவின் வாழ்க்கை வரலாற்றை எழுதிய இலில்லியன் ஓடெசனும் விக்கி தாயிட்சியும், திரிதடையப் புலவிளைவு வகைக்கான முதல் உரிமத்தைப் பெற சாக்ளே முன்மொழிந்த்தாகவும் அதில் சாக்ளேவின் பெயரை புதுமைபுனைவாளராக குறிப்பிடச் சொன்னதாகவும் கூறுகின்றனர். சில ஆண்டுகளாக கிடப்பில் அறியப்படாமல் இருந்த இலில்லியன்பெல்டுவின் கண்டுபிப்பும் பதிவுரிமங்களும் வெளிக்கொணரப்பட்டதும், பெல் ஆய்வகச் சட்ட அறிவுரையாளர்கள் சாக்ளே முன்மொழிவுக்கு எதிராக வாதிட்டனர். ஏனெனில், புலவிளைவு திரிதடைய எண்ணக்கரு புதிதல்ல; மேலும் பர்தீனும் பிரட்டைனும் சாக்ளேவும் 1947 இல் புள்ளித் தொடுகைத் திரிதடையத்தை தான் உண்மையில் வடிவமைத்துள்ளனர்.^[8] சாக்ளே, பர்தீன், பிரட்டைன் ஆகியோரின் இந்த புதிய வடிவமைப்புக்காக இவர்கள் மூவரும்1956 ஆம் ஆண்டின் இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசை அரைக்கடத்திகளின் ஆய்வுக்காகவும் திரிதடையவிளைவைக் கண்டறிந்ததற்காகவும் பெற்றனர்.^[14]

திரிதடையத்தின் தனிச்சிறப்புகள்

திரிதடையம் நிகழ்கால மின்னனியலில் அனைத்துக் கருவிகளிலும் பரவலாக பயன்படும் உறுப்பாகும். பலர் இதை 20 ஆம் நூற்றாண்டின் மாபெரும் புதுமைபுனவாக கருதுகின்றனர்.^[15] இதன் பெருந்திரள் ஆக்கத்தால் அமையும் வியப்பூட்டும் மிகக் குறைந்தவிலை இன்றைய சமூகத்தின் தனிச்சிறப்பாக மாற வாய்ப்பளித்து விட்டது. பெல் ஆய்வகத்தில் திரிதடையத்தின் புதுமைபுனைவு 2009 இல் IEEE சாதனைப் பட்டியலின் மைல்கற்களில் ஒன்றாக வரையறுக்கட்டுள்ளது.^[16]

பல குழுமங்கள் ஒவ்வொன்றும் பில்லியன் கணக்கில் திரிதடையங்களை உருவாக்கினாலும்,^[17] இன்று பெரும்பாலான திரிதடையங்கள் ஒருங்கிணைந்த சுற்றமைப்புகளிலேயே உருவாக்கப்படுகின்றன. இவை ஒசு, நுண்சில்லுகள் அல்லது எளிதாக சில்லுகள் என வழங்குகின்றன. இவற்ரில் இருமுனையங்களும் தடையங்களும் கொண்மிகளும் பிற மின்னனியல் உறுப்புகளும் அமைந்து குறிப்பிட்ட மின்ன்ன் சுற்றமைப்பை உருவாக்குகின்றன. ஓர் ஏரண வாயிலில் இருபதுக்கும் மேற்பட்ட திரிதடையங்கள் அமைய, ஒரு உயர்நிலை நுண்செயலியில், 2009 இல், 3 பில்லியன் அளவு திரிதடையங்கள் அமைகின்றன(பொ ஆ அ புவிதிகளில்).^[18] "புவியில் வாழும் ஒவ்வொரு ஆணுக்கும் ஒவ்வொரு பெண்ணுக்கும் ஒவ்வொரு குழந்தைக்கும் ஏறத்தாழ, 60 மில்லியன் திரிதடையங்கள், 2002 இல், செய்யப்படுகின்றன."^[19]

திரிதடையத்தின் குறைந்த விலையும் நம்பகத்தன்மையும் நெகிழ்தகவான இயல்பும் இதை ஒரு சிறந்த கருவியாக்கி உள்ளன. திரிதடையங்கள் பொதிந்த எந்திரமின்னனியல் சுற்றமைப்புகள்மின்னெந்திரக் கருவிகளுக்கு மாற்றாக கட்டுபாட்டு பயன்கருவிகளிலும் எந்திரங்களிலும் அமைகின்றன. ஒரு செந்தர நுண்கட்டுபடுத்தியைப் பயன்படுத்தி கணினி நிரல் எழுதி கட்டுபடுத்துவது அதெ செயலைச் செய்ய சம எந்திரவியல் அமைப்பை வடிவமைப்பதைவிட எளிமையானதாகவும் விலைகுறைந்ததாகவும் உள்ளது.

எளிமைப்படுத்திய இயக்கம்

இருவகை திரிதடையங்கள்

திரிதடையங்களில் பற்பல வகைகள் இருந்தபொழுதினும் இரு பொது வகைகள் உண்டு.அவையாவன,

இருவகை மின்னிக் கடத்தித் திரிதடையம் (இமிதி) (பைப்போலார் டிரான்சிஸ்டர், Bipolar transistor),
மின்புல விளைவுத் திரிதடையம் (மிவிதி) (Field Effect Transistor)

என்பன ஆகும்.

முன்னதில் மூன்று மின்முனைகள் உண்டு, பின்னதில் நான்கு மின்முனைகள் உண்டு. இமிதியில் எதிர்மின்னி, மற்றும் நேர்ம மின்மம் கொண்ட புரைமின்னி ஆகிய இருவகை மின்னிகளும் அடிப்படியான இயக்கித்தில் பங்குகொண்டு தொழிற்படும். ஆகவே இதனை இருவகை (bipolar) மின்னிக் கடத்தித் திரிதடையம் என அழைக்கின்றனர்.

இமிதி

இருவகை மின்னிக் கடத்தித் திரிதடையத்தில் (இமிதி) மூன்று குறைக்கடத்திப் பகுதிகள் உள்ளன. இம்மூன்று பகுதிகளில், நடுவே உள்ள ஒரு குறிப்பிட்ட வகையான குறைக்கடத்திப் பகுதி, வேறொரு வகையான இரண்டு குறைக்கடத்திப் பகுதிகளுக்கும் இடையே இருக்குமாறு அமைந்திருக்கும். எனவே இரு சந்திகள் (நே-எ சேர்முகங்கள், p-n junctions) உள்ளன. அந்த நடுவே இருக்கும் பகுதிக்கு அடிமனை (பேஸ், base) என்று பெயர். மற்ற இரு பகுதிகளில் ஒன்றுக்கு உமிழி (எமிட்டர், emitter) அல்லது உமிழ்முனை என்றும், இன்னொன்றுக்கு திரட்டி அல்லது பெறுதி (collector) என்றும் பெயர். உமிழிக்கும் அடிமனைக்கும் இடையே தரும் மின் அழுத்தத்தால், அடிமனை வழியாகப் பாயும் மின்னோட்டம் பல மடங்காக திரட்டி மின்முனையில் மிகைப்புற்றுப் பாயும். இவ்விளைவால் இத் திரிதடையத்தை குறிப்பலைகளின் மிகைப்பியாக பயன்படுத்துகிறார்கள். இந்த இருவகை மின்னிக் கடத்தித் திரிதடையத்தில் இரு வகைகள் உள்ளன. நடுவே இருக்கும் பகுதி நேர்வகை (p-type) குறைக்கடத்தியாக இருக்கலாம் அல்லது எதிர்வகை (n-type) குறைக்கடத்தியாக இருக்கலாம். எனவே இவற்றை p-n-p வகை இருவகை மின்னிக் கடத்தித் திரிதடையம் (இமிதி) அல்லது n-p-n வகை இமிதி என அழைக்கப்படும்.

இமிதிகளில் n-p-n (எ-நே-எ) வகைத் திரிதடையம், p-n-p (நே-எ-நே) வகை திரிதடையத்தை விட விரைவாக இயங்க வல்லது, ஏனெனில் அடிமனையாகிய நேர்வகைக் குறைக்கடத்திப் பகுதியில், அருகில் உள்ள உமிழி முனையில் இருந்து செலுத்தப்பெறும் சிறுபான்மை மின்னியாகிய எதிர்மின்னிகள் மிக விரைவாக நகரவல்லன. மாறாக p-n-p (நே-எ-நே) வகை திரிதடையத்தில் நடுவே உள்ள எதிர்வகை குறைக்கடத்திப் (n-type) பகுதியில், அதன் சிறுபான்மை மின்னியாகிய நேர்மின்மம் கொண்ட புரைமின்னிகள் எதிர்மின்னியைக் காட்டிலும் மெதுவாகவே நகரவல்லன.

மிவிதி

மின்புல விளைவுத் திரிதடையத்தில், மொத்தம் நான்கு மின்முனைகள் உண்டு. இதில் அடித்தளம் அல்லது உடல் எனப்படும் பகுதியை இணைக்க ஒரு மின்முனை உண்டு. இக்கருவி இந்த அடித்தளத்தின் மீது உருவாக்கப்படுவதால், இப்பெயர் பெற்றது. இந்த அடித்தளம் ஒரு வகையான குறைக்கடத்தியால் செய்யப்பட்டிருக்கும், இந்த அடித்தளப் பகுதிக்கு மேலே வன்கடத்தியால் (கடத்தாப் பொருளால்) ஆன வன்கடத்திப் படலம் ஒன்று இருக்கும். இதன் தடிப்பு தற்காலக் கருவிகளில் ஒரு சில நானோமீட்டர் அளவே இருக்கும். இதற்கு வன்கடத்திக் கதவம் (gate insulator) என்று பெயர். இந்த வன்கடத்திப் படலத்தின் மேலே, நன்றாகக்கடத்தும் நன்கடத்திப் படலம் (gate metal) இருக்கும். இது கதவு முனை (gate terminal) என்று அழைக்கப்படும். இந்த அடித்தளம் தவிர மற்ற மூன்று மின்முனைகள் பின்வருவன ஆகும்: கதவுமுனை (gate), வழங்கி முனை (வழங்குவாய், source), திரட்டி முனை (drain). வழங்கிப் பகுதியும், திரட்டிப் பகுதியும், ஒரே வகையான குறைக்கடத்தியினால் (எ.கா நேர்வகை குறைக்கடத்தி) செய்யப்பட்டிருக்கும். இடையே உள்ள அடித்தளப்பகுதி நேர்மாறான வேறொரு வகையான குறைக்கடத்தியால் (எ.கா எதிர்வகை குறைக்கடத்தியால்) செய்யப்பட்டிருக்கும். இதனால் வழங்கி முனைப் பகுதியில் இருக்கும் மின்னிகள் அடித்தளப்பகுதியின் வழியாக திரட்டி முனைக்குச் செல்லல் இயலாது. கதவுமுனைக்கும் வழங்கி முனைக்கும் இடையே தகுந்த மின்னழுத்தம் தந்தால், இதனால் வழங்கிப் பகுதிக்கும் அதனை அடுத்து உள்ள அடித்தளத்தின் பகுதிக்கும் இடையே உள்ள ஆற்றல் மேடு குறையும் (தணியும்), இதனால் வழங்கியில் இருந்து மின்னிகள் அடித்தளத்தில், வன்கடத்திப் படலத்திற்கு கீழே நீரோடை போல ஓடி திரட்டியை அடையும் (திரட்டியின் மின் அழுத்தம் அதற்கேற்றார்போல இருத்தல் வேண்டும்). கதவு முனையில் தகுந்த மின்னழுத்தம் தருந்தால், வன்கடத்திக்குக் கீழே வழங்கி-திரட்டிக்கு இடையே ஓடும் மின்னிகளின் பாதையை மின்னி வாய்க்கால் (channel) என்று அழைப்பர். கதவு முனையில் தரும் மின்னழுத்தத்திற்கு ஏற்றவாறு கூடுதலாகவோ, குறைவாகவோ மின்னிகள் வாய்க்கால் வழியாகப் பாயும். இப்படி திரட்டி-வழங்கி இடையே பாயும் மின்னோட்டத்தை கதவுமுனை-வழங்கிக்கு இடையே உள்ள மின்னழுத்தம் கட்டுப்படுத்துவதால், இதுவும் மிகைப்பியாகவும், கட்டுப்படுத்தும் குறிப்பலைத் தொடுக்கியாகவும் பயன்படுகின்றது.

இந்த மின்புல வகைத் திரிதடையங்களில் பற்பல வகைகள் உண்டெனினும், வாய்க்காலில் பாயும் மின்னியின் வகையைப் பொருத்து, இருவகைகள் உண்டு. மின்னிகள் எதிர்மின்னிகளாக இருந்தால் அவற்றை எ-வாய்க்கால் (n-channel) திரிதடையம் என்றும், நேர்மின்மம் கொண்ட புரைமின்னிகளாக இருந்தால் நே-வாய்க்கால் (p-channel) திரிதடையம் என்றும் அழைக்கப்படும்.

அட்டவணை 1 பலவகை திரிதடையங்களைக் காட்டுகின்றது.

**அட்டவணை 1 - திரிதடையம் வகைகள்**
திரிதடையங்கள்	எதிர்மின்னிய (இலத்திரனியல்) சுற்று சின்னம்		இயல்புக் குறிப்பு
	NPN	PNP
இருவகை மின்னித் திரிதடையம் (இமிதி.)			"A small input current signal flowing E to B ctrl E to C internal R"
	N-Channel	P-Channel
சந்திப் புலவிளைவுத் திரிதடையம் (ச.பு.தி.)			"Input voltage signal is applied to the gate-source junction in reverse biased mode, resulting in high input impedance."
	N-Channel	P-Channel
மாழை-ஆக்ஸைடு-குறைக்கடத்தி புலவிளைவுத் திரிதடையம் (மா.ஆ.கு.புவிதி)			"Similar to JFET"
காக்கப்பட்ட வாயில் இருதுருவத் திரிதடையம் (கா.வா.இ.தி.)	Symbol Here		"Similar to Bipolar NPN above"

இமிதிகளின் நான்கு இணைப்பு முறைகள்

இருமின்னிவகைத் திரிதடையம் மின்சுற்றுகளில் பொதுவாக நான்கு வகையான இணைப்புகளில் இயங்க வல்லது, ஆனால் இவை பெரும்பாலும் மூன்று வகையான (முதல் மூன்று) அமைப்பிலேயே பயன்படுத்தப்படுகின்றது. எந்த நிலையில் இயங்கும் என்பது முனைகளுக்கிடையே உள்ள மின்னழுத்தங்களைப் பொருத்தது. இமிதியில் இரண்டு சந்திகள் (சேர்முகங்கள்) உள்ளதால், அவை ஒவ்வொன்றும் நேர்முறை அழுத்தம்(forward bias), எதிர்முறை அழுத்தம் (reverse bias) பெறவல்லதால் மொத்தம் 4 இணைப்பு முறைகள் உண்டு.

உமிழி-அடிமனை நேர்முறை, அடிமனை-திரட்டி எதிர்முறை - வழக்கமான இயக்கம்
உமிழி-அடிமனை நேர்முறை, அடிமனை-திரட்டி நேர்முறை - நிரப்பு நிலை/தெவிட்டு இயக்கம்
உமிழி-அடிமனை எதிர்முறை, அடிமனை-திரட்டி எதிர்முறை - கடத்தா நிலை
உமிழி-அடிமனை எதிர்முறை, அடிமனை-திரட்டி நேர்முறை - எதிர்வழக்கமான இயக்கம்

தொகுப்பு முறைகள்

தனித் திரிதடையங்கள் என்பவை தனித்தனியாக தொகுத்த திரிதடையங்கள் ஆகும். திரிதடையங்கள் பலவேறான அரைக்கடத்தித் (செங்கடத்தித்) தொகுப்புகளில் வருகின்றன (படிமத்தைப் பார்க்க). இரு முதன்மைவகைகளாவன கம்பித்தலைப்பில் பூட்டியவகை, மேற்பரப்பில் நிறுவியவகை என்பனவாகும். பெரிய ஒருங்கிணைந்த சுற்றதர்களுக்கான மிக அண்மைய மேற்பரப்பு நிறுவல் தொகுப்பு பந்து வலை அணி (BGA) ஆகும். இது கம்பித்தலைப்புக்கு மாறாக தட்டின் கீழே அமைந்த பந்துகளை பற்றவைக்கிறது. இவை சிறிய குற்றிணைப்புகளாக அமைவதால், இவை சிறந்த உயர் அலைவெண் பான்மைகளைக் கொண்டுள்ளன. இதன் திறன் வரையளவும் குறைவாகவே உள்ளது.

திரிதடையத் தொகுப்புகள் கண்ணாடியிலோ பொன்மத்திலோ (உலோகத்திலோ) வெங்களியிலோ நெகிழியிலோ செய்யப்படுகின்றன. தொகுப்புக்குப் பயனாகும் பொருள் திறன் வரையளவையும் அலைவெண் பான்மைகளையும் தீர்மானிக்கிறது. திறன் திரிதடையங்கள் பெருதொகுப்புகளாக அமைதலால், அவை வெப்பத்தணிப்பிக்குக் குளிர்த்தலைக் கூட்ட இணைக்கப்படுகின்றன. கூடுதலாக பெரும்பாலான திறன் திரிதடையங்கள் வெப்பத் திரட்டியுடன்அமைகின்றன அல்லது வெப்ப வடிகாலாக அமையும் பொன்ம (உலோக) உறைக்கு நேரடியாக இணைக்கப்படுகின்றன. சில நுண்ணலைத் திரிதடையங்கள் மணலினும் சிறிய பரலாக அமைகின்றன.

குறிப்பிட்டவகைத் திரிதடையமே பல்வேறு தொகுப்புகளில் கிடைக்கிறது. முதன்மையாக தொகுப்புகல் செந்தரப்படுத்தப்பட்ட அளவுக்கு அவற்ரின் ஈறுகள் அல்லது முனைகளின் செயல் குறிப்புகள் தரப்படுத்தப்படவில்லை: வேறுவகைத் திரிதடையம் தொகுப்பு முனைகளுக்கு வேறு செயலைத் தரலாம். மேலும் ஒரேவகைத் திரிதடையத்துக்கும் கூட முனைக்கான செயல் தரவுகள் வேறுபடலாம் (வழக்கமாகபகுதியின் எண்ணுக்குத் தரப்படுக் பின்னொட்டு எழுத்து செயல் தரவைக் குறிக்கிறது. எடுத்துகாட்டாக, BC212L, BC212K என்பவற்றைக் கூறலாம்).

இக்காலத்தில் பெரும்பாலான திரிதடையங்கள் அகல்வான நெடுக்கத்தில் மேற்பரப்பு நிறுவல் தொகுப்புகளாக வருகின்றன. ஆனால், ஒப்பீட்டளவில் கம்பித்தலைப்பு பூட்டல் தொகுப்புகள் மிகக் குறைவாகவே அமைகின்றன. கீழே ஆங்கில நெடுங்கணக்கு ஒழுங்கிலான கம்பித்தலைப்புவகைத் திரிதடையங்களின் தொகுப்புகள் தரப்படுகின்றன:

ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851

நெகிழ்தகவு திரிதடையங்கள்

ஆய்வாளர்கள் கரிமப் புல விளைவுத் திரிதடையம் உட்பட, பலவகை நெகிழ்தகவுள்ள திரிதடையங்களை உருவாக்கியுள்ளனர்]].^[20]^[21]^[22] இவை நெகிழ்தகவுக் காட்சித்திரைகளிலும் நெகிழ்தகவு மின்னனியலிலும் பயன்படுகின்றன.