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प्रतिरोधान्तरित्र एक अर्धचालक उपकरण है जिसका उपयोग विद्युत संकेतों और शक्ति को बढ़ाने या बदलने के लिए किया जाता है। प्रतिरोधान्तरित्र आधुनिक इलेक्ट्रानिकी के बुनियादी निर्माण खंडों में से एक है।[1] यह अर्धचालक स्थूल से बना होता है, आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक परिपथ से जुड़ने के लिए कम से कम तीन सीमावर्ती होते हैं। प्रतिरोधान्तरित्र के सीमावर्ती की एक जोड़ी पर लगाया जाने वाला वोल्टेज या धारा दूसरे जोड़े के सीमावर्ती के माध्यम से धारा को नियंत्रित करता है। क्योंकि नियंत्रित (आउटपुट) शक्ति नियंत्रण (इनपुट) शक्ति से अधिक हो सकती है, प्रतिरोधान्तरित्र संकेत को बढ़ा सकता है। कुछ प्रतिरोधान्तरित्र व्यक्तिगत रूप से कोष्ठित किए जाते हैं, लेकिन कई और एकीकृत परिपथ में सन्निहित पाए जाते हैं।
ऑस्ट्रो-हंगेरियन भौतिक विज्ञानी जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड ने 1926 में क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) की अवधारणा का प्रस्ताव रखा था, लेकिन उस समय वास्तव में कार्यशील उपकरण का निर्माण संभव नहीं था।[2] बिंदु-संपर्क प्रतिरोधान्तरित्र पहला काम करने वाला उपकरण था जिसका आविष्कार अमेरिकी भौतिकविदों जॉन बार्डीन और वाल्टर ब्रैटन ने 1947 में बेल लैब्स में विलियम शॉक्ले के तहत काम करते हुए किया था। तीनों ने अपनी उपलब्धि के लिए भौतिकी में 1956 का नोबेल पुरस्कार साझा किया था।[3] प्रतिरोधान्तरित्र का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला प्रकार मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट प्रतिरोधान्तरित्र (मॉसफेट) है, जिसका आविष्कार 1959 में बेल लैब्स में मोहम्मद अटला और डावन काहंग द्वारा किया गया था।[4][5][6]प्रतिरोधान्तरित्र ने इलेक्ट्रॉनिक के क्षेत्र में क्रांति ला दी, और अन्य चीजों के अलावा छोटे और सस्ते आकाशवानी, परिगणक और संगणक के लिए मार्ग प्रशस्त किया था।
अधिकांश प्रतिरोधान्तरित्र बहुत शुद्ध सिलिकॉन से और कुछ जर्मेनियम बने होते हैं, लेकिन कुछ अर्धचालक पदार्थों का कभी-कभी उपयोग किया जाता है। एक क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र में केवल एक प्रकार का चार्ज वाहक हो सकता है, या द्विध्रुवीय जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र उपकरणों में दो प्रकार के चार्ज वाहक हो सकते हैं। निर्वात नली की तुलना में, प्रतिरोधान्तरित्र आमतौर पर छोटे होते हैं और उन्हें संचालित करने के लिए कम शक्ति की आवश्यकता होती है। कुछ निर्वात नली में प्रतिरोधान्तरित्र पर बहुत अधिक प्रचालन आवृत्तियों या उच्च प्रचालन वोल्टेज पर फायदे होते हैं। कई निर्माताओं द्वारा मानकीकृत विनिर्देशों के लिए कई प्रकार के प्रतिरोधान्तरित्र बनाए जाते हैं।
इतिहास
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1907 में थर्मिओनिक ट्रायोड निर्वात नली का आविष्कार किया गया, इसने प्रवर्धित आकाशवानी तकनीक और लंबी दूरी की दूरभाषण को सक्षम किया था। हालाँकि, ट्रायोड एक नाजुक उपकरण था जिसने पर्याप्त मात्रा में बिजली की खपत की थी। 1909 में, भौतिक विज्ञानी विलियम एक्ल्स ने क्रिस्टल डायोड दोलक की खोज की थी।[7] ऑस्ट्रो-हंगेरियन भौतिक विज्ञानी जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड ने 1925 में कनाडा में क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) के लिए एक स्वीकृत दायर किया,[8] जिसका उद्देश्य ट्रायोड के लिए एक ठोस-राज्य प्रतिस्थापन होना था। लिलिएनफेल्ड ने भी संयुक्त राज्य अमेरिका में[9][10] और 1928 में समान एक स्वीकृत दायर किए थे।[11][12] हालांकि, लिलियनफेल्ड ने अपने उपकरणों के बारे में कोई शोध लेख प्रकाशित नहीं किया और न ही उनके स्वीकृत ने एक कार्यशील प्रतिमान के किसी विशिष्ट उदाहरण का हवाला दिया था। चूंकि उच्च गुणवत्ता वाली अर्धचालक सामग्री का उत्पादन अभी भी दशकों दूर था, लिलियनफेल्ड के ठोस-राज्य प्रवर्धक विचारों को 1920 और 1930 के दशक में व्यावहारिक उपयोग नहीं मिला होगा, भले ही ऐसा उपकरण बनाया गया हो।[13] 1934 में, जर्मन आविष्कारक आस्कर हैल ने यूरोप में इसी तरह के उपकरण का एक स्वीकृत कराया था।[14]
द्विध्रुवी प्रतिरोधान्तरित्र
17 नवंबर, 1947 से 23 दिसंबर, 1947 तक, न्यू जर्सी के मरे हिल में एटी एंड टी की बेल लैब्स में जॉन बार्डीन और वाल्टर ब्रेटन ने प्रयोग किए और देखा कि जब जर्मेनियम के स्फटिक पर दो गोल्ड पॉइंट कॉन्टैक्ट्स लगाए गए थे, तो सिग्नल इनपुट से अधिक आउटपुट पावर के साथ उत्पन्न हुआ था।[15] ठोस अवस्था भौतिक समूह के नेता विलियम शॉक्ले ने इसमें क्षमता देखी, और अगले कुछ महीनों में अर्धचालकों के ज्ञान का विस्तार करने के लिए काम किया था। प्रतिरोधान्तरित्र शब्द को जॉन आर. पियर्स द्वारा पार प्रतिरोध शब्द के संकुचन के रूप में गढ़ा गया था।[16][17][18]लिलियन हॉडेसन और विकी डाइच के अनुसार, शॉक्ले ने प्रस्तावित किया था कि बेल लैब्स का प्रतिरोधान्तरित्र के लिए पहला एकस्वीकृत क्षेत्र प्रभाव पर आधारित होना चाहिए और उन्हें आविष्कारक के रूप में नामित किया जाना चाहिए। लिलियनफेल्ड के एकस्वीकृत का पता लगाने के बाद, जो वर्षों पहले अस्पष्टता में चला गया था, बेल लैब्स के वकीलों ने शॉक्ले के प्रस्ताव के खिलाफ सलाह दी क्योंकि क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) का विचार जो "ग्रिड" के रूप में विद्युत क्षेत्र का उपयोग करता था, नया नहीं था।[13]इस उपलब्धि की स्वीकृति में, शॉक्ले, बारडीन और ब्रेटन को संयुक्त रूप से "अर्धचालकों पर उनके शोध और प्रतिरोधान्तरित्र प्रभाव की खोज" के लिए भौतिकी में 1956 का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।[19][20]
शॉक्ले की शोध टीम ने प्रारम्भ में अर्धचालक की चालकता को संशोधित करने की कोशिश करके क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) बनाने का प्रयास किया, लेकिन असफल रहा, मुख्य रूप से सतह राज्यों, लटकने वाले बंधन, और जर्मेनियम और तांबा यौगिक सामग्री के साथ समस्याओं के कारण असफल रहा था। काम करने वाले FET के निर्माण में उनकी विफलता के पीछे के रहस्यमय कारणों को समझने की कोशिश में, इसने उन्हें द्विध्रुवी बिंदु-संपर्क और जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र का आविष्कार करने के लिए प्रेरित किया था।[21][22]
1948 में, बिंदु-संपर्क प्रतिरोधान्तरित्र का स्वतंत्र रूप से जर्मन भौतिकविदों हर्बर्ट मातरे और हेनरिक वेलकर द्वारा आविष्कार किया गया था, जबकि वे पेरिस में स्थित एक वेस्टिंगहाउस सहायक कंपनी कॉम्पैनी डेस फ्रीन्स एट साइनाक्स वेस्टिंगहाउस में काम कर रहे थे। मातरे को द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान जर्मन रडार प्रयास में सिलिकॉन और जर्मेनियम से स्फटिक परिशोधक विकसित करने का पिछला अनुभव था। इस ज्ञान का उपयोग करते हुए, उन्होंने 1947 में "हस्तक्षेप" की घटना पर शोध करना शुरू किया था। जून 1948 तक, बिंदु-संपर्कों के माध्यम से बहने वाली धाराओं को देखते हुए, मातरे ने वेल्कर द्वारा उत्पादित जर्मेनियम के नमूनों का उपयोग करके लगातार परिणाम उत्पन्न किए, जैसा कि बार्डीन और ब्रैटैन ने दिसंबर 1947 में पहले ही पूरा किया था। यह महसूस करते हुए कि बेल लैब्स के वैज्ञानिकों ने उनसे पहले ही प्रतिरोधान्तरित्र का आविष्कार कर लिया था, कंपनी फ्रांस के टेलीफोन नेटवर्क में प्रवर्धित उपयोग के लिए इसके "संक्रमण" को उत्पादन में लाने के लिए दौड़ पड़ी और 13 अगस्त, 1948 को अपना पहला प्रतिरोधान्तरित्र एकस्वीकृत आवेदन दायर किया था।[23][24][25]
पहले द्विध्रुवी जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र का आविष्कार बेल लैब्स के विलियम शॉक्ले द्वारा किया गया था, जिसने 26 जून, 1948 को एकस्वीकृत (2,569,347) के लिए आवेदन किया था। 12 अप्रैल, 1950 को, बेल लैब्स केमिस्ट गॉर्डन टील और मॉर्गन स्पार्क्स ने सफलतापूर्वक एक कामकाजी द्विध्रुवी एनपीएन एम्पलीफाइंग जर्मेनियम प्रतिरोधान्तरित्र का उत्पादन किया था। बेल लैब्स ने 4 जुलाई 1951 को एक प्रेस विज्ञप्ति में इस नए "सैंडविच" प्रतिरोधान्तरित्र की खोज की घोषणा की थी।[26][27]
पहला उच्च-आवृत्ति प्रतिरोधान्तरित्र 1953 में फिल्को द्वारा विकसित सतह-अवरोध जर्मेनियम प्रतिरोधान्तरित्रथा, जो 60 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर काम करने में सक्षम था।[28] इन्हें इंडियम (III) सल्फेट के जेट के साथ दोनों तरफ से N-टाइप जर्मेनियम बेस में नक़्क़ाशी करके बनाया गया था, जब तक कि यह एक इंच मोटी का कुछ दस-हज़ारवां हिस्सा न हो। ईण्डीयुम इलेक्ट्रोप्लेटेड डिप्रेशन में कलेक्टर और एमिटर का गठन किया था।[29][30]
एटी एंड टी (AT&T) ने पहली बार 1953 में नंबर 4ए टोल क्रॉसबार स्विचिंग प्रणाली के परिपथ में दूरसंचार उपकरण में प्रतिरोधान्तरित्र का इस्तेमाल किया, ताकि अनुवादी कार्ड पर कूटबद्ध क्रम जानकारी से ट्रंक परिपथ का चयन किया जा सके। वेस्टर्न इलेक्ट्रिक नंबर 3A प्रकाश प्रतिरोधान्तरित्र छिद्रित धातु कार्ड से यांत्रिक संकेतन को पढ़ता है।
पहला "प्रतिमान " (प्रोटोटाइप) पॉकेट प्रतिरोधान्तरित्र रेडियो इंटरमेटॉल (1952 में हर्बर्ट मातरे द्वारा स्थापित एक कंपनी) द्वारा 29 अगस्त, 1953 और 6 सितंबर, 1953 के बीच इंटरनेशनेल फनकॉसस्टेलुंग डसेलडोर्फ में दिखाया गया था।[31][32] पहला " प्रस्तुतिकरण" पॉकेट प्रतिरोधान्तरित्र रेडियो रीजेंसी टीआर -1 था, जिसे अक्टूबर 1954 में जारी किया गया था।[20]औद्योगिक विकास इंजीनियरिंग एसोसिएट्स के रीजेंसी डिवीजन, आई डी ई ए के बीच एक संयुक्त उद्यम के रूप में निर्मित और डलास टेक्सास के टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स, टी आर -1 का निर्माण इंडियानापोलिस, इंडियाना में किया गया था। यह लगभग पॉकेट-आकार का रेडियो था जिसमें 4 प्रतिरोधान्तरित्र और एक जर्मेनियम डायोड था। औद्योगिक प्रारुप को पेंटर, टीग और पीटरटिल की शिकागो फर्म को आउटसोर्स किया गया था। इसे प्रारम्भ में छह अलग-अलग रंगों में से एक में जारी किया गया था काला, हाथीदांत, मंदारिन लाल, बादल ग्रे, महोगनी और जैतून हरा। अन्य रंग शीघ्र ही अनुसरण करने वाले थे।[33][34][35]
पहला "उत्पादन" ऑल-प्रतिरोधान्तरित्रर कार रेडियो क्रिसलर और फिलको कॉरपोरेशन द्वारा विकसित किया गया था और इसकी घोषणा वॉल स्ट्रीट जर्नल के 28 अप्रैल, 1955 के संस्करण में की गई थी। क्रिसलर ने ऑल-प्रतिरोधान्तरित्र कार रेडियो, मोपर मॉडल 914HR, 1956 के क्रिसलर और इंपीरियल कारों की अपनी नई लाइन के लिए 1955 में आरम्भ होने वाले विकल्प के रूप में उपलब्ध कराया था, जो पहली बार 21 अक्टूबर, 1955 को नामाधिकार प्रदर्शन कक्ष के फर्श पर पहुंचा था।[36][37][38]
सोनी टीआर-63, 1957 में जारी किया गया, पहला बड़े पैमाने पर उत्पादित प्रतिरोधान्तरित्र रेडियो था, जिसने प्रतिरोधान्तरित्र रेडियो के बड़े पैमाने पर बाजार में प्रवेश किया था।[39]TR-63 ने 1960 के दशक के मध्य तक दुनिया भर में 70 लाख यूनिट्स की बिक्री आरम्भ कर दी थी।[40]प्रतिरोधान्तरित्र रेडियो के साथ सोनी की सफलता ने 1950 के दशक के अंत में प्रतिरोधान्तरित्र को वैक्यूम ट्यूबों को प्रमुख इलेक्ट्रॉनिक तकनीक के रूप में बदल दिया गया था।[41]
पहला काम करने वाला सिलिकॉन प्रतिरोधान्तरित्र 26 जनवरी, 1954 को मॉरिस टैनबाम द्वारा बेल लैब्स में विकसित किया गया था। पहला वाणिज्यिक सिलिकॉन प्रतिरोधान्तरित्र 1954 में टेक्सास उपकरणों द्वारा निर्मित किया गया था। यह गॉर्डन टील का काम था, जो उच्च शुद्धता के बढ़ते स्फ़टिक के विशेषज्ञ थे, जिन्होंने पहले बेल लैब्स में काम किया था।[42][43][44]
क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET)
क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) का मूल सिद्धांत पहली बार ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड द्वारा 1926 में प्रस्तावित किया गया था, जब उन्होंने एमईएसFET के समान उपकरण के लिए एकस्वीकृत दायर किया था और 1928 में जब उन्होंने इंसुलेटेड-गेटक्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र के लिए एकस्वीकृत दायर किया था। [45][46] FET अवधारणा को बाद में 1930 के दशक में जर्मन इंजीनियर ओस्कर हेइल द्वारा और 1940 के दशक में विलियम शॉक्ले द्वारा भी दिया गया था।
1945 में जेफेट को हेनरिक वेल्कर द्वारा एकस्वीकृत कराया गया था।[47] 1952 में जेFET पर शॉक्ले के सैद्धांतिक उपचार के बाद, जॉर्ज सी डेसी और इयान एम रॉस द्वारा 1953 में एक कार्यशील व्यावहारिक जेFET बनाया गया था।[48]
1948 में बार्डीन ने MOSFET के पूर्वज का एकस्वीकृत कराया, एक इंसुलेटेड-गेटFET जिसमें एक उलटा परत होता है। बारडीन के पेटेंट के साथ-साथ व्युत्क्रम परत की अवधारणा आज सीएमओएस तकनीक का आधार बनती है।[49]
MOSFET (मॉस प्रतिरोधान्तरित्र)
अर्धचालक कंपनियों ने प्रारम्भ में अर्धचालक उद्योग के प्रारंभिक वर्षों में जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र पर ध्यान केंद्रित किया था। जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र अपेक्षाकृत भारी उपकरण था जिसका बड़े पैमाने पर उत्पादन करना मुश्किल था, और, इसे कई विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित कर दिया था। क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) को जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र के संभावित विकल्प के रूप में सिद्धांतित किया गया था, लेकिन शोधकर्ताओं को प्रांरम्भ में FET को ठीक से काम करने के लिए नहीं मिला, मुख्य रूप से परेशानी सतह राज्य बाधा के कारण जो बाहरी विद्युत क्षेत्र को सामग्री में प्रवेश करने से रोकता था।[50]
1950 के दशक में, मिस्र के इंजीनियर मोहम्मद अटाला ने बेल लैब्स में सिलिकॉन अर्धचालक की सतह के गुणों की जांच की, जहां उन्होंने अर्धचालक उपकरण रचना की एक नई विधि का प्रस्ताव दिया, जिसमें सिलिकॉन ऑक्साइड की एक रोधक परत के साथ सिलिकन पटलिका विलेपन की गई ताकि बिजली विश्वसनीय रूप से संचालन में प्रवेश कर सकता है। नीचे सिलिकॉन, सतह पर काबू पाने में कहा गया है कि बिजली को अर्धचालक परत तक पहुंचने से रोकता है। इसे सतही निष्क्रियता के रूप में जाना जाता है, एक ऐसी विधि जो अर्धचालक उद्योग के लिए महत्वपूर्ण हो गई क्योंकि बाद में इसने सिलिकॉन एकीकृत परिपथों के बड़े पैमाने पर उत्पादन को संभव बनाया गया था।[51][52] उन्होंने 1957 में अपने निष्कर्ष प्रस्तुत किए थे।[53] अपनी सतह पास होने की विधि पर निर्माण, उन्होंने धातु -ऑक्साइड -अर्धचालक (एमओएस) प्रक्रिया विकसित की थी।[51]उन्होंने प्रस्तावित किया कि एमओएस (MOS) प्रक्रिया का उपयोग पहले काम करने वाले सिलिकॉन फेट का निर्माण करने के लिए किया जा सकता है, जिसे उन्होंने अपने कोरियाई सहयोगी डावन काहंग की मदद से निर्माण करना प्रांरम्भ किया था।[51]
मेटल-ऑक्साइड-अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र ( MOSFET), या मॉस प्रतिरोधान्तरित्र, का आविष्कार मोहम्मद अटाला और डॉन कहंग ने 1959 में किया था।[4][5] MOSFET पहला सही मायने में सघन प्रतिरोधान्तरित्र था जिसे छोटा किया जा सकता था और व्यापक उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकता था।[50]एक स्व-संरेखित सीएमओएस प्रक्रिया में, एक प्रतिरोधान्तरित्र का निर्माण होता है जहां गेट परत (पॉलीसिलिकॉन या धातु) एक प्रसार परत को पार करती है।[54]: p.1 (see Fig. 1.1) इसकी उच्च मापनीयता,[55] और द्विध्रुवीय जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र की तुलना में बहुत कम बिजली की खपत और उच्च घनत्व के साथ,[56] MOSFET ने उच्च-घनत्व एकीकृत परिपथ का निर्माण करना संभव बना दिया, [6] एकल आईसी. में 10,000 से अधिक प्रतिरोधान्तरित्र के एकीकरण की अनुमति दी थी।[57]
सीएमओएस (पूरक मॉस) का आविष्कार 1963 में फेयरचाइल्ड अर्धचालक में चिह-तांग साह और फ्रैंक वानलास द्वारा किया गया था।[58] एक फ्लोटिंग-गेट MOSFET की पहली रिपोर्ट 1967 में डॉन कांग और साइमन सेज़ द्वारा बनाई गई थी।[59] डबल-गेट MOSFET का पहली बार 1984 में इलेक्ट्रोटेक्निकल लेबोरेटरी के शोधकर्ता तोशीहिरो सेकिगावा और युताका हयाशी द्वारा प्रदर्शित किया गया था।[60][61] फिनफेट (फिन क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र), एक प्रकार का 3D नॉन-प्लानर मल्टी-गेट MOSFET, जिसकी उत्पत्ति 1989 में हिताची सेंट्रल रिसर्च लेबोरेटरी में दीघ हिसामोटो और उनकी टीम के शोध से हुई थी। [62][63]
महत्व
प्रतिरोधान्तरित्र व्यावहारिक रूप से सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रमुख सक्रिय घटक हैं। इस प्रकार कई लोग प्रतिरोधान्तरित्र को 20 वीं शताब्दी के सबसे महान आविष्कारों में से एक मानते हैं।[64]
बेल लैब्स में पहले प्रतिरोधान्तरित्र के आविष्कार को 2009 में आई ईईई (IEEE) माइलस्टोन नाम दिया गया था। [65]आई ईईई (IEEE) मील के पत्थर की सूची में 1948 में जंक्शन प्रतिरोधान्तरित्र और 1959 में MOSFET के आविष्कार भी शामिल हैं।[66]
MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट प्रतिरोधान्तरित्र), जिसे मॉस प्रतिरोधान्तरित्र के रूप में भी जाना जाता है, अब तक सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला प्रतिरोधान्तरित्र है, जिसका उपयोग संगणक और इलेक्ट्रानिकी [52]से लेकर संचार प्रौद्योगिकी जैसे स्मार्टफोन में किया जाता है।[67] MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट प्रतिरोधान्तरित्र) को सबसे महत्वपूर्ण प्रतिरोधान्तरित्र माना जाता है,[68] संभवतः इलेक्ट्रानिकी में सबसे महत्वपूर्ण आविष्कार,[69] और आधुनिक इलेक्ट्रानिकी का जन्म माना जाता है।[70] एमओएस प्रतिरोधान्तरित्र 20वीं सदी के उत्तरार्ध से आधुनिक अंकीय इलेक्ट्रानिकी का मूलभूत निर्माण खंड रहा है, जिसने अंकीय युग का मार्ग प्रशस्त किया है।[71]यूएस एकस्वीकृत और ट्रेडमार्क कार्यालय ने इसे "एक अभूतपूर्व आविष्कार कहा जिसने दुनिया भर में जीवन और संस्कृति को बदल दिया" है।[67]आज के समाज में इसका महत्व अत्यधिक स्वचालित प्रक्रिया (अर्धचालक प्रणाली संरचना) का उपयोग करके बड़े पैमाने पर उत्पादित होने की क्षमता पर निर्भर करता है जो आश्चर्यजनक रूप से कम प्रति प्रतिरोधान्तरित्र लागत प्राप्त करता है। MOSFET 2018 तक निर्मित 13 से अधिक सेक्सटिलियन के साथ अब तक की सबसे अधिक उत्पादित कृत्रिम वस्तुएं हैं।[72]
हालांकि कई उद्योग हर साल एक अरब से अधिक व्यक्तिगत रूप से पैक (असतत के रूप में जाना जाता है) एमओएस प्रतिरोधान्तरित्र का उत्पादन करती हैं,[73] प्रतिरोधान्तरित्र का विशाल बहुमत अब डायोड के साथ एकीकृत परिपथ (अक्सर आईसी, माइक्रोचिप्स या बस चिप्स के लिए छोटा), पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक परिपथ का उत्पादन करने के लिए प्रतिरोधक, कैपेसिटर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटक में उत्पादित किया जाता है। एक लॉजिक गेट में लगभग बीस प्रतिरोधान्तरित्र होते हैं जबकि एक उन्नत सूक्ष्मप्रक्रमक, 2021 तक, 39 बिलियन प्रतिरोधान्तरित्र ( MOSFET) का उपयोग कर सकता है।[74]
प्रतिरोधान्तरित्र की कम लागत, सुनम्यता और विश्वसनीयता ने इसे एक सर्वव्यापी उपकरण बना दिया है। प्रतिरोधान्तरित्रित मेक्ट्रोनिक परिपथ ने उपकरणों और मशीनरी को नियंत्रित करने में विद्युत यांत्रिक उपकरणों को बदल दिया है। मानक सूक्ष्म नियंत्रक का उपयोग करना अक्सर आसान और सस्ता होता है और उसी प्रकार्य को नियंत्रित करने के लिए एक समान यांत्रिक प्रणाली को अभिकल्पना करने की तुलना में नियंत्रण कार्य करने के लिए अभिकलित्र क्रमादेश लिखना होता है
सरलीकृत ऑपरेशन
प्रतिरोधान्तरित्र अपने सीमावर्ती की एक जोड़ी के बीच लगाए गए छोटे संकेत का उपयोग सीमावर्ती के दूसरे जोड़े पर एक बहुत बड़े संकेत को नियंत्रित करने के लिए कर सकता है। इस विशेषता को लाभ कहा जाता है। यह मजबूत प्रक्षेपण संकेत, वोल्टेज या प्रवाह उत्पन्न कर सकता है, जो कमजोर निविष्ट संकेत के समानुपाती होता है और इस प्रकार, यह एक प्रवर्धक के रूप में कार्य कर सकता है। वैकल्पिक रूप से, प्रतिरोधान्तरित्र का उपयोग विद्युत रूप से नियंत्रित स्विच के रूप में परिपथ में चालू या बंद करने के लिए किया जा सकता है, जहां वर्तमान की मात्रा अन्य परिपथ तत्वों द्वारा निर्धारित की जाती है।[75]
दो प्रकार के प्रतिरोधान्तरित्र होते हैं, जिनमें परिपथ में उनका उपयोग करने के तरीके में थोड़ा अंतर होता है। द्विध्रुवीय प्रतिरोधान्तरित्र में आधार, संग्राही और उत्सर्जक लेबल वाले परिपथ होते हैं। आधार परिपथ पर छोटा प्रवाह (जो कि आधार और उत्सर्जक के बीच बह रहा है) संग्राही और उत्सर्जक सीमावर्ती के बीच बहुत बड़े धारा को नियंत्रित या स्विच कर सकता है। क्षेत्र-प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र (FET) के लिए, सीमावर्ती को गेट, स्रोत और अपवाहिका लेबल किया जाता है, और गेट पर वोल्टेज स्रोत और अपवाहिका के बीच धारा को नियंत्रित कर सकता है।
छवि, परिपथ में एक विशिष्ट द्विध्रुवी प्रतिरोधान्तरित्र का प्रतिनिधित्व करती है। धारा के आधार पर उत्सर्जक और संग्राही सीमावर्ती के बीच एक चार्ज प्रवाह होता है। क्योंकि आंतरिक रूप से आधार और उत्सर्जक संपर्क एक अर्धचालक डायोड की तरह व्यवहार करते हैं, आधार और उत्सर्जक के बीच वोल्टता पात विकसित होता है जबकि आधार धारा मौजूद होता है। इस वोल्टेज की मात्रा उस सामग्री पर निर्भर करती है जिस पर प्रतिरोधान्तरित्र बनाया जाता है और इसे वी इन (वीबीेई ) के रूप में संदर्भित किया जाता है।[76]
प्रतिरोधान्तरित्र एक स्विच के रूप में
प्रतिरोधान्तरित्र को आमतौर पर अंकीय परिपथ में इलेक्ट्रॉनिक स्विच के रूप में उपयोग किया जाता है, जो या तो चालू या बंद स्थिति में हो सकता हैl दोनों उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों जैसे स्विच-मोड बिजली की आपूर्ति और कम-शक्ति अनुप्रयोगों जैसे लॉजिक गेट्स के लिए उपयोग किये जाते है। इस अनुप्रयोगके लिए महत्वपूर्ण मापदण्ड में वर्तमान स्विच, वोल्टेज नियंत्रित, और स्विचिंग गति शामिल है, जो वृद्धि और गिरावट के समय की विशेषता है।[76]
स्विचिंग परिपथ में, लक्ष्य जितना संभव हो, अनुकरण करना है, आदर्श स्विच जिसमें खुले परिपथ के गुण बंद होने पर, शॉर्ट परिपथ चालू होने पर, और दोनों स्तिथि के बीच एक तात्कालिक परिवर्तन होता है। मापदंडों को इस तरह चुना जाता है कि "ऑफ" प्रक्षेपण रिसाव धाराओं तक सीमित है जो कनेक्टेड परिपथिकी को प्रभावित करने के लिए बहुत छोटा है, "ऑन" अवस्था में प्रतिरोधान्तरित्र का प्रतिरोध परिपथिकी को प्रभावित करने के लिए बहुत छोटा है, और दोनों स्तिथि के बीच परिवर्तन काफी तेज है हानिकारक प्रभाव नहीं होता है।[76]
भूसंपर्कित उत्सर्जक प्रतिरोधान्तरित्र परिपथ में, जैसे लाइट-स्विच परिपथ दिखाया गया है, जैसे आधार वोल्टेज बढ़ता है, उत्सर्जक और संग्राही धाराएं तेजी से बढ़ती हैं। संग्राही से उत्सर्जक तक प्रतिरोध कम होने के कारण संग्राही वोल्टेज गिरता है। यदि संग्राही और उत्सर्जक के बीच वोल्टेज अंतर शून्य (या शून्य के करीब) था, तो संग्राही वर्तमान केवल लोड प्रतिरोध (प्रकाश बल्ब) और आपूर्ति वोल्टेज द्वारा सीमित होता है। इसे संतृप्ति कहा जाता है क्योंकि धारा संग्राही से उत्सर्जक की ओर स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होती है। संतृप्त होने पर, स्विच चालू कहा जाता है।[77]
अनुप्रयोगों को स्विच करने के लिए द्विध्रुवी प्रतिरोधान्तरित्र के उपयोग के लिए प्रतिरोधान्तरित्र को पूर्वाग्रह करने की आवश्यकता होती है ताकि वह बंद स्तिथि और संतृप्ति क्षेत्र में अपने अंतक क्षेत्र के बीच संचालित हो, इसके लिए पर्याप्त आधार ड्राइव प्रवाह की आवश्यकता होती है। जैसा कि प्रतिरोधान्तरित्र वर्तमान लाभ प्रदान करता है, यह संग्राही में अपेक्षाकृत बड़े प्रवाह के स्विचिंग को आधार सीमावर्ती में बहुत छोटे धारा द्वारा स्विच करने की सुविधा देता है। इन धाराओं का अनुपात प्रतिरोधान्तरित्र के प्रकार के आधार पर भिन्न होता है, और यहां तक कि एक विशेष प्रकार के लिए, संग्राही वर्तमान के आधार पर भिन्न होता है। प्रकाश-स्विच परिपथ के उदाहरण में, जैसा कि दिखाया गया है, प्रतिरोधान्तरित्र को संतृप्त करने के लिए पर्याप्त आधार वर्तमान प्रदान करने के लिए रोकनेवाला को चुना जाता है।[76]आधार प्रतिरोधक मान की गणना आपूर्ति वोल्टेज, प्रतिरोधान्तरित्र C-E जंक्शन वोल्टता पात, संग्राही धारा और प्रवर्धन गुणक बीटा से की जाती है।[78]
प्रतिरोधान्तरित्र एक प्रवर्धक के रूप में
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उभयनिष्ठ उत्सर्जक प्रवर्धक को अभिकल्पना किया गया है ताकि वोल्टेज ( Vin ) में एक छोटा सा परिवर्तन प्रतिरोधान्तरित्र के आधार के माध्यम से छोटे प्रवाह को बदल दे, जिसका वर्तमान प्रवर्धन परिपथ के गुणों के साथ संयुक्त होता है, जिसका अर्थ है कि Vin में छोटे दोलन से Vout में बड़े बदलाव होते हैं।[76]
एकल प्रतिरोधान्तरित्र प्रवर्धक के विभिन्न विन्यास संभव हैं, कुछ वर्तमान लाभ, वोल्टेज लाभ, और कुछ दोनों प्रदान करते है।
भ्रमणिश्रावित्र से लेकर टीवी तक, बड़ी संख्या में उत्पादों में ध्वनि प्रजनन, रेडियो प्रसारण और संकेत संसाधन के लिए प्रवर्धक शामिल हैं। पहले असतत-प्रतिरोधान्तरित्र श्रव्य प्रवर्धक ने मुश्किल से कुछ सौ मिलीवाट की आपूर्ति की, लेकिन बिजली और श्रव्य निष्ठा धीरे-धीरे बढ़ गई क्योंकि बेहतर प्रतिरोधान्तरित्र उपलब्ध हो गए और प्रवर्धक शिल्प ज्ञान विकसित हुआ था।[76]
कुछ सौ वाट तक के आधुनिक प्रतिरोधान्तरित्र श्रव्य प्रवर्धक आम और अपेक्षाकृत सस्ते हैं।
निर्वात नली के साथ तुलना
प्रतिरोधान्तरित्र विकसित होने से पहले, निर्वात (इलेक्ट्रॉन) नली (या यूके में "थर्मिओनिक वाल्व" या सिर्फ "वाल्व") इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में मुख्य सक्रिय घटक थे।
लाभ
अधिकांश अनुप्रयोगों में प्रतिरोधान्तरित्र को निर्वात नली को बदलने की अनुमति देने वाले प्रमुख लाभ हैं:
- कोई कैथोड तापिक नहीं (जो नलिका की विशेषता नारंगी चमक पैदा करता है), बिजली की खपत को कम करता है, नलिका तापिक वार्म-अप के रूप में देरी को समाप्त करता है, और कैथोड विषाक्तता और कमी से प्रतिरक्षा करता है।
- बहुत छोटा आकार और वजन, उपकरण आकार को कम करना।
- एकल एकीकृत परिपथ के रूप में बड़ी संख्या में अत्यंत छोटे प्रतिरोधान्तरित्र का निर्माण किया जा सकता है।
- केवल कुछ कोशिकाओं की बैटरी के साथ संगत कम प्रचालन वोल्टता।
- अधिक ऊर्जा दक्षता वाले परिपथ आमतौर पर संभव होते हैं। विशेष रूप से कम-शक्ति अनुप्रयोगों (उदाहरण के लिए, वोल्टेज प्रवर्धन) के लिए, ऊर्जा की खपत नलिका की तुलना में बहुत कम हो सकती है।
- पूरक उपकरण उपलब्ध हैं, पूरक सहित अभिकल्पना लचीलापन प्रदान करते हैं
- यांत्रिक झटके और कंपन के प्रति बहुत कम संवेदनशीलता, शारीरिक कठोरता प्रदान करना और झटके से प्रेरित नकली संकेतों को वस्तुतः समाप्त करना (उदाहरण के लिए, ऑडियो अनुप्रयोगों में माइक्रोफ़ोनिक्स)।
- एक कांच के लिफाफे के टूटने, रिसाव, गैस निष्क्रमण और अन्य प्रकृति क्षति के लिए अतिसंवेदनशील नहीं है।
सीमाएँ
प्रतिरोधान्तरित्र की निम्नलिखित सीमाएँ हो सकती हैं:
- उनके पास निर्वात नलिका के निर्वात द्वारा वहन की जाने वाली उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता का अभाव है, जो उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति संचालन के लिए वांछनीय है - जैसे कि कुछ ओवर-द-एयर दूरदर्शन प्रेषित्र में उपयोग किया जाता है और यात्रा तरंग नलिका में प्रवर्धक के रूप में उपयोग किया जाता है।
- प्रतिरोधान्तरित्र और अन्य ठोस अवस्था उपकरण बहुत ही संक्षिप्त विद्युत और थर्मल घटनाओं से क्षति के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, जिसमें हैंडलिंग में इलेक्ट्रोस्टैटिक निर्वहन भी शामिल है। निर्वात नलिका विद्युत रूप से बहुत अधिक ऊबड़-खाबड़ होते हैं।
- वे विकिरण और ब्रह्मांडीय किरणों के प्रति संवेदनशील हैं (अंतरिक्ष यान उपकरणों के लिए विशेष विकिरण-कठोर चिप्स का उपयोग किया जाता है)।
- ऑडियो अनुप्रयोगों में, प्रतिरोधान्तरित्र में निचले-हार्मोनिक विरूपण की कमी होती है - तथाकथित नलिका ध्वनि - जो निर्वात नलिका की विशेषता है, और कुछ द्वारा पसंद की जाती है।[79]
प्रकार
वर्गीकरण
प्रतिरोधान्तरित्र द्वारा वर्गीकृत किया जाता है,
- संरचना: MOSFET (IGFET), BJT, JFET इंसुलेटेड-गेट द्विध्रुवी प्रतिरोधान्तरित्र (IGBT), अन्य प्रकार[which?]।
- अर्धचालक सामग्री (डोपेंट्स):
- मेटालोइड्स,जर्मेनियम (पहली बार 1947 में इस्तेमाल किया गया) और सिलिकॉन (पहली बार 1954 में इस्तेमाल किया गया) -इन अनाकार, पॉलीक्रिस्टलाइन और मोनोक्रिस्टलाइन रूप।
- यौगिक गैलियम आर्सेनाइड (1966) और सिलिकॉन कार्बाइड (1997)।
- मिश्र धातु सिलिकॉन-जर्मेनियम (1989)
- कार्बन ग्राफीन (2004 के बाद से चल रहे शोध) का आवंटन, आदि (अर्धचालक सामग्री देखें)।
- विद्युत ध्रुवीयता (सकारात्मक और नकारात्मक): NPN, PNP (BJTs), N-चैनल, P-चैनल (FETs)।
- अधिकतम पावर रेटिंग: कम,