எலக்ட்ரானியல் மற்றும் தகவல் தொடர்பு அமைப்புகள்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

எலக்ட்ரானியல் மற்றும் தகவல் தொடர்பு அமைப்புகள் பற்றி

கடினம் ~150 நிமிடப் படிப்பு

கைபேசி, கணினி, தொலைக்காட்சி எல்லாமே அரைக்கடத்தி சாதனங்களால்தான் இயங்குகின்றன. தொடக்க கால மின்னணுவியலில் வெற்றிடக் குழாய்கள் பயன்பட்டன. அவை பெரியவை, அதிக மின்திறனை வீணாக்கின. சிலிக்கான், ஜெர்மானியம் கொண்டு செய்த டயோடுகளும் டிரான்சிஸ்டர்களும் அவற்றின் இடத்தைப் பிடித்தன. காரணம், இவை சிறியவை, விலை குறைவு, திறன் அதிகம். இவை எப்படி வேலை செய்கின்றன என்று புரிய, அரைக்கடத்தியின் உள்ளே எலக்ட்ரான்களும் துளைகளும் எப்படி நகர்கின்றன என்று தெரிய வேண்டும்.

பாடம் படிப்படியாக வளர்கிறது. சில திண்மங்கள் மின்சாரத்தைக் கடத்துவதும் சில கடத்தாததும் ஏன் என்பதை ஆற்றல் பட்டைகள் விளக்குகின்றன. மாசூட்டல் மூலம் n-வகை, p-வகை அரைக்கடத்திகள் கிடைக்கின்றன. இவ்விரண்டையும் இணைத்தால் p-n சந்தி உருவாகிறது. டயோடிலிருந்து சீராக்கிகளும் மின்னழுத்த நிலைப்படுத்திகளும் வருகின்றன. டிரான்சிஸ்டரிலிருந்து பெருக்கிகளும் சாவிகளும் வருகின்றன. அதன் பிறகு இலக்கமுறை சுற்றுகளின் அடிப்படையான தர்க்க வாயில்கள் வருகின்றன.

சிறு வினாக்களும் கணக்குகளும் இரண்டுமே இந்தப் பாடத்திலிருந்து கேட்கப்படுகின்றன. டயோடின் சிறப்பியல்பு வரைபடங்களை வரையவும், சீராக்கிகளை விளக்கவும், α, β என்ற மின்னோட்ட பெருக்கங்களைத் தொடர்புபடுத்தவும், உண்மை அட்டவணைகளை எழுதவும், டி மார்கனின் தேற்றங்களை நிரூபிக்கவும் தயாராக இருங்கள். தகவல் தொடர்புப் பகுதியில், பண்பேற்றம் ஏன் தேவை என்பதையும், ஒவ்வொரு பரவல் முறைக்கும் எந்த அதிர்வெண் நெடுக்கம் பொருந்தும் என்பதையும் தெரிந்து வையுங்கள்.

நீங்கள் கற்பவை

• ஆற்றல் பட்டை வரைபடங்களைக் கொண்டு திண்மங்களைக் கடத்திகள், காப்பான்கள், அரைக்கடத்திகள் என வகைப்படுத்துதல்.
• p-n சந்தி டயோடின் முன்னோக்கு, பின்னோக்குச் சார்பு சிறப்பியல்புகளை விளக்குதல்.
• அரை அலை, முழு அலை சீராக்கிகள் மாறுதிசை மின்னோட்டத்தை நேர்திசை மின்னோட்டமாக எப்படி மாற்றுகின்றன என்று விளக்குதல்.
• டிரான்சிஸ்டருக்கு α, β கணக்கிட்டு, அவற்றுக்கு இடையிலான தொடர்பைப் பயன்படுத்துதல்.
• அடிப்படை வாயில்களுக்கும் பொது வாயில்களுக்கும் உண்மை அட்டவணைகள் எழுதி, டி மார்கனின் தேற்றங்களைச் சரிபார்த்தல்.
• தகவல் தொடர்பு அமைப்பின் பகுதிகளை அடையாளம் கண்டு, பண்பேற்றம் ஏன் தேவை என்று விளக்குதல்.
• தரை அலை, வான் அலை, விண்வெளி அலை பரவல்களை வேறுபடுத்துதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• அணு அமைப்பும் கூடுகளில் எலக்ட்ரான்கள் அமைந்துள்ள விதமும்.
• ஓம் விதியும் எளிய நேர்திசை மின்சுற்றுகளும்.
• அதிர்வெண், அலைநீளம் போன்ற மின்காந்த அலைகளின் பண்புகள்.

எலக்ட்ரானியல் மற்றும் தகவல் தொடர்பு அமைப்புகள் — விரிவான விளக்கம்

அரைக்கடத்திகள், வாயில்கள், சமிக்கைகள்

ஆற்றல் பட்டைக் கொள்கை

ஒரு திண்மத்தில் அணுக்களின் ஆற்றல் மட்டங்கள் விரிந்து பட்டைகளாகின்றன. இணைதிறன் பட்டையையும் கடத்துப் பட்டையையும் ஒரு விலக்கப்பட்ட ஆற்றல் இடைவெளி பிரிக்கிறது. கடத்திகளில் இரண்டு பட்டைகளும் ஒன்றின் மேல் ஒன்று படிந்திருக்கும். காப்பான்களில் இடைவெளி பெரியது, ஏறக்குறைய 3 eV-ஐ விட அதிகம். அரைக்கடத்திகளில் இடைவெளி சிறியது: சிலிக்கானுக்கு ஏறக்குறைய 1.1 eV, ஜெர்மானியத்துக்கு 0.7 eV. அதனால் அறை வெப்பநிலையிலேயே சில எலக்ட்ரான்கள் இந்த இடைவெளியைத் தாண்ட முடியும்.

உள்ளார்ந்த மற்றும் புறவியலான அரைக்கடத்திகள்

தூய அரைக்கடத்தி உள்ளார்ந்த அரைக்கடத்தி (Intrinsic semiconductor). இதில் எலக்ட்ரான்களும் துளைகளும் சம எண்ணிக்கையில் இருக்கும். சிறிதளவு மாசு சேர்த்தால் (மாசூட்டல், Doping) அது புறவியலான அரைக்கடத்தி ஆகிறது. பாஸ்பரஸ் போன்ற ஐந்திணைதிறன் மாசு சேர்த்தால் n-வகை அரைக்கடத்தி கிடைக்கும். இதில் எலக்ட்ரான்களே பெரும்பான்மை ஊர்திகள். போரான் போன்ற மூவிணைதிறன் மாசு சேர்த்தால் p-வகை அரைக்கடத்தி கிடைக்கும். இதில் துளைகளே பெரும்பான்மை ஊர்திகள்.

p-n சந்தி

p-வகை, n-வகைப் பகுதிகளை இணைக்கும்போது எலக்ட்ரான்களும் துளைகளும் சந்தியைக் கடந்து விரவி மீண்டும் இணைகின்றன. இதனால் கட்டற்ற ஊர்திகள் இல்லாத ஒரு மின்னூட்டம் இல்லாப் பகுதி (Depletion region) உருவாகிறது. அங்கு ஒரு மின்னழுத்தத் தடை தோன்றுகிறது. சிலிக்கானுக்கு இது ஏறக்குறைய 0.7 V. வெளியிலிருந்து தரும் மின்னழுத்தம் இந்தத் தடையைக் குறைக்கவோ கூட்டவோ முடியும். அதனால்தான் சந்தி ஒரு திசையில் மட்டும் எளிதாகக் கடத்துகிறது.

டயோடுகளும் அவற்றின் பயன்களும்

முன்னோக்குச் சார்பில் (p-பக்கம் நேர் முனையுடன்) டயோடு கடத்தும். பின்னோக்குச் சார்பில் மிகச் சிறிய கசிவு மின்னோட்டம் மட்டுமே பாயும். அரை அலை சீராக்கி ஒரு டயோடைக் கொண்டு மாறுதிசை மின்னோட்டத்தை துடிப்பு நேர்திசை மின்னோட்டமாக மாற்றுகிறது. முழு அலை சீராக்கி இரண்டு அல்லது நான்கு டயோடுகளைக் கொண்டு மாறுதிசை மின்னோட்டச் சுழற்சியின் இரண்டு பாதிகளையும் பயன்படுத்துகிறது. செனர் டயோடு பின்னோக்கு முறிவு நிலையில் இயங்கி, சுமையின் குறுக்கே உள்ள மின்னழுத்தத்தை ஏறக்குறைய மாறாமல் வைக்கிறது. ஒளி உமிழ் டயோடு (LED), ஒளி டயோடு, சூரிய மின்கலம் ஆகியவையும் பாடநூலில் உள்ளன.

இருமுனை சந்தி டிரான்சிஸ்டர்

டிரான்சிஸ்டருக்கு உமிழ்ப்பான், அடிவாய், சேகரிப்பான் என மூன்று முனைகள் உண்டு. சிறிய அடிவாய் மின்னோட்டம் அதைவிடப் பல மடங்கு பெரிய சேகரிப்பான் மின்னோட்டத்தைக் கட்டுப்படுத்துகிறது. மின்னோட்ட பெருக்கங்கள் $\alpha = \frac{I_C}{I_E}$, $\beta = \frac{I_C}{I_B}$. இவை $\beta = \frac{\alpha}{1-\alpha}$ என்று தொடர்புடையவை. எடுத்துக்காட்டாக, α = 0.98 எனில் β = 49. பொது உமிழ்ப்பான் அமைப்பு பெருக்கியாகப் பரவலாகப் பயன்படுகிறது. டிரான்சிஸ்டர் சாவியாகவும் அலைவியற்றியாகவும் செயல்படும்.

இலக்கமுறை மின்னணுவியலும் தர்க்க வாயில்களும்

இலக்கமுறை சுற்றுகள் 0, 1 என்ற இரண்டு நிலைகளைக் கொண்டு இயங்குகின்றன. AND, OR, NOT என்ற அடிப்படை வாயில்கள் தர்க்கச் செயல்களைச் செய்கின்றன. இவற்றை பூலியன் இயற்கணிதம் விவரிக்கிறது. NAND, NOR இரண்டும் பொது வாயில்கள் (Universal gates). ஏனெனில் வேறு எந்த வாயிலையும் இவற்றில் ஏதாவது ஒன்றை மட்டும் கொண்டு அமைக்கலாம். EX-OR வாயில் உள்ளீடுகள் வேறுபடும்போது மட்டுமே வெளியீடு 1 தரும். டி மார்கனின் தேற்றங்கள் AND வடிவத்தை OR வடிவமாகவும் OR வடிவத்தை AND வடிவமாகவும் மாற்ற உதவுகின்றன.

தகவல் தொடர்பு அமைப்புகள்

ஒரு தகவல் தொடர்பு அமைப்பில் செலுத்தி, தகவல் தொடர்பு வழி, ஏற்பி ஆகியவை உள்ளன. தகவல் சமிக்கை பொதுவாகக் குறைந்த அதிர்வெண் கொண்டது. எனவே அது உயர் அதிர்வெண் ஊர்தி அலையின் மீது ஏற்றப்படுகிறது. வீச்சு பண்பேற்றத்தில் (AM) சமிக்கைக்கு ஏற்ப ஊர்தி அலையின் வீச்சு மாறுகிறது. அதிர்வெண் பண்பேற்றத்தில் (FM) அதன் அதிர்வெண் மாறுகிறது. கட்ட பண்பேற்றத்தில் அதன் கட்டம் மாறுகிறது. AM-ஐ விட FM மீது இரைச்சலின் பாதிப்பு மிகக் குறைவு. அதனால்தான் FM வானொலி தெளிவாகக் கேட்கிறது.

மின்காந்த அலைகளின் பரவல்

ஏறக்குறைய 2 kHz முதல் 2 MHz வரையிலான தரை அலைகள் புவியின் பரப்பை ஒட்டிச் செல்கின்றன. ஏறக்குறைய 3 MHz முதல் 30 MHz வரையிலான வான் அலைகளை அயனி மண்டலம் மீண்டும் புவியை நோக்கி வளைக்கிறது. இவை மிக நீண்ட தொலைவு செல்லும். ஏறக்குறைய 30 MHz முதல் 400 GHz வரையிலான விண்வெளி அலைகள் செலுத்தியிலிருந்து ஏற்பிக்கு நேர்கோட்டில் (கண்ணுக்குத் தெரியும் பாதை, Line of sight) செல்கின்றன. தொலைக்காட்சி, கைபேசி, செயற்கைக்கோள் இணைப்புகளுக்கு இவை பயன்படுகின்றன.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• முன்னோக்கு, பின்னோக்குச் சார்புகளைக் குழப்புதல். முன்னோக்குச் சார்பு என்றால் p-பக்கம் நேர் முனையுடன் இணைக்கப்பட்டிருக்கும்.
• பெரும்பான்மை ஊர்திகளைக் குழப்புதல். ஐந்திணைதிறன் மாசு n-வகையைத் தரும், அதில் எலக்ட்ரான்கள் பெரும்பான்மை ஊர்திகள். மூவிணைதிறன் மாசு p-வகையைத் தரும், அதில் துளைகள் பெரும்பான்மை ஊர்திகள்.
• பூலியன் கோவைகளைக் கவனக்குறைவாகச் சுருக்குதல். இறுதிக் கோவையை உண்மை அட்டவணையுடன் ஒப்பிட்டுச் சரிபாருங்கள்.
• கட்டத் திருப்பத்தை மறத்தல். பொது உமிழ்ப்பான் பெருக்கியில் வெளியீடு உள்ளீட்டுடன் 180° கட்ட வேறுபாட்டில் இருக்கும்.
• அதிர்வெண் நெடுக்கங்களைக் குழப்புதல். வான் அலைகள் ஏறக்குறைய 3 முதல் 30 MHz வரை பயன்படும். 30 MHz-க்கு மேல் அலைகள் அயனி மண்டலத்தைக் கடந்து சென்றுவிடும், அவற்றுக்கு விண்வெளி அலை (கண்ணுக்குத் தெரியும் பாதை) இணைப்பு தேவை.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

உள்ளார்ந்த, புறவியலான அரைக்கடத்திகளுக்கு என்ன வேறுபாடு?

உள்ளார்ந்த அரைக்கடத்தி என்பது தூய சிலிக்கான் அல்லது ஜெர்மானியம். இதில் எலக்ட்ரான்களும் துளைகளும் சம எண்ணிக்கையில் இருக்கும். அறை வெப்பநிலையில் இதன் கடத்துத்திறன் குறைவு. புறவியலான அரைக்கடத்தியில் சிறிதளவு மாசு சேர்க்கப்பட்டிருக்கும். இது எலக்ட்ரான்களின் (n-வகை) அல்லது துளைகளின் (p-வகை) எண்ணிக்கையைப் பெருமளவு உயர்த்தி, கடத்துத்திறனைக் கூட்டுகிறது.

செனர் டயோடு மின்னழுத்த நிலைப்படுத்தியாக எப்படிச் செயல்படுகிறது?

செனர் டயோடு பின்னோக்குச் சார்பில், சுமைக்கு இணையாக இணைக்கப்படுகிறது. மின்மூலத்துடன் தொடராக ஒரு மின்தடையாக்கி இருக்கும். முறிவு நிலையை அடைந்ததும் அதன் குறுக்கே உள்ள மின்னழுத்தம் ஏறக்குறைய மாறாமல் இருக்கும். உள்ளீட்டு மின்னழுத்தம் கூடினால் செனர் மின்னோட்டம் கூடுகிறது. கூடுதல் மின்னழுத்தம் தொடர் மின்தடையாக்கியின் குறுக்கே இறங்குகிறது. அதனால் சுமையின் மின்னழுத்தம் நிலையாக இருக்கிறது.

டிரான்சிஸ்டர்கள் ஏன் செயல்படு சாதனங்கள் (Active devices) எனப்படுகின்றன?

டிரான்சிஸ்டர் ஒரு சமிக்கையைப் பெருக்க முடியும். உள்ளீட்டில் பெறுவதை விட அதிக திறனை வெளியீட்டில் தரும். அந்தக் கூடுதல் ஆற்றல் நேர்திசை மின்மூலத்திலிருந்து எடுக்கப்படுகிறது. மின்தடையாக்கிகள், மின்தேக்கிகள், மின்தூண்டிகள் போன்ற செயல்படாக் கூறுகளால் பெருக்க முடியாது.

தகவல் தொடர்பில் பண்பேற்றம் ஏன் தேவை?

ஒலிச் சமிக்கைகளுக்குக் குறைந்த அதிர்வெண்ணும் நீண்ட அலைநீளமும் உண்டு. அலைக்கம்பத்தின் நீளம் அலைநீளத்துக்கு ஒப்பிடத்தக்கதாக இருக்க வேண்டும். எனவே இவற்றை நேரடியாக அனுப்பினால் பல கிலோமீட்டர் நீள அலைக்கம்பங்கள் தேவைப்படும். குறைந்த அதிர்வெண் சமிக்கைகள் வலுவின்றிக் கதிர்வீசப்படும். வெவ்வேறு நிலையங்களின் சமிக்கைகளும் கலந்துவிடும். சமிக்கையை உயர் அதிர்வெண் ஊர்தி அலையின் மீது ஏற்றினால் இந்த மூன்று சிக்கல்களும் தீர்கின்றன.

NAND, NOR வாயில்கள் ஏன் பொது வாயில்கள் எனப்படுகின்றன?

AND, OR, NOT உட்பட வேறு எந்த வாயிலையும் NAND வாயில்களை மட்டும் அல்லது NOR வாயில்களை மட்டும் கொண்டு அமைக்கலாம். எடுத்துக்காட்டாக, NAND வாயிலின் இரண்டு உள்ளீடுகளையும் இணைத்தால் NOT வாயில் கிடைக்கும். அதாவது எந்த இலக்கமுறை சுற்றையும் ஒரே வகை வாயிலைக் கொண்டு உருவாக்கலாம்.

வான் அலை பரவலில் அயனி மண்டலம் என்ன செய்கிறது?

அயனி மண்டலம் என்பது மின்னூட்டத் துகள்கள் கொண்ட மேல் வளிமண்டல அடுக்கு. ஏறக்குறைய 3 முதல் 30 MHz வரையிலான வானொலி அலைகளை அது மீண்டும் புவியை நோக்கி வளைக்கிறது. இதனால் சிற்றலை வானொலிச் சமிக்கைகள் செயற்கைக்கோள் இல்லாமலேயே அடிவானத்துக்கு அப்பால் நெடுந்தொலைவு செல்கின்றன.