সেমিকন্ডাক্টরে ফিজিক্স ও কোয়ান্টাম পদার্থ (পর্ব ১১): হেটারোজাংশন, ব্যান্ড অ্যালাইনমেন্ট ও অ্যান্ডারসনের নীতি

একই উপাদানের ডোপিং দ্বারা গঠিত হোমোজোংশনের পরিবর্তে আধুনিক অপটোইলেকট্রনিক্স ও হাই-স্পিড কম্পিউটিং নির্ভর করে ভিন্ন ভিন্ন সেমিকন্ডাক্টরের নিখুঁত পারমাণবিক সংযোগের ওপর—যাকে হেটারোজাংশন (Heterojunction) বলা হয়। ব্যান্ডগ্যাপ ইঞ্জিনিয়ারিংয়ের মাধ্যমে কন্ডাকশন ও ভ্যালেন্স ব্যান্ডের আকৃতি স্বাধীনভাবে নিয়ন্ত্রণ করা সম্ভব।

১. হেটারোজাংশন ব্যান্ড বিন্যাসের শ্রেণিবিভাগ

দুটি ভিন্ন সেমিকন্ডাক্টরের ব্যান্ডগ্যাপ পার্থক্যের কারণে সংযোগস্থলে শক্তির বিচ্ছিন্ন ধাপ ((Delta E_c) ও (Delta E_v)) তৈরি হয়:

[
Delta E_c + Delta E_v = Delta E_g = |E_{gA} – E_{gB}|
]

ব্যান্ড বিন্যাসের ধরনসমূহ:

1. টাইপ-১ (Straddling Gap): ক্ষুদ্রতর ব্যান্ডগ্যাপ উপাদানটি সম্পূর্ণভাবে বৃহত্তর ব্যান্ডগ্যাপের অভ্যন্তরে অবস্থান করে (যেমন ( ext{AlGaAs}/ ext{GaAs}))। ফলে ইলেকট্রন ও হোল উভয়ই একই অঞ্চলে আবদ্ধ হয়, যা লেজার ডায়োড ও কোয়ান্টাম ওয়েল তৈরির জন্য আদর্শ।
2. টাইপ-২ (Staggered Gap): ইলেকট্রন একদিকে এবং হোল অন্যদিকে আবদ্ধ থাকে। ফলে স্থানিক পরোক্ষ ট্রানজিশনের মাধ্যমে নিম্ন শক্তির অপটিক্যাল নিঃসরণ ঘটে।
3. টাইপ-৩ (Broken-Gap): এক উপাদানের ভ্যালেন্স ব্যান্ড অন্য উপাদানের কন্ডাকশন ব্যান্ডের ওপরে উঠে যায় (যেমন ( ext{InAs}/ ext{GaSb})), যা স্পন্টেনিয়াস টানেলিং তৈরি করে।

২. অ্যান্ডারসনের ইলেকট্রন আসক্তি নীতি (Anderson’s Rule)

শূন্যস্থান স্তর (Vacuum Level) অবিচ্ছিন্ন ধরে অ্যান্ডারসনের নীতি অনুসারে কন্ডাকশন ব্যান্ডের ব্যবধান ইলেকট্রন আসক্তি (chi)-এর পার্থক্যের সমান:

[
Delta E_c = chi_B – chi_A
]

এবং ভ্যালেন্স ব্যান্ডের ব্যবধান:

[
Delta E_v = Delta E_g – Delta E_c
]

৩. মড্যুলেশন ডোপিং ও টু-ডাইমেনশনাল ইলেকট্রন গ্যাস (2DEG)

মড্যুলেশন ডোপিং পদ্ধতিতে বৃহত্তর ব্যান্ডগ্যাপের ( ext{AlGaAs})-এ ডোপিং করা হয়, কিন্তু ইলেকট্রনগুলো স্থানান্তরিত হয়ে খাঁটি ( ext{GaAs})-এর কোয়ান্টাম ওয়েলে জমা হয়। যেহেতু এই ইলেকট্রনগুলো তাদের মূল আয়ন কোর থেকে দূরে থাকে, তাই অপদ্রব্য বিক্ষেপণ প্রায় শূন্যে নেমে আসে। এর ফলে নিম্ন তাপমাত্রায় ইলেকট্রন মোবিলিটি (10^7 ext{ cm}^2/ ext{V}cdot ext{s}) ছাড়িয়ে যায়, যা HEMT ট্রানজিস্টর ও ফ্র্যাকশনাল কোয়ান্টাম হল প্রভাবের ভিত্তি।

শাকিল মাহমুদ সজল

সফটওয়্যার প্রকৌশলী ও লেখক, ঢাকা, বাংলাদেশ। কম্পিউটার বিজ্ঞান, পদার্থবিজ্ঞান, ইতিহাস ও ভাবনার সমন্বয়ে ব্যক্তিগত নোট ও প্রবন্ধ সংকলন।