شوتکی ڈایودس 50 فیصد زیادہ سوئچنگ کی مؤثریت کیسے ممکن بناتے ہیں

جدید الیکٹرانکس میں طاقت کی مؤثریت کے لیے بڑھتی ہوئی طلب

موجودہ دور کے تقریباً ہر صنعتی شعبے میں جدید الیکٹرانکس کے لیے طاقت کی موثریت ایک اہم مرکز بن چکی ہے۔ غور کریں: اسمارٹ فونز کو ایسی بیٹریز کی ضرورت ہوتی ہیں جو پورا دن چلیں، ڈیٹا سینٹرز مہنگے کولنگ بلز کو کم کرنے کے طریقے تلاش کرتے رہتے ہیں، اور برقی گاڑیوں کو اپنے محدود چارج کو پہلے سے کہیں بہتر طریقے سے منظم کرنا ہوتا ہے۔ تمام اس چیز کی وجہ سے انجینئرز پر طاقت کے سرکٹس میں ان پریشان کن سوئچنگ نقصانات کو کم کرنے کا حقیقی دباؤ ہے۔ روایتی PN ڈائیوڈز اب کام نہیں آتے کیونکہ ان میں اندرونی مسائل ہوتے ہیں۔ جب وہ کرنٹ کی حالت میں ہوتے ہیں تو تقریباً 0.7 وولٹ گراوٹ کا شکار ہوتے ہیں اور بالکل بند ہونے میں اضافی وقت لیتے ہیں، جس سے قیمتی توانائی ضائع ہوتی ہے۔ 2023 کی آئی ای اے رپورٹ کے مطابق عالمی سطح پر الیکٹرانک طاقت پر تقریباً 500 ارب ڈالر سالانہ خرچ ہو رہے ہیں، اس لیے موثریت میں چھوٹی بہتری بھی وقتاً فوقتاً بڑی اور چھوٹی دونوں قسم کی کمپنیوں کے لیے بہت بڑی بچت کا باعث بن سکتی ہے۔

بنیادی اصول: منفرد شاٹکی ڈائیوڈ کی ساخت اور یونی پولر آپریشن

شوتکی ڈایودز اپنی دھات نیم موصل جوڑ کی تعمیر کے ذریعے بہترین کارکردگی حاصل کرتے ہیں۔ پی این ڈایودز کے برعکس جہاں الیکٹران-خرابی دوبارہ ملنے کی وجہ سے تاخیر ہوتی ہے، شوتکی ڈیوائسز صرف اکثریت والے کیریئرز (الیکٹرانز) کا استعمال کرتے ہوئے یونی پولر کنڈکشن کے ذریعے کام کرتی ہیں۔ اس سے اقلیتی کیریئر کے اسٹوریج کا وقت ختم ہو جاتا ہے، جس کی وجہ سے مندرجہ ذیل فوائد حاصل ہوتے ہیں:

• آگے کی سمت وولٹیج میں 0.15V سے 0.45V تک کمی
• تقریباً فوری سوئچنگ ٹرانزیشن
• چلانے کے دوران کم سے کم حرارت پیدا ہونا
  خالص تہہ کی عدم موجودگی شوتکی رکاوٹ کے پار براہ راست کیریئر ٹرانسپورٹ کی اجازت دیتی ہے، جس سے سلیکان ڈایودز کے مقابلے میں کنڈکشن نقصانات میں 70% تک کمی آتی ہے (آئی ای ای ای ٹرانزیکشنز 2022)۔

حقیقی دنیا کا اثر: ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز پر کیس اسٹڈی جس میں 50% تک کارکردگی میں اضافہ ہوا

سرور پاور سپلائی کے لیے ڈی سی-ڈی سی بک کنورٹرز میں معیاری ڈایودز کی جگہ شوتکی ورژن استعمال کرنے سے قابلِ ناپ فوائد حاصل ہوتے ہیں۔ 12V سے 5V تبدیلی والے ماڈیولز کے موازنہ پر 2023 میں کیے گئے ایک ٹیسٹ میں ظاہر ہوا کہ:

میٹرک	معیاری دیود	شاتکی ڈائیوڈ	ترقی
پاور کا نقصان	3.2W	1.6W	50%
سوئچنگ تاخیر	35ns	<2ns	94%
اعلیٰ درجہ حرارت	78°C	62°C	16°C

یہ چھلانگ شاٹکی ڈایودز کے تقریباً صفر الٹی بازیابی وقت اور کم V کی بدولت ہے _ت ، جس سے سوئچنگ کے نقصانات میں نمایاں کمی کے ساتھ زیادہ فریکوئنسی پر آپریشن ممکن ہوتا ہے۔ نتیجے میں توانائی کی بچت 10,000 سرورز کی تنصیب کے لحاظ سے سالانہ 740 ہزار ڈالر کی قیمت میں کمی کے برابر ہے (پونیمن 2023)، جو پائیدار طاقت کے ڈیزائن میں ان کے کردار کی تصدیق کرتا ہے۔

کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ اور کم ترسیلی نقصانات

شاٹکی ڈایودز میں کم Vf کے فائدے کو سمجھنا

شوتکی ڈایودز عام سلیکان ڈایودز کے مقابلے میں بہت کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ رکھتے ہیں۔ وی ایف عام طور پر 0.15 سے 0.45 وولٹ کے درمیان ہوتا ہے، جبکہ سلیکان ڈایودز میں عام طور پر 0.7 وولٹ دیکھا جاتا ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ وہ دھات اور سیمی کنڈکٹر مواد کے درمیان جنکشن پر مختلف طریقے سے کام کرتے ہیں، اور صرف ایک قسم کے چارج کیریئر کے ساتھ کام کرتے ہیں۔ جب 48 وولٹ کو 12 وولٹ میں تبدیل کرنے والے طاقتور نظاموں سے نمٹنا ہوتا ہے، تو ان کم وولٹیجز کا مطلب یہ ہوتا ہے کہ آپریشن کے دوران کم توانائی ضائع ہوتی ہے۔ ریاضی بھی بہت آسان ہے: پی لو = کرنٹ × وولٹیج ڈراپ۔ اس پر اعداد و شمار لاگو کریں: دس ایمپیئر کے لوڈ کو سنبھالتے وقت معیاری سلیکان اجزاء کو شوتکی کے ساتھ تبدیل کرنے سے ریکٹیفیکیشن کے نقصانات سات واٹ سے کم ہو کر تین واٹ تک آ جاتے ہیں۔ یہ بہت زیادہ نہیں لگتا جب تک آپ کو احساس نہ ہو کہ اس سے پورے نظام کی کارکردگی میں تقریباً دو اعشاریہ پانچ فیصد کا اضافہ ہوتا ہے۔ چھوٹے فوائد جیسے یہ حقیقی دنیا کے استعمال میں بہت اہمیت رکھتے ہیں جہاں ہر ذرہ بیٹری کے لمبے وقت تک چلنے اور کم حرارت کے لحاظ سے کام کرنے میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔

پاور کنورژن سرکٹس میں کنڈکشن نقصانات کو کم کرنا

ولٹیج اور کرنٹ کے درمیان تقریباً سیدھی لکیر والے تعلق کا مطلب ہے کہ درجہ حرارت تبدیل ہونے کے باوجود ان اجزاء کی کارکردگی مستحکم رہتی ہے۔ بک کنورٹرز یا وولٹیج ریگولیٹرز میں انہیں استعمال کرنا واقعی مددگار ثابت ہوتا ہے کیونکہ ان کا کم فارورڈ وولٹیج وولٹیج ڈراپ کو کم کرتا ہے اور وہ توانائی بچاتا ہے جو ورنہ ضائع ہو جاتی۔ بڑے کرنٹس کو سنبھالنے والے سسٹمز کے لیے، طاقت کے سیمی کنڈکٹرز کی تحقیق کے مطابق، تقریباً 10% تک VF کو کم کرنا درحقیقت تقریباً 15% تک کنڈکشن نقصانات میں کمی کا باعث بنتا ہے۔ یہ بہتری گہنی پاور ڈیزائن کی اجازت دیتی ہے، وقت کے ساتھ سسٹم کی قابل اعتمادیت میں اضافہ کرتی ہے، اور ان مشکل توانائی کی موثر ضروریات کو پورا کرتی ہے جن کا سامنا آج بہت سے صنعتوں کو ہے۔

تیز سوئچنگ کی کارکردگی کے لیے تقریباً صفر ریورس ریکوری ٹائم

سوئچ ماڈ پاور سپلائز (SMPS) میں ٹرانزیشن نقصانات کا خاتمہ

شوتکی ڈایود وہ پریشان کن منورٹی کیریئر اسٹوریج چارجز ختم کر دیتے ہیں جو بنیادی طور پر عام پی این جنکشن ڈایود کے لیے بڑی پریشانی کا باعث ہوتے ہی ں، جس کی وجہ سے ان میں تقریباً صفر ریورس ریکوری ٹائم ہوتا ہے۔ اس وجہ سے وہ ایس ایم پی ایس سرکٹس میں قطبیت تبدیل ہونے کی صورت میں سوئچنگ اطلاقات کے لیے بہترین ہوتے ہیں۔ جب پاور سوئچ بند ہوتا ہے، تو یہ ڈایود فوری طور پر ریورس کرنٹ کو بغیر کسی تاخیر کے روک دیتے ہیں۔ اس سے تکلیف دہ وولٹیج اسپائکس کو روکنے میں مدد ملتی ہے اور ہائی فریکوئنسی ڈی سی سے ڈی سی کنورٹرز میں سوئچنگ نقصانات تقریباً 40 فیصد تک کم ہو جاتے ہیں۔ شوتکی ڈایود استعمال کرنے والے سسٹمز عموماً کم گرم چلتے ہیں اور مجموعی طور پر بہتر کام کرتے ہیں۔ بہت سے انجینئرز نے سالوں میں اپنی ڈیزائن میں اس بہتری کو محسوس کیا ہے۔

شوٹکی اور پی این جنکشن ڈایود: ہائی فریکوئنسی اطلاقات میں برتر رفتار

پی این ڈائیوڈس آپریشن کے دوران ذخیرہ شدہ چارجز سے نمٹنے میں زیادہ وقت لیتے ہیں، جبکہ شاکی ڈائیوڈز تیز الیکٹران حرکت پر انحصار کرتے ہوئے مختلف طریقے سے کام کرتے ہیں۔ اس سے بہت تیز ٹرانزیشن ممکن ہوتے ہیں، کبھی کبھی 100 کلو ہرٹز سے بھی آگے بڑھ جاتے ہیں بغیر وصولی کے دوران توانائی کے ان تنگ کرنے والے نقصانات کے۔ تقریباً 50 کلو ہرٹز پر چلنے کے دوران، عام پی این ڈائیوڈس اس ریورس ریکوری کی وجہ سے دراصل 5 سے 10 فیصد تک توانائی ضائع کر دیتے ہیں۔ اس کے برعکس، شاکی ورژن انہی فریکوئنسیز پر بھی 95 فیصد سے زیادہ کارکردگی برقرار رکھتے ہیں۔ چونکہ یہ بہت تیزی سے ردعمل ظاہر کرتے ہیں، اس لیے یہ سرورز کے لیے پاور سپلائی اور برقی گاڑیوں کے لیے چارجنگ اسٹیشنز میں ضروری اجزاء بن گئے ہیں جہاں فریکوئنسیاں اکثر 200 کلو ہرٹز سے تجاوز کر جاتی ہیں۔ اعلیٰ فریکوئنسی آپریشنز کے ساتھ نمٹتے وقت رفتار کا فرق واقعی اہمیت رکھتا ہے۔

طاقت کے لحاظ سے حساس اور قابلِ حمل الیکٹرانکس میں اہم درخواستیں

شاکی ڈائیوڈس کے ساتھ بیٹری سے چلنے والی اشیاء اور ایس ایم پی ایس کی بہترین کارکردگی حاصل کرنا

شافٹکی ڈایودز واقعی ان آلات میں کارکردگی کو بڑھا دیتے ہیں جو بجلی کی خرچ پر توجہ دیتے ہیں، کیونکہ ان میں آگے کی سمت وولٹیج کا کم گرنے کا تناسب اور تقریباً کوئی ریورس ریکوری ٹائم نہیں ہوتا۔ جب ہم اسمارٹ واچز یا ماحولیاتی سینسرز جیسی چیزوں پر غور کرتے ہیں، تو یہ ڈایود طاقت کو تبدیل کرتے وقت ضائع ہونے والی توانائی کو کم کر دیتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ بیٹریوں کو دوبارہ چارج کرنے کے درمیان زیادہ دیر تک چلنے کی صلاحیت ہوتی ہے۔ ان چھوٹے فون چارجرز اور سوئچ موڈ پاور سپلائیز کو مثال کے طور پر لیں۔ چونکہ شافٹکی ڈایودز مائنارٹی کیریئرز کو ذخیرہ نہیں کرتے، اس لیے زیادہ فریکوئنسی پر تیزی سے سوئچنگ کے دوران کم توانائی ضائع ہوتی ہے۔ اس کے نتیجے میں زیادہ سے زیادہ کارکردگی حاصل ہوتی ہے اور مجموعی طور پر کم حرارت پیدا ہوتی ہے۔ یہ فائدہ ان مصنوعات کے لیے بہت بڑا ہے جہاں جگہ کا سب سے زیادہ اہمیت ہوتی ہے۔ روایتی اجزاء اتنی تنگ جگہوں میں حرارت کو منتشر کرنے کی ضروریات کو پورا نہیں کر سکتے، جس کی وجہ سے جدید مختصر الیکٹرانکس ڈیزائن میں شافٹکی ڈایودز عملی طور پر ناقابلِ تبدیل بن جاتے ہیں۔

اگلی نسل کے مواد: سلیکون کاربائیڈ (SiC) شافٹکی ڈایودز

شدید کارکردگی اور حرارتی کارکردگی کے لیے سی سی سی شاٹکی ڈائیوڈس کے استعمال میں اضافہ

سیلیکان کاربائیڈ (SiC) شاٹکی ڈایودز روایتی سلیکان متبادل کے مقابلے میں کچھ اہم فوائد پیش کرتے ہیں۔ مواد کا وسیع بینڈ گیپ بہت زیادہ بریک ڈاؤن وولٹیجز کی اجازت دیتا ہے، جو کہ بہت سے معاملات میں تقریباً 1700 وولٹ تک پہنچ جاتا ہے۔ نیز، ان اجزاء کی بہترین حرارتی تعدد کی خصوصیات کی بدولت یہ حرارت کو بہت اچھی طرح سہن کر سکتے ہیں، اس لیے یہ 200 ڈگری سیلسیئس سے زیادہ درجہ حرارت میں بھی چلتے رہ سکتے ہیں۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ انجینئرز کو کمپیکٹ پاور الیکٹرانکس ڈیزائن میں پیچیدہ کولنگ سسٹمز کے بارے میں فکر کرنے کی ضرورت نہیں ہوتی۔ تاہم، SiC کو واقعی منفرد بنانے والی بات یہ ہے کہ اس کا تقریباً غیر موجودہ ریورس ریکوری ٹائم۔ اعلیٰ فریکوئنسی پر سوئچ کرتے وقت، یہ خصوصیت ان پریشان کن توانائی کے نقصانات کو کم کر دیتی ہے جو روایتی ڈایودز میں عام ہوتے ہیں۔ اسی وجہ سے ہم دیکھ رہے ہیں کہ زیادہ سے زیادہ مینوفیکچررز الیکٹرک وہیکل چارجنگ سسٹمز اور فیکٹری آٹومیشن آلات جیسی چیزوں کے لیے SiC ٹیکنالوجی کی طرف رجوع کر رہے ہیں، جہاں بچت کی ہر تھوڑی بہت کارکردگی کاروبار کے لیے حقیقی رقم کے برابر ہوتی ہے۔

مستقبلی بجلی کے نظام میں جدید شاٹکی ڈائیوڈس کا اسٹریٹجک انضمام

جدید بجلی کے نظام آجکل MOSFETs کے ساتھ ہی ان ماڈیولز میں SiC شاٹکی ڈائیوڈس کو شامل کرنا شروع کر رہے ہیں جنہیں ہم اب دیکھتے ہیں۔ یہ ترتیب تنگ نظر انحصاری محرکت (parasitic inductances) کو کم کرتی ہے اور بجلی کی کثافت کو واقعی بڑھا دیتی ہے، جو شمسی انورٹرز اور وسیع ڈیٹا سینٹر بجلی کی فراہمی جیسی چیزوں کے لیے فرق پیدا کرتی ہے۔ جیسے جیسے اجزاء چھوٹے ہوتے جا رہے ہیں، ہم دیکھ رہے ہیں کہ یہ SiC حل ہاتھ میں لے جانے والے گیجٹس سے لے کر IoT سینسرز تک ہر جگہ نمودار ہو رہے ہیں۔ آخر کار، جب مختصر آلے میں ہر مکعب ملی میٹر کا حساب ہو، تو موثر طریقے سے زیادہ سے زیادہ فائدہ حاصل کرنا نہایت ضروری ہو جاتا ہے۔ آگے دیکھیں تو یہ واضح ہے کہ سلیکون کاربائیڈ ٹیکنالوجی ہمارے ترقی پذیر اسمارٹ گرڈ نیٹ ورکس اور صنعتوں میں برقیکرن کی وسیع کوشش کا مرکز بنے گی۔

فیک کی بات

شاٹکی ڈائیوڈس کیا ہیں؟

شافٹی ڈایود وہ سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز ہیں جو روایتی پی این ڈایود کے مقابلے میں کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ اور تیز سوئچنگ کی صلاحیت کی وجہ سے جانی جاتی ہیں۔

شافٹی ڈایود کارکردگی میں بہتری کیسے لاتی ہیں؟

یہ کم وولٹیج ڈراپ کے ذریعے طاقت کے نقصان کو کم کرکے اور ریورس ری کوری ٹائم کو ختم کرکے تیز اور زیادہ موثر سوئچنگ کی اجازت دیتی ہیں۔

شافٹی ڈائیوڈز عام طور پر کہاں استعمال ہوتے ہیں؟

شافٹی ڈایود عام طور پر طاقت کے حساس اور قابلِ حمل الیکٹرانکس جیسے اسمارٹ فون، اسمارٹ واچ، سوئچنگ پاور سپلائی، اور الیکٹرک وہیکل چارجرز میں استعمال ہوتی ہیں۔

SiC شافٹی ڈایود کیا فوائد پیش کرتی ہیں؟

سیلیکون کاربائیڈ (SiC) شافٹی ڈایود اعلیٰ حرارتی کارکردگی، اعلیٰ بریک ڈاؤن وولٹیج، اور کم سے کم ریورس ری کوری ٹائم جیسے فوائد پیش کرتی ہیں۔