کیسے گیٹ وولٹیج MOSFET میں کرنٹ کے بہاؤ کو کنٹرول کرتی ہے

ماسفیٹس، وہ میٹل آکسائیڈ سیمی کنڈکٹر فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز جن کے بارے میں ہم سب جانتے ہیں، بنیادی طور پر چینل کے سراسر وولٹیج کو ایڈجسٹ کر کے بجلی کے بہاؤ کو کنٹرول کرتے ہیں۔ جب کوئی شخص اسے تھریش ہولڈ وولٹیج کہتے ہیں، عام طور پر معیاری سلیکان چپس کے لیے تقریباً 2 سے 4 وولٹ، تو گیٹ ٹرمینل پر کچھ دلچسپ ہوتا ہے۔ اس کے نتیجے میں ذریعہ اور ڈرین علاقوں کے درمیان ایک انورژن لیئر بنتی ہے جو الیکٹرانوں کو درحقیقت حرکت کرنے دیتی ہے۔ اب اس وقت جہاں چیزوں کو واقعی دلچسپ بنایا جا رہا ہے۔ اوپر موجود آکسائیڈ لیئر؟ حیرت انگیز طور پر، پیدا کرنے والے اسے اب انتہائی پتلی بنانے میں کامیاب ہو گئے ہیں، کبھی کبھی حالیہ ترین ٹیکنالوجی نوڈس میں صرف 1.2 نینومیٹر موٹائی تک۔ اور یہ اس لیے اہم ہے کیونکہ پتلی لیئرز کا مطلب ہے کہ ٹرانزسٹر تیزی سے حالت تبدیل کر سکتا ہے، لیکن اس کا ایک سودا بھی ہے۔ اتنی پتلی لیئرز کے ساتھ، ڈیوائس وولٹیج کی لہروں کے لیے زیادہ حساس ہو جاتی ہے، اس لیے انجینئرز کو ان وولٹیجز کو بالکل درست طریقے سے کنٹرول کرنے کے لیے خاص احتیاط برتنی پڑتی ہے۔

اعزازت اور ختم شدہ موڈ: کلیدی فرق اور استعمال کے مطابق معاملات

• اعزازت موڈ والے MOSFETs (جدید درخواستوں کا 90%) صفر گیٹ وولٹیج پر غیر موصل رہتے ہیں، جس کی وجہ سے وہ آٹوموٹو بیٹری ڈس کنکٹ جیسے حفاظتی نظام کے لیے موزوں ہوتے ہیں۔
• ختم شدہ موڈ کے ورژن معمول کے مطابق کنڈکٹ کرتے ہیں اور اینالاگ ایمپلی فائرز اور ہمیشہ چلنے والے پاور بفرز جیسی مخصوص درخواستوں میں استعمال ہوتے ہیں۔
  سیلیکون کاربائیڈ (SiC) MOSFETs نے صنعتی ہائی وولٹیج ڈرائیوز میں ختم شدہ موڈ کے استعمال کو وسیع کر دیا ہے کیونکہ ان کی حرارتی استحکام کی اندرونی خصوصیت ہوتی ہے۔

پاور الیکٹرانکس میں MOSFET ٹیکنالوجی کی ترقی

1980 کی دہائی کے پلانر ڈیزائنز سے لے کر آج کے ٹرینچ-گیٹ آرکیٹیکچرز تک، MOSFET RDS(on) میں 97% کی کمی آئی ہے (30V پر 100mΩ سے <3mΩ تک)، جس سے 98%- موثر DC/DC کنورٹرز کو کمپیکٹ بنانے کی اجازت ملی ہے۔ 300mm وافر پیداوار کی طرف منتقلی—قدیم 200mm کے مقابلے میں—نے 2015 اور 2023 کے درمیان ڈائی کی لاگت میں 40% کی کمی کی جبکہ پاور ڈینسٹی کو دوگنا کر دیا۔

بہتر کنٹرول کے لیے اسمارٹ گیٹ ڈرائیورز کا انضمام

جدید ماس فیٹس کو ایڈاپٹو سلیو ریٹ کنٹرول (1–50V/ns ایڈجسٹمنٹ)، حقیقی وقت کے حرارتی معاوضہ (-2mV/°C بایس تصیح) اور شارٹ سرکٹ تشخیص (<100ns ردعمل) کے ساتھ ذہین گیٹ ڈرائیوز کے ساتھ جوڑا گیا ہے۔ صنعتی معیارات کے مطابق، اس انضمام سے 1MHz باک کنورٹرز میں الگ حل کے مقابلے میں سوئچنگ نقصانات میں 22 فیصد کمی واقع ہوتی ہے۔

بیٹری مینجمنٹ سسٹمز اور ڈی سی/ڈی سی تبدیلی میں ماس فیٹس

بی ایم ایس میں سیل بالنسنگ اور زیادہ کرنٹ حفاظت کے لیے پاور ماس فیٹس

آج کی بیٹری مینجمنٹ سسٹمز خلیات کے درمیان وولٹیج کے عدم توازن کو دور کرنے اور خطرناک حرارتی بے قابوگی کی صورتحال کو روکنے کے لیے MOSFET ٹیکنالوجی پر انحصار کرتی ہیں۔ جب چارجنگ ہوتی ہے، تو یہ پاور MOSFET دراصل سسٹم کے ذریعے بجلی کے بہاؤ کو تبدیل کر دیتے ہیں، جس سے لیتھیم آئن پیک کے تمام خلیات میں بہتر توازن حاصل ہوتا ہے۔ 2023 میں پونمون کی تحقیق کے مطابق، اس فعال توازن کے طریقہ کار کی وجہ سے بیٹری کی زندگی میں تقریباً 20% تک اضافہ ہوتا ہے، جو صرف منفعل طریقے سے توازن کرنے کے مقابلے میں کہیں زیادہ ہے۔ اور اگر بہت زیادہ کرنٹ بہنے کی صورت میں کوئی خرابی آ جائے، تو MOSFET مائیکرو سیکنڈ کی سطح پر تقریباً فوری طور پر کام کر کے 150% کے قریب کرنٹ پہنچتے ہی چیزوں کو بند کر دیتے ہیں۔ یہ تیز ردعمل نہ صرف انفرادی خلیات کی حفاظت کرتا ہے بلکہ الیکٹرانک اجزاء کو نقصان سے محفوظ رکھتا ہے۔

کیس اسٹڈی: الیکٹرک وہیکلز کے لیے لیتھیم آئن بیٹری پیکس میں MOSFETs

2023 میں ٹاپ الیکٹرک وہیکل بیٹری پیکس کے اندر جو کچھ ہے اس پر نظر ڈالنے سے پتہ چلتا ہے کہ ہر 100 کلوواٹ آور مoduleول میں تقریباً 48 ماس فیٹ (MOSFET) آلات لگے ہوتے ہیں۔ یہ اجزاء نظام کو حفاظت کے ساتھ چلانے کے لیے تیار کرنے سے لے کر ضرورت پڑنے پر ایمرجنسی میں بجلی کاٹنے تک ہر چیز کو سنبھالتے ہیں۔ انجینئرنگ ٹیموں نے دو این-چینل ماس فیٹس (N-channel MOSFETs) کو باہم ساتھ کام کرتے ہوئے عقلمندی سے ترتیب دے کر توانائی کے نقصان میں تقریباً 12 فیصد کمی کر دی۔ انہوں نے خودکار نظاموں کے لیے حفاظتی معیارات کو انتہائی سطح (ASIL-D) پر برقرار رکھا۔ اور ایک اور بہتری بھی آئی: گیٹ ڈرائیوز کی بہتر یکجا کاری نے تیزی سے ایکسلریشن کے دوران ڈرائیورز کے گیس دبانے پر سوئچنگ کے نقصان میں تقریباً 30 فیصد تک کمی کر دی۔ یہ اس لیے اہم ہے کیونکہ اس کا براہ راست اثر حقیقی دنیا کی حالتوں میں ان گاڑیوں کی کارکردگی کی موثرتا پر پڑتا ہے۔

بجلی کی فراہمی کے لیے متوازی تنظیم (Synchronous Rectification) میں ماس فیٹس (MOSFETs) کا کردار

ایسی سی/ڈی سی کنورٹرز کے حوالے سے، روایتی ڈائیوڈس کی جگہ ماس فیٹس (MOSFETs) کے استعمال سے تقریباً 15 فیصد بجلی کو ضائع ہونے سے بچایا جا سکتا ہے۔ 1 کلوواٹ سرور پاور سپلائیز پر کیے گئے کچھ تجربات نے اس اثر کو واضح طور پر دکھایا - مکمل صلاحیت پر چلنے کے دوران کارکردگی 92 فیصد سے بڑھ کر 97 فیصد تک پہنچ گئی۔ اس کا مطلب ہے کہ صرف ایک ریک کو اپ گریڈ کرنے سے ہر سال تقریباً 500 کلوواٹ آوار بچت ہوتی ہے۔ تازہ ترین ڈیزائنز اب اور بھی ذہین ہو رہے ہیں جو ماس فیٹس کو انتہائی کم مزاحمت والی قیمتوں (کبھی کبھی 2 ملی اوہم سے بھی کم) کے ساتھ ساتھ چالاک گیٹ ٹائمِنگ کی حکمت عملیوں کے ساتھ جوڑتے ہیں۔ یہ امتزاج 1 میگا ہرٹز کی رفتار سے زیادہ فریکوئنسی سوئچنگ کی اجازت دیتا ہے اور اس کے باوجود چیزوں کو گرم ہونے کے مسائل کے بغیر برداشت کرنے کے لیے کافی ٹھنڈا رکھتا ہے۔

کم RDS(on) اور سوئچنگ کی بہتری کے ذریعے کارکردگی کو ب maximal بنانا

بالکل کم RDS(on) والے ماس فیٹس کے ذریعے موصلیت کے نقصانات کو کم کرنا

ماس فیٹس میں موصلیت کے نقصانات P = I² × RDS(on) جدید آلات بلند کرنٹ والے استعمال میں 1mΩ سے کم RDS(on) حاصل کر لیتے ہیں، جو پچھلی نسل کے مقابلے میں ضائع ہونے والی توانائی کو 60% تک کم کر دیتا ہے (Ponemon 2023)۔ کاپر کلپ بانڈنگ اور دیگر جدید پیکجینگ طریقے ان انتہائی کم مزاحمت کو حاصل کرتے وقت قیمت کو مناسب رکھنے میں مدد کرتے ہیں۔

کیس اسٹڈی: زیادہ موثر سرور پاور سپلائیز میں 5mΩ سے کم MOSFETs

48V سرور پاور سپلائیز میں نافذ کردہ نظام نے 3.8mΩ RDS(on) کے ساتھ متوازی طور پر جڑے ہوئے MOSFETs کا استعمال کرتے ہوئے 98.2% عروج کی کارکردگی ظاہر کی۔ اس ترتیب نے روایتی 10mΩ حل کے مقابلے میں حرارتی دباؤ کو 35% تک کم کر دیا، جس نے بغیر مائع کولنگ کے 30% زیادہ پاور کثافت کی اجازت دی۔

گیٹ چارج (Qg) سوئچنگ کی رفتار اور توانائی کے نقصان کو کیسے متاثر کرتا ہے

گیٹ چارج (Qg) یہ طے کرتا ہے کہ MOSFET کتنی جلدی حالت تبدیل کرتا ہے؛ کم Qg تیز تر منتقلی کو ممکن بناتا ہے۔ تاہم، Qg کو کم کرنا اکثر RDS(on) میں اضافہ کرتا ہے۔ اس کے درمیان کا توازن سوئچنگ نقصان کے ایک مساوات کے ذریعے ناپا جاتا ہے:

Switching Loss = 0.5 × Qg × Vgs² × fsw

جہاں fsw سوئچنگ فریکوئنسی ہے۔

Qg × RDS(on) معیارِ کارائش کا استعمال کرتے ہوئے کارکردگی کی بہتری

MOSFET کی کارکردگی کا جائزہ لیتے وقت، Qg کو RDS(on) قیمت سے ضرب دینا ایک اہم معیاری پیمانہ کے طور پر کام کرتا ہے۔ وہ اجزاء جن کی قدر 100nC گنا ملی اوہم سے کم ہوتی ہے، عام طور پر تقریباً 500 کلوہرٹز کی تعدد پر چلنے کی حالت میں 1 فیصد سے کم نقصان ظاہر کرتے ہیں، جس کی وجہ سے یہ اجزاء خاص طور پر زیادہ رفتار والی DC سے DC تبدیلی کے کاموں کے لیے مناسب ہوتے ہیں۔ یہ فائدہ صرف ایک پہلو پر توجہ مرکوز کرنے کے بجائے دونوں پیرامیٹرز کا توازن برقرار رکھنے سے حاصل ہوتا ہے۔ ایسے متوازن اجزاء استعمال کرنے والے نظام دوسرے اجزاء کے مقابلے میں تقریباً 5 فیصد زیادہ موثر طریقے سے چلتے ہیں جہاں تیار کنندہ صرف گیٹ چارج یا مزاحمت کو علیحدہ طور پر ترجیح دیتے ہیں۔

زیادہ طاقت والے MOSFET اطلاقات میں حرارتی انتظام اور قابل اعتمادی

زیادہ کرنٹ والی ڈیزائنز میں RDS(on) سے حرارت پیدا ہونے کا انتظام

طاقت کا ضیاع اس طرح ہوتا ہے P = I² × RDS(on) لہٰذا زیادہ کرنٹ والے ڈیزائن میں آن-مُقاومت کو کم کرنا نہایت ضروری ہے۔ سیمی کنڈکٹر انڈسٹری ایسوسی ایشن کی ایک مطالعہ (2023) کے مطابق، الیکٹرانک خرابیوں کا 55% غیر موزوں حرارتی انتظام کی وجہ سے ہوتا ہے۔ جدید MOSFETs جن کا RDS(on) 1mΩ سے کم ہو، پچھلی نسل کے آلات کے مقابلے میں EV بیٹری سسٹمز میں ترسیل کے نقصانات کو 40% تک کم کر دیتے ہیں۔

جینکشن کے درجہ حرارت کا MOSFET کی لمبی عمر اور حفاظت پر اثر

175°C زیادہ سے زیادہ جینکشن درجہ حرارت سے تجاوز کر کے چلانے سے گیٹ آکسائیڈ کی خرابی تیز ہو جاتی ہے، جس سے ہر 10°C اضافے پر عمر 30–40% تک کم ہو جاتی ہے۔ حرارتی ماڈلنگ ظاہر کرتی ہے کہ مناسب ہیٹ سنک استعمال کرنے سے 100A مسلسل آپریشن کے دوران جینکشن کا درجہ حرارت 125°C سے کم رکھا جا سکتا ہے، جس سے صنعتی موٹر ڈرائیوز میں آلے کی عمر 100,000 گھنٹوں سے زائد تک بڑھ جاتی ہے۔

حرارت کو منتشر کرنے کو بہتر بنانے کے لیے PCB لاگو کنیکیاں

ٹینکنک	حرارتی بہتری	لاگت کا اثر
2oz کاپر لیئرز	حرارت کو پھیلانے میں 25% بہتر	+15% PCB کی قیمت
حرارتی وائیز	درجہ حرارت میں 18°C کمی	+0.02 فی ویا
ظاہر پیڈز	θJA میں 35% کمی	ری فلو بہترین کارکردگی کی ضرورت ہوتی ہے

ہوا بمقابلہ مائع نِفاذ: گھنے پاور سسٹمز کے لیے کمیشن اور زیادتی

فورسڈ ایئر کولنگ سرور پاور سپلائیز میں 75W/cm² تک کی حمایت کرتی ہے، جبکہ براہ راست مائع کولنگ سسٹم کی پیچیدگی میں 40% اضافے کے عوض 200W/cm² سنبھالتی ہے۔ فیز چینج مواد ٹیلی کام کے استعمال میں ابھر رہے ہیں، جو 30 منٹ کے لوڈ اسپائیک کے دوران MOSFET کیس کے درجہ حرارت کو ماحول کے مقابلے میں صرف 5°C کے اندر رکھتے ہیں۔

مستقبل کے رجحانات: وائیڈ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز اور اگلی نسل کا پاور مینجمنٹ

روایتی سلیکون MOSFETs پر SiC اور GaN کے فوائد

سیلیکان کاربائیڈ (SiC) اور گیلیم نائٹرائیڈ (GaN) جیسے وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز کی نئی نسل متعدد اہم شعبوں میں روایتی سیلیکون MOSFETs پر بھاری ہے۔ یہ بہتر کارکردگی فراہم کرتے ہیں، کہیں تیز رفتار سوئچنگ کی صلاحیت رکھتے ہیں، اور حرارت کو پرانی ٹیکنالوجی کے مقابلے میں کہیں بہتر طریقے سے برداشت کر سکتے ہیں۔ سیلیکان کاربائیڈ خاص طور پر اس لیے نمایاں ہے کیونکہ یہ سیلیکون کے مقابلے میں تقریباً دس گنا زیادہ طاقتور برقی میدان برداشت کر سکتا ہے، جس کا مطلب یہ ہے کہ تیار کنندہ ڈرِفٹ لیئر کو پتلی بنانے کے قابل ہوتے ہیں۔ ایک رپورٹ کے مطابق جو 2023 میں 'فیوچر مارکیٹ ان سائٹس' کی جانب سے جاری کی گئی تھی، اس سے زیادہ وولٹیج کے معاملات میں مزاحمت تقریباً 40 فیصد تک کم ہو جاتی ہے۔ گیلیم نائٹرائیڈ کا ایک اور فائدہ یہ بھی ہے کہ اس کے الیکٹران اتنی تیزی سے حرکت کرتے ہیں کہ یہ 10 MHz سے زیادہ فریکوئنسی پر سوئچ ہو سکتے ہیں، جس کی وجہ سے ان بڑے غیر فعال اجزاء کی ضرورت ختم ہو جاتی ہے۔ صنعت کے تجزیہ کاروں کی نظر آگے کی طرف ہے اور وہ تخمینہ لگا رہے ہیں کہ 2030 تک تقریباً دو تہائی برقی گاڑیوں کے پاور سسٹمز ان ترقی یافتہ مواد کا استعمال کر رہے ہوں گے، کیونکہ یہ 200 درجہ سیلسیس سے زیادہ درجہ حرارت پر بھی قابل اعتماد طریقے سے کام کرتے ہیں۔

کیس اسٹڈی: سولر انورٹرز میں سی سی موسمفیٹس کی مدد سے 99% سے زائد کارکردگی حاصل کرنا

میدانی تجربات سے پتہ چلا ہے کہ سلیکون کاربائیڈ موسمفیٹس سولر انورٹرز کی کارکردگی کو 99 فیصد سے آگے بڑھا سکتے ہیں، جو روایتی سلیکون اجزاء کے مقابلے میں تقریباً 3 فیصد زیادہ ہے۔ مثال کے طور پر ایک معیاری 12 کلو واٹ کمرشل سسٹم لیجئے، سی سی ٹیکنالوجی تقریباً آدھے سوئچنگ نقصانات کو کم کر دیتی ہے، جس کا مطلب یہ ہے کہ کمپنیاں تقریباً 30 فیصد کم جگہ والے ہیٹ سنکس استعمال کر سکتی ہیں اور پھر بھی مانگ میں اتار چڑھاؤ کے باوجود تقریباً 98.7 فیصد کارکردگی برقرار رکھ سکتی ہیں۔ حال ہی میں 2024 کی ایک تحقیقی کاغذ کے مطابق، ان بہتریوں کا مطلب یہ ہے کہ سولر فارمز ہر سال تقریباً 18 فیصد زیادہ بجلی حاصل کرتے ہیں، جو یقیناً سبز توانائی کے منصوبوں میں ابتدائی سرمایہ کی واپسی کی رفتار کو تیز کر دیتا ہے۔ کتنی تکنیکی چیز ہونے کے باوجود یہ کتنا اچھا ہے!

ہائبرڈ ماڈیولز اور وائیڈ بینڈ گیپ کے ا adoption کے لیے قیمتی طریقے

طاقت کی الیکٹرانکس کے حوالے سے، وہ ہائبرڈ ماڈیول جو SiC اور GaN چپس کو روایتی سلیکان ڈائیوڈز یا IGBTs کے ساتھ ملاتے ہیں، قیمت اور کارکردگی کے درمیان ایک عقلمند درمیانی راستہ فراہم کرتے ہیں۔ ان ترکیبوں سے پورے نظام کی لاگت میں 24 فیصد سے لے کر تقریباً 40 فیصد تک کمی آسکتی ہے، جبکہ اس کے باوجود بھی وہ زیادہ تر فوائد حاصل کیے جا سکتے ہیں جو ان جدید مواد کو اتنے پرکشش بناتے ہیں۔ آج کل ہم ان ماڈیولز کو گھریلو EV چارجنگ اسٹیشنز، بڑے صنعتی موٹر سسٹمز، اور بجلی کے جال سے منسلک وسیع بیٹری اسٹوریج سہولیات سمیت مختلف جگہوں پر دیکھ رہے ہیں۔ ان ترتیبات کی وہ خاص بات جو نمایاں ہے وہ یہ ہے کہ پرانی ٹیکنالوجیز کے مقابلے میں انہیں کتنی کم تعداد میں تبريد کی ضرورت ہوتی ہے۔ تقریباً 100 میگاواٹ پر چلنے والے بڑے پیمانے کے آپریشنز کے لیے، اس کا مطلب صرف تبريد پر ہر سال تقریباً سات لاکھ چالیس ہزار ڈالر کی بچت ہوتا ہے، جو وقت کے ساتھ ساتھ کافی حد تک جمع ہو جاتی ہے۔

اکثر پوچھے گئے سوالات

• طاقت کی الیکٹرانکس میں MOSFETs کے استعمال کے بنیادی فوائد کیا ہیں؟
  MOSFETs کم ترسیل کے نقصانات، تیز سوئچنگ کی رفتار اور زیادہ کارکردگی فراہم کرتے ہیں۔ وہ خاص طور پر ڈی سی/ڈی سی کنورٹرز جیسی زیادہ فریکوئنسی والی ایپلی کیشنز میں موثر ثابت ہوتے ہیں۔
• باتھری مینجمنٹ سسٹمز میں MOSFETs کا کیا کردار ہوتا ہے؟
  MOSFETs سیل وولٹیجز کو متوازن کرنے اور زیادہ کرنٹ سے حفاظت فراہم کرنے میں مدد کرتے ہیں، جس سے حفاظت یقینی بنائی جا سکے اور بیٹری کی عمر بڑھائی جا سکے۔
• مستقبل کے پاور مینجمنٹ میں وائیڈ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز کی اہمیت کیوں ہے؟
  SiC اور GaN جیسے وائیڈ بینڈ گیپ مواد روایتی سلیکون کے مقابلے میں قابلِ ذکر کارکردگی میں بہتری اور حرارتی انتظام میں فائدہ فراہم کرتے ہیں۔