এক নিবন্ধে MOSFET বুঝুন

চিত্র 3 পাওয়ার পালস প্রয়োগ করার সময় MOSFET-এর তাপীয় প্রতিরোধ

আসলে, আমরা কিভাবে MOSFET নির্বাচন করতে পারি তা চারটি ধাপে ভাগ করতে পারি।

প্রথম ধাপ: N চ্যানেল বা P চ্যানেল বেছে নিন

আপনার ডিজাইনের জন্য সঠিক ডিভাইস বেছে নেওয়ার প্রথম ধাপ হল N-চ্যানেল বা P-চ্যানেল MOSFET ব্যবহার করবেন কিনা তা নির্ধারণ করা। একটি সাধারণ পাওয়ার অ্যাপ্লিকেশনে, যখন একটি MOSFET মাটির সাথে সংযুক্ত থাকে এবং লোডটি মেইন ভোল্টেজের সাথে সংযুক্ত থাকে, তখন MOSFET নিম্ন-সাইড সুইচ গঠন করে। লো-সাইড সুইচে, ডিভাইসটি বন্ধ বা চালু করার জন্য প্রয়োজনীয় ভোল্টেজ বিবেচনা করে N-চ্যানেল MOSFET ব্যবহার করা উচিত। যখন MOSFET বাসের সাথে সংযুক্ত থাকে এবং মাটিতে লোড হয়, তখন একটি হাই-সাইড সুইচ ব্যবহার করা হয়। P-চ্যানেল MOSFET গুলি সাধারণত এই টপোলজিতে ব্যবহার করা হয়, যা ভোল্টেজ ড্রাইভ বিবেচনার কারণেও হয়। আপনার অ্যাপ্লিকেশনের জন্য সঠিক ডিভাইসটি নির্বাচন করতে, আপনাকে অবশ্যই ডিভাইসটি চালানোর জন্য প্রয়োজনীয় ভোল্টেজ এবং আপনার ডিজাইনে এটি করার সবচেয়ে সহজ উপায় নির্ধারণ করতে হবে। পরবর্তী পদক্ষেপটি প্রয়োজনীয় ভোল্টেজ রেটিং নির্ধারণ করা, বা ডিভাইসটি সহ্য করতে পারে এমন সর্বাধিক ভোল্টেজ। ভোল্টেজ রেটিং যত বেশি হবে, ডিভাইসের দাম তত বেশি হবে। বাস্তব অভিজ্ঞতা অনুসারে, রেট করা ভোল্টেজ মেইন ভোল্টেজ বা বাস ভোল্টেজের চেয়ে বেশি হওয়া উচিত। এটি পর্যাপ্ত সুরক্ষা প্রদান করবে যাতে MOSFET ব্যর্থ না হয়। একটি MOSFET নির্বাচন করার সময়, সর্বাধিক ভোল্টেজ নির্ধারণ করা প্রয়োজন যা ড্রেন থেকে উত্স পর্যন্ত সহ্য করা যেতে পারে, অর্থাৎ সর্বাধিক VDS। এটা জানা গুরুত্বপূর্ণ যে সর্বাধিক ভোল্টেজ একটি MOSFET তাপমাত্রার সাথে পরিবর্তন সহ্য করতে পারে। ডিজাইনারদের অবশ্যই সম্পূর্ণ অপারেটিং তাপমাত্রা পরিসরে ভোল্টেজের বৈচিত্র পরীক্ষা করতে হবে। সার্কিটটি ব্যর্থ হবে না তা নিশ্চিত করার জন্য রেট করা ভোল্টেজের এই বৈচিত্র্যের পরিসরটি কভার করার জন্য যথেষ্ট মার্জিন থাকতে হবে। অন্যান্য নিরাপত্তা বিষয়ক যেগুলো ডিজাইন ইঞ্জিনিয়ারদের বিবেচনা করতে হবে তার মধ্যে রয়েছে মোটর বা ট্রান্সফরমারের মতো ইলেকট্রনিক্স স্যুইচ করার মাধ্যমে ভোল্টেজ ট্রানজিয়েন্ট। রেটেড ভোল্টেজ বিভিন্ন অ্যাপ্লিকেশনের জন্য পরিবর্তিত হয়; সাধারণত, পোর্টেবল ডিভাইসের জন্য 20V, FPGA পাওয়ার সাপ্লাইয়ের জন্য 20-30V, এবং 85-220VAC অ্যাপ্লিকেশনের জন্য 450-600V।

ধাপ 2: রেট করা বর্তমান নির্ধারণ করুন

দ্বিতীয় ধাপ হল MOSFET এর বর্তমান রেটিং নির্বাচন করা। সার্কিট কনফিগারেশনের উপর নির্ভর করে, এই রেট করা বর্তমানটি সর্বাধিক কারেন্ট হওয়া উচিত যা সমস্ত পরিস্থিতিতে লোড সহ্য করতে পারে। ভোল্টেজ পরিস্থিতির মতো, ডিজাইনারকে অবশ্যই নিশ্চিত করতে হবে যে MOSFET নির্বাচিত এই বর্তমান রেটিংটি সহ্য করতে পারে, এমনকি যখন সিস্টেমটি বর্তমান স্পাইক তৈরি করে। বিবেচিত দুটি বর্তমান অবস্থা হল ক্রমাগত মোড এবং পালস স্পাইক। ক্রমাগত পরিবাহী মোডে, MOSFET একটি স্থির অবস্থায় থাকে, যেখানে যন্ত্রের মাধ্যমে ক্রমাগত বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয়। একটি পালস স্পাইক ডিভাইসের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত একটি বড় ঢেউ (বা স্পাইক কারেন্ট) বোঝায়। একবার এই অবস্থার অধীনে সর্বাধিক কারেন্ট নির্ধারণ করা হলে, এটি কেবল একটি ডিভাইস নির্বাচন করার বিষয় যা এই সর্বাধিক বর্তমানকে পরিচালনা করতে পারে। রেট করা বর্তমান নির্বাচন করার পরে, পরিবাহী ক্ষতিও গণনা করা আবশ্যক। প্রকৃত পরিস্থিতিতে, MOSFET একটি আদর্শ ডিভাইস নয় কারণ পরিবাহী প্রক্রিয়া চলাকালীন বৈদ্যুতিক শক্তির ক্ষতি হয়, যাকে পরিবাহী ক্ষতি বলা হয়। একটি MOSFET একটি পরিবর্তনশীল প্রতিরোধকের মতো আচরণ করে যখন "চালু", যা ডিভাইসের RDS(ON) দ্বারা নির্ধারিত হয় এবং তাপমাত্রার সাথে উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হয়। ডিভাইসের পাওয়ার লস Iload2×RDS(ON) দ্বারা গণনা করা যেতে পারে। যেহেতু তাপমাত্রার সাথে অন-রেজিস্ট্যান্স পরিবর্তিত হয়, তাই পাওয়ার লসও আনুপাতিকভাবে পরিবর্তিত হবে। MOSFET-এ যত বেশি ভোল্টেজ VGS প্রয়োগ করা হবে, RDS(ON) তত ছোট হবে; বিপরীতভাবে, RDS(ON) তত বেশি হবে। সিস্টেম ডিজাইনারের জন্য, এখানেই সিস্টেম ভোল্টেজের উপর নির্ভর করে ট্রেড-অফ আসে। পোর্টেবল ডিজাইনের জন্য, কম ভোল্টেজ ব্যবহার করা সহজ (এবং আরও সাধারণ), যখন শিল্প ডিজাইনের জন্য, উচ্চ ভোল্টেজ ব্যবহার করা যেতে পারে। উল্লেখ্য যে RDS(ON) রেজিস্ট্যান্স কারেন্টের সাথে কিছুটা বাড়বে। RDS(ON) প্রতিরোধকের বিভিন্ন বৈদ্যুতিক পরামিতির পরিবর্তনগুলি প্রস্তুতকারকের দেওয়া প্রযুক্তিগত ডেটা শীটে পাওয়া যায়। ডিভাইসের বৈশিষ্ট্যের উপর প্রযুক্তির একটি উল্লেখযোগ্য প্রভাব রয়েছে, কারণ কিছু প্রযুক্তি সর্বাধিক VDS বাড়ানোর সময় RDS(ON) বৃদ্ধি করে। এই ধরনের প্রযুক্তির জন্য, আপনি যদি VDS এবং RDS(ON) কমাতে চান, তাহলে আপনাকে চিপের আকার বাড়াতে হবে, এর ফলে প্যাকেজের আকার এবং সংশ্লিষ্ট উন্নয়ন খরচ বৃদ্ধি করতে হবে। শিল্পে বিভিন্ন প্রযুক্তি রয়েছে যা চিপের আকার বৃদ্ধি নিয়ন্ত্রণ করার চেষ্টা করছে, যার মধ্যে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ হল চ্যানেল এবং চার্জ ব্যালেন্সিং প্রযুক্তি। ট্রেঞ্চ প্রযুক্তিতে, একটি গভীর পরিখা ওয়েফারে এম্বেড করা হয়, সাধারণত কম ভোল্টেজের জন্য সংরক্ষিত থাকে, যাতে অন-রেজিস্ট্যান্স RDS(ON) কম হয়। RDS(ON) তে সর্বাধিক VDS-এর প্রভাব কমানোর জন্য, বিকাশ প্রক্রিয়া চলাকালীন একটি এপিটাক্সিয়াল গ্রোথ কলাম/এচিং কলাম প্রক্রিয়া ব্যবহার করা হয়েছিল। উদাহরণস্বরূপ, ফেয়ারচাইল্ড সেমিকন্ডাক্টর সুপারএফইটি নামে একটি প্রযুক্তি তৈরি করেছে যা RDS(ON) হ্রাসের জন্য অতিরিক্ত উত্পাদন পদক্ষেপ যোগ করে। RDS(ON) এর উপর এই ফোকাসটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ একটি স্ট্যান্ডার্ড MOSFET এর ব্রেকডাউন ভোল্টেজ বাড়ার সাথে সাথে RDS(ON) দ্রুতগতিতে বৃদ্ধি পায় এবং ডাই সাইজ বৃদ্ধির দিকে নিয়ে যায়। SuperFET প্রক্রিয়া RDS(ON) এবং ওয়েফার আকারের মধ্যে সূচকীয় সম্পর্ককে একটি রৈখিক সম্পর্কেতে পরিবর্তন করে। এইভাবে, SuperFET ডিভাইসগুলি 600V পর্যন্ত ব্রেকডাউন ভোল্টেজ সহ ছোট ডাই আকারে আদর্শ নিম্ন RDS(ON) অর্জন করতে পারে। ফলাফল হল যে ওয়েফারের আকার 35% পর্যন্ত কমানো যেতে পারে। শেষ ব্যবহারকারীদের জন্য, এর অর্থ প্যাকেজের আকারে উল্লেখযোগ্য হ্রাস।

ধাপ তিন: তাপীয় প্রয়োজনীয়তা নির্ধারণ করুন

একটি MOSFET নির্বাচন করার পরবর্তী ধাপ হল সিস্টেমের তাপীয় প্রয়োজনীয়তা গণনা করা। ডিজাইনারদের অবশ্যই দুটি ভিন্ন পরিস্থিতি বিবেচনা করতে হবে, সবচেয়ে খারাপ পরিস্থিতি এবং বাস্তব-বিশ্বের দৃশ্যকল্প। সবচেয়ে খারাপ-কেস গণনার ফলাফল ব্যবহার করার সুপারিশ করা হয়, কারণ এই ফলাফলটি একটি বড় নিরাপত্তা মার্জিন প্রদান করে এবং নিশ্চিত করে যে সিস্টেমটি ব্যর্থ হবে না। এছাড়াও কিছু পরিমাপ ডেটা রয়েছে যা MOSFET ডেটা শীটে মনোযোগ দেওয়া প্রয়োজন; যেমন প্যাকেজ করা ডিভাইসের অর্ধপরিবাহী জংশন এবং পরিবেশের মধ্যে তাপীয় প্রতিরোধ এবং সর্বোচ্চ জংশন তাপমাত্রা। ডিভাইসের জংশন তাপমাত্রা সর্বাধিক পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা এবং তাপ প্রতিরোধের এবং শক্তি অপচয়ের গুণফলের সমান (জাংশন তাপমাত্রা = সর্বাধিক পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা + [তাপীয় প্রতিরোধ × শক্তি অপচয়])। এই সমীকরণ অনুসারে, সিস্টেমের সর্বাধিক শক্তি অপচয়ের সমাধান করা যেতে পারে, যা সংজ্ঞা অনুসারে I2×RDS(ON) এর সমান। যেহেতু ডিজাইনার ডিভাইসের মধ্য দিয়ে যাওয়া সর্বোচ্চ কারেন্ট নির্ধারণ করেছেন, তাই RDS(ON) বিভিন্ন তাপমাত্রায় গণনা করা যেতে পারে। এটি লক্ষণীয় যে সাধারণ তাপীয় মডেলগুলির সাথে কাজ করার সময়, ডিজাইনারদের অবশ্যই সেমিকন্ডাক্টর জংশন/ডিভাইস কেস এবং কেস/পরিবেশের তাপ ক্ষমতা বিবেচনা করতে হবে; এর জন্য প্রিন্ট করা সার্কিট বোর্ড এবং প্যাকেজ অবিলম্বে গরম না হওয়া প্রয়োজন। তুষারপাতের ভাঙ্গনের অর্থ হল সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসে বিপরীত ভোল্টেজ সর্বাধিক মানকে অতিক্রম করে এবং ডিভাইসে কারেন্ট বাড়ানোর জন্য একটি শক্তিশালী বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি করে। এই কারেন্ট শক্তি নষ্ট করবে, ডিভাইসের তাপমাত্রা বাড়িয়ে দেবে এবং সম্ভবত ডিভাইসের ক্ষতি করবে। সেমিকন্ডাক্টর কোম্পানিগুলি ডিভাইসে তুষারপাত পরীক্ষা পরিচালনা করবে, তাদের তুষারপাতের ভোল্টেজ গণনা করবে বা ডিভাইসের দৃঢ়তা পরীক্ষা করবে। রেট করা তুষারপাত ভোল্টেজ গণনা করার জন্য দুটি পদ্ধতি আছে; একটি পরিসংখ্যান পদ্ধতি এবং অন্যটি তাপীয় গণনা। তাপীয় গণনা ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় কারণ এটি আরও ব্যবহারিক। অনেক কোম্পানি তাদের ডিভাইস পরীক্ষার বিশদ প্রদান করেছে। উদাহরণস্বরূপ, ফেয়ারচাইল্ড সেমিকন্ডাক্টর "পাওয়ার এমওএসএফইটি অ্যাভাল্যাঞ্চ নির্দেশিকা" প্রদান করে (পাওয়ার এমওএসএফইটি অ্যাভাল্যাঞ্চ নির্দেশিকা- ফেয়ারচাইল্ড ওয়েবসাইট থেকে ডাউনলোড করা যেতে পারে)। কম্পিউটিং ছাড়াও, তুষারপাতের প্রভাবে প্রযুক্তিরও একটি বড় প্রভাব রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, ডাই সাইজ বৃদ্ধি তুষারপাত প্রতিরোধ ক্ষমতা বাড়ায় এবং শেষ পর্যন্ত ডিভাইসের দৃঢ়তা বৃদ্ধি করে। শেষ ব্যবহারকারীদের জন্য, এর অর্থ সিস্টেমে বড় প্যাকেজ ব্যবহার করা।

ধাপ 4: সুইচ কর্মক্ষমতা নির্ধারণ করুন

একটি MOSFET নির্বাচনের চূড়ান্ত ধাপ হল MOSFET-এর সুইচিং কর্মক্ষমতা নির্ধারণ করা। অনেকগুলি পরামিতি রয়েছে যা সুইচিং কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে, তবে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ হল গেট/ড্রেন, গেট/উৎস এবং ড্রেন/সোর্স ক্যাপাসিট্যান্স। এই ক্যাপাসিটারগুলি ডিভাইসে সুইচিং লস তৈরি করে কারণ তারা প্রতিবার স্যুইচ করার সময় চার্জ করা হয়। তাই MOSFET-এর স্যুইচিং স্পিড কমে গেছে, এবং ডিভাইসের দক্ষতাও কমে গেছে। স্যুইচিংয়ের সময় একটি ডিভাইসের মোট ক্ষতি গণনা করতে, ডিজাইনারকে অবশ্যই টার্ন-অন (ইওন) এর সময় ক্ষতি এবং টার্ন-অফ (ইওফ) এর সময় ক্ষতি গণনা করতে হবে। MOSFET সুইচের মোট শক্তি নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা প্রকাশ করা যেতে পারে: Psw=(Eon+Eoff)×সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সি। গেট চার্জ (Qgd) স্যুইচিং পারফরম্যান্সের উপর সর্বাধিক প্রভাব ফেলে। স্যুইচিং পারফরম্যান্সের গুরুত্বের উপর ভিত্তি করে, এই সুইচিং সমস্যা সমাধানের জন্য নতুন প্রযুক্তি ক্রমাগত বিকাশ করা হচ্ছে। চিপ আকার বৃদ্ধি গেট চার্জ বৃদ্ধি; এটি ডিভাইসের আকার বাড়ায়। সুইচিং লস কমানোর জন্য, নতুন প্রযুক্তি যেমন চ্যানেল মোটা বটম অক্সিডেশন আবির্ভূত হয়েছে, যার লক্ষ্য গেট চার্জ কমানো। উদাহরণ স্বরূপ, নতুন প্রযুক্তি SuperFET পরিবাহী ক্ষতি কমিয়ে আনতে পারে এবং RDS(ON) এবং গেট চার্জ (Qg) কমিয়ে সুইচিং কর্মক্ষমতা উন্নত করতে পারে। এইভাবে, MOSFETগুলি সুইচিংয়ের সময় উচ্চ-গতির ভোল্টেজ ট্রানজিয়েন্ট (dv/dt) এবং বর্তমান ট্রানজিয়েন্ট (di/dt) মোকাবেলা করতে পারে এবং এমনকি উচ্চ সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সিতে নির্ভরযোগ্যভাবে কাজ করতে পারে।