কোয়ান্টাম পদার্থ বিজ্ঞান

আমরা সবাই কমবেশি LED চিনি। এবং ব্যবহার করে থাকি বিভিন্ন কাজে৷ LED চিনলেও আমরা অনেকেই জানিনা যে, এটা কি করে আলো তৈরী করে৷ আমি আজকে খুব সংক্ষেপে বুঝানোর চেস্টা করবো- LED এর আলো তৈরীর পিছনে কোয়ান্টাম ফিজিক্স কিভাবে কাজ করে ৷ LED কিঃ LED এর ফুল মিনিং Light Emitting Diode, এই নামের মাধ্যমে এর কার্যকলাপ অনেকটাই প্রকাশ পায়৷ অর্থাৎ আলোক বিচ্ছুরণ করতে পারে এমন ডায়োড। আমাদের পরিচিত LED লাইট ও আর দশটা ডায়োডের মতই। যা একটা P টাইপ এবং একটা N টাইপের অর্ধপরিবাহি চিপ দিয়ে গঠিত৷ আমরা অনেকেই হয়তো শুনেছি P টাইপ পদার্থে হোল (Hole - শূন্যতা) এবং ইলেকট্রনের মিলনে আলো তৈরী হয়৷ আসুন জেনে নেই কিভাবে এই হোল এবং ইলেকট্রনের মিলন ঘটে এবং আলো তৈরী হয় ৷ প্রথমে আসি P টাইপ পদার্থের গঠন নিয়েঃ P টাইপ পদার্থ হলো, হোল বহনকারি অর্ধপরিবাহী চিপ ৷ একটা সিলকন চিপের, Si কয়েক লক্ষ পরামানুর সাথে কয়েকটা তৃযোজি পরমানু (B, Al, Ga, In) মিশিয়ে P টাইপ বস্তু তৈরী করা হয়৷ আমরা জানি, Si যোজনি 4 যার কারনে এটি এর ল্যাটিসে অন্য পরমানুর সাথে চারটা ইলেকট্রন শেয়ার করে৷ যদি এর ল্যাটিসে Ga যোগ করা হয় তবে এটি তিনটা ইলেকট্রন শেয়ার করে এবং চারটা ইলেকট্রন অন্য চারটা Si থেকে নিয়ে এর সর্ববহিস্থ স্তরে মোট 7 টা ইলেকট্রন নিয়ে ল্যাটিস গঠন করে৷ P টাইপ পরমানুর অভ্যন্তরে কিন্তু আমরা অষ্টকতত্ত্ব অনুসরে জানি, প্রতিটা পরমানু এর সর্ববহিস্থ স্তরে 8 ইলেকট্রন নিয়ে স্থায়ি কাঠামো তৈরী করতে চায়৷ এখানে একটা Si ল্যাটিসে একটা Ga যুক্ত হওয়ার ফলে যে স্থানে একটা ইলেকট্রনের কম পরে সে স্থানকেই হোল বলা হয় ৷ এবং এই পুরো লেটিসটাকে P টাইপ ল্যাটিস বলা হয়৷ একটা P টাইপ ল্যাটিসে অনেক গুলা হোল থাকে। এবং ল্যাটিসটা সব সময় চায় অন্য কোথাও থেকে ইলেকট্রন নিয়ে তার হোল পুরোন করতে। এর ল্যাটিস স্থায়ি করতে৷ এবং আমরা জানি কোন ল্যাটিস স্থায়ি হলে সেটা শক্তি বিকিরন করে ৷ এবার আসি N টাইপ পদার্থের গঠন নিয়েঃ N টাইপ পদার্থ হলো,অতিরিক্ত ইলেকট্রন বহন কারি অর্ধপরিবাহী চিপ ৷ একটা সিলকন চিপের, Si কয়েক লক্ষ পরামানুর সাথে কয়েকটা পঞ্চযোজি পরমানু (N, P, As, Sb) মিশিয়ে N টাইপ সেমিকন্ডাক্টর N টাইপ সেমিকন্ডাক্টরের গঠন তৈরী করা হয়৷ আমরা আগেই বলেছি- Si যোজনি 4। যার কারনে এটি এর ল্যাটিসে অন্য পরমানুর সাথে চারটা ইলেকট্রন শেয়ার করে৷ যদি এর ল্যাটিসে As যোগ করা হয় তবে এটি পাঁচটা ইলেকট্রন শেয়ার করে এবং চারটা ইলেকট্রন অন্যচারটা Si থেকে নিয়ে এর সর্ববহিস্থ স্তরে মোট 9 টা ইলেকট্রন নিয়ে ল্যাটিস গঠন করতে চায়৷ কিন্তু আমরা অষ্টক তত্ব অনুসরে জানি, প্রতিটা পরমানু এর সর্ববহিস্থ স্তরে সাধরনত 8 এর বেশি ইলেকট্রন নিতে পারে না৷ তাই অতিরিক্ত ইলেকট্রনটা সব সময় ল্যাটিসে ঘুরে বেরায় ৷N টাইপ একটা ল্যাটিসে অনেকগুলো ইলেকট্রন থাকতে পারে৷ এটি সব সময় চায় ইলেকট্রন ছেড়ে দিতে৷ PN জাংশানঃ PN জাংশন P টাইপ ল্যাটিস ও N টাইপ ল্যাটিসের মিলিত স্থানকেই PN জাংশন বলে৷ বাস্তবে একটা সিলেকন ল্যাটিসের এক প্রান্তে Ga যোগ করে P টাইপ অন্য প্রান্তে As যোগ করে N টাইপ বানানো হয়৷ এবং N টাইপ অঞ্চলের বাড়তি ইলেকট্রনগুলো P টাইপ অঞ্চলে এসে হোল পূরণ করে বা Ga এর চার দিকে 8 টা ইলেকট্রন পূর্ণ করে ৷ কার্যপ্রণালীঃ যখন P টাইপে একটা ব্যাটারির পজিটিভ প্রান্ত এবং N টাইপে নেগেটিভ প্রান্ত দেওয়া হয়৷ তখন ব্যাটারির positive প্রান্ত P টাইপ অঞ্চাল থেকে হোল পূরণকারি ইলেকট্রন গুলো টেনে নিতে থাকে৷ যার ফলে হোলের সৃষ্টি হতে থাকে৷ এবং যখনই হোলের সৃষ্টি হয় তখনই আশ-পাশের N অঞ্চল থেকে ইলেকট্রন এসে ঐ হোল পূরণকরে এবং নিজ স্থানে হোলের সৃষ্টি করে৷ যেহেতু ব্যাটারির নেগেটিভ প্রান্ত N প্রান্তের সাথে যুক্ত৷ তাই হোল সৃষ্টি হওয়ার সাথে সাথে ব্যাটারির নেগেটিভ প্রান্ত থেকে ইলেকট্রন এসে ঐ হোল পূরণ করে৷ সম্পূর্ণ চিপে ইলেকট্রন গুলো হোল পূরণ করার জন্যে এক পরমানু থেকে অপর পরমানুতে যেতে থাকে। তখন যে পরমানু থেকে ইলেকট্রন গুলো অপর পরমানুতে যায় সেখানে হলের সৃষ্টি হতে থাকে। যার ফলে মনে হয়, সম্পুর্ন চিপে হোল ও ইলেকট্রনের মত চলমান, কিন্তু দিক বিপরীত ৷ এখন, একটা হোল বহন কারি পরমানু অন্য একটা পরমানু থেকে ইলেকট্রন নিয়ে ঠিক যখনই অষ্টক পুর্ন করে এবং অপর পরমানুতে হোলের সৃষ্টি হয় তখনই শক্তি আলোক রূপে বিকীর্ণ হয়৷ আলোক বিকিরণ প্রক্রিয়ার ব্যাখ্যাঃ পরমানুর ইলেকট্রন শক্তিতত্ব অনুসারে আমরা জানি- ইলেকট্রন যখন এক শক্তিস্থরে যায় শুধুমাত্র সে সময় ইলেকট্রন শক্তি বিকিরন বা শোষন করে৷ নিচের থেকে উপরের শক্তিস্তরে যাওয়ার সময় শক্তি শোষন করে। এবং উপরের থেকে নিচের শক্তিস্থরে নামলে শক্তি বিকিরণ করে৷ এই শক্তি, তরিৎ চুম্বকি ও আলোক শক্তি রূপে বিকীর্ণ হয়৷ এই তরিৎ চুম্বকিও বিকিরণের তরঙ্গ দৈঘ্য কে এভাবে প্রকাশ করা যায়- u(2ch³/π²me⁴)(n2²/n2²-n12) এখানে, c আলোর বেগ h প্লাংকের ধ্রুবক m ইলেকট্রনের ভর e ইলেকট্রনের চার্জ n2 পরমানুর উপরের স্তরের প্রধান কোয়ান্টম সংখ্যা n1 নিচের স্তরের প্রধান কোয়ন্টাম সংখ্যা একটি ইলেকট্রন এক শক্তিস্তর থেকে অপর শক্তিস্তরে গেলে যে শক্তি বিকিরণ করে বা শোষন করে তাকে ঐ শক্তিস্তর দ্বয়ের ইলেকট্রন ভোল্ট ডিফারেন্স- eV বলে৷ একটা অর্ধপরিবাহির জন্যে সর্ববহিস্থ শক্তিস্তর থেকে মুক্তশক্তি স্তরের শক্তিপার্থক্য 6 eV৷ তাই যখন একটা হোল পরমানু তার হোল পূরণের জন্যে একটা মুক্ত ইলেকট্রন তার সর্ববহিস্থ স্তরে নেয়। তখন শক্তি, তরিৎ চৌম্বক শক্তিরূপে নির্গত হয়৷ তাকে এভাবে প্রকাশ করা হয়- Ehf >eVhc/u >uhc/eV এখানে, E eV পরমানুর শক্তিস্তর দ্বয়ের শক্তি পার্থক্য, পার ইলেকট্রন f বিকিরনের ফ্রিকোয়েন্সি c বিকিরনের তরঙ্গ বেগ u তরঙ্গ দৈর্ঘ্য আর, ইলেকট্রনের সর্ববহিস্থ স্থর থেকে মুক্ত হতে যে পরিমান শক্তি লাগে সেটা বাইরের তরিৎ চালক বল থেকে পেয়ে থাকে৷ আর, এভাবেই LED এর অর্ধপরিবাহির পরমানুর শক্তি স্থরের উত্থান-পত্তনের মাধ্যমে এমন তরিৎ চৌম্বক বর্নালি তৈরী হয় যেটা আমরা দেখতে পাই বা এটাকেই আলো বলা হয়৷ নিচের চিত্র দেখলে আশাকরি বুঝতে আরো সহজ হবেঃ LED থেকে আলোক বিকিরণের পদ্ধতি সবাইকে অনেক ধন্যবাদ সময় নিয়ে এই দীর্ঘ লেখাটি পড়বার জন্য।

কোয়ান্টাম পদার্থ বিজ্ঞান

LED ও কোয়ান্টাম পদার্থ বিজ্ঞান