ইনসুলেটেড-গেট বাইপোলার ট্রানজিস্টর

একটি ইনসুলেটেড-গেট বাইপোলার ট্রানজিস্টর (আইজিবিটি) হলো একটি তিন প্রান্তীয় পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস যা প্রাথমিকভাবে একটি ইলেকট্রনিক সুইচ গঠন করে। এটি উচ্চ কর্মদক্ষতার পাশাপাশি দ্রুত সুইচিং করার জন্য তৈরি করা হয়েছিল। এটি চারটি পরস্পর পরিবর্তনযোগ্য স্তর (P–N–P–N) নিয়ে গঠিত যা একটি ধাতব-অক্সাইড-সেমিকন্ডাক্টর (MOS) গেট কাঠামো দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়।

ইনসুলেটেড-গেট বাইপোলার ট্রানজিস্টর

একটি আইজিবিটি মডিউল (IGBTs and freewheeling diodes) যার রেটেড বিদ্যুৎ প্রবাহ ১২০০ A এবং সর্বোচ্চ বিভব ৩৩০০ V
কার্যনীতি	সেমিকন্ডাক্টর
আবিস্কারক	১৯৫৯
ইলেকট্রনিক প্রতীক
আইজিবিটি স্কেমাটিক প্রতীক

যদিও আইজিবিটি-এর গঠন টপোলজিক্যালভাবে একটি থাইরিস্টরসহ"এমওএস" গেট ( MOS-gate thyristor )-এর অনুরূপ, তবে এক্ষেত্রে থাইরিস্টরের ক্রিয়া সম্পূর্ণরূপে দমিত হয় এবং পুরো ডিভাইস অপারেশনে শুধু ট্রানজিস্টরের ক্রিয়া অনুমোদন করা হয়। এটি ব্যবহৃত হয় উচ্চ ক্ষমতাসম্পন্ন পাওয়ার সাপ্লাই সুইচিং যন্ত্রে, যেমন: পরিবর্তনশীল ফ্রিকোয়েন্সি ড্রাইভ (VFDs), নিরবচ্ছিন্ন বিদ্যুৎ সরবরাহ সিস্টেম (UPS), বৈদ্যুতিক গাড়ি, ট্রেন, পরিবর্তনশীল গতির রেফ্রিজারেটর, ল্যাম্প ব্যালাস্ট, আর্ক-ওয়েল্ডিং মেশিন, ইন্ডাকশন হবস এবং এয়ার কন্ডিশনার।

যেহেতু এটি দ্রুত চালু এবং বন্ধ করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, তাই আইজিবিটি পালস-প্রস্থ মডুলেশন এবং লো-পাস ফিল্টার ব্যবহার করে জটিল তরঙ্গরূপ সংশ্লেষণ করতে পারে। ফলে এটি বিবর্ধক সুইচিং শব্দ ব্যবস্থা এবং শিল্প নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থায়ও ব্যবহার করা হয়ে থাকে। সুইচিং অ্যাপ্লিকেশনগুলোতে আধুনিক যন্ত্রপাতি পালস পুনরাবৃত্তির হারকে শব্দোত্তর কম্পাঙ্ক পরিসরে যথেষ্ট ভালোভাবে ফিচার করতে পারে , যা অ্যানালগ অডিও বিবর্ধক হিসাবে ব্যবহার করার সময় যন্ত্রপাতি দ্বারা পরিচালিত অডিও কম্পাঙ্কের চেয়ে অন্তত দশ গুণ বেশি। ২০১০-এর হিসাব অনুযায়ী^{[হালনাগাদ]}, আইজিবিটি ছিল দ্বিতীয় সর্বোচ্চ ব্যবহৃত পাওয়ার-ট্রানজিস্টর; যেখানে প্রথম অবস্থানে ছিল পাওয়ার MOSFET।^{[তথ্যসূত্র প্রয়োজন]}

আইজিবিটি তুলনামূলক সারণি ^[1]

ডিভাইসের বৈশিষ্ট্য	পাওয়ার বিজেটি	পাওয়ার MOSFET	আইজিবিটি
ভোল্টেজ হার	উচ্চ <1 kV	উচ্চ <1 kV	অনেক উচ্চ >1 kV
বিদ্যুৎ প্রবাহ হার	উচ্চ <500 A	কম <200 A	উচ্চ> 500 A
ইনপুট ড্রাইভ	বিদ্যুৎ প্রবাহ অনুপাত h FE ~ 20–200	ভোল্টেজ V GS ~ 3–10 V	ভোল্টেজ VGE ~ 4–8 V
ইনপুট প্রতিবন্ধকতা	কম	উচ্চ	উচ্চ
আউটপুট প্রতিবন্ধকতা	কম	মধ্যম	কম
সুইচিংয়ের গতি	ধীর (µs)	দ্রুত (ns)	মধ্যম
খরচ	কম	মধ্যম	উচ্চ

ডিভাইস কাঠামো

একটি সাধারণ আইজিবিটি-এর প্রস্থচ্ছেদ যেখানে MOSFET এবং বাইপোলার ডিভাইসের অভ্যন্তরীণ সংযোগ দেখানো হয়েছে

একটি আইজিবিটি কোষ একটি এন-চ্যানেল উল্লম্ব-কন্সট্রাকশন পাওয়ার MOSFET- এর অনুরূপভাবে তৈরি করা হয়, কিন্তু n+ ড্রেনকে একটি p+ সংগ্রাহক স্তর দিয়ে প্রতিস্থাপিত করা ব্যতিরেকে। এইভাবে একটি উল্লম্ব PNP বাইপোলার জংশন ট্রানজিস্টর তৈরি করা হয়।এই অতিরিক্ত p+ অঞ্চলটি পরিধির n-চ্যানেল MOSFET- এর সাথে একটি PNP বাইপোলার জংশন ট্রানজিস্টরের ক্যাসকেড সংযোগ তৈরি করে।

ইতিহাস

আইজিবিটি-এর স্ট্যাটিক বৈশিষ্ট্যের গ্রাফ

মেটাল-অক্সাইড-সেমিকন্ডাক্টর ফিল্ড-ইফেক্ট ট্রানজিস্টর (MOSFET) ১৯৫৯ সালে বেল ল্যাবরেটরিতে মোহাম্মদ এম. আতাল্লা এবং ডাওন কাং উদ্ভাবন করেছিলেন। ^[2] মৌলিক আইজিবিটি মোড অপারেশন, যেখানে একটি পিএনপি ট্রানজিস্টর একটি এমওএসএফইটি দ্বারা চালিত হয়, সর্বপ্রথম জাপানি পেটেন্ট S47-21739-এর অধীনে কে. ইয়ামাগামি এবং মিতসুবিশি ইলেক্ট্রিকের ওয়াই. আকাগিরি প্রস্তাব করেছিলেন এবং এটি ১৯৬৮ সালে নথিভুক্ত করা হয়েছিল। ^[3]

সত্তরের দশকে পাওয়ার MOSFET- এর বাণিজ্যিকীকরণের পর, বি. জয়ন্ত বালিগা ১৯৭৭ সালে জেনারেল ইলেকট্রিক (GE)-এ একটি পেটেন্ট জমা দিয়েছিলেন যাতে IGBT মোড অপারেশনসহ একটি পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস বর্ণনা করা হয়, যার মধ্যে থাইরিস্টরসের MOS গেটিং, একটি চার-স্তরবিশিষ্ট VMOS(ভি-গ্রুভ এমওএসএফইটি) গঠন এবং চার-স্তর সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস নিয়ন্ত্রণ করতে এমওএস-গেটেড কাঠামোর ব্যবহার উল্লেখ করা হয়। তিনি ১৯৭৮ সালে GE-তে মার্গারেট ল্যাজেরির সহায়তায় IGBT ডিভাইস তৈরি করা শুরু করেন এবং ১৯৭৯ সালে সফলভাবে প্রকল্পটি সম্পন্ন করেন। ^[4] পরীক্ষার ফলাফল ১৯৭৯ সালে রিপোর্ট করা হয়েছিল। ^{[5] [6]} এই গবেষণাপত্রে ডিভাইসের কাঠামোটিকে একটি "ভি-গ্রুভ এমওএসএফইটি ডিভাইস এবং ড্রেন অঞ্চলের সাথে একটি পি-টাইপ অ্যানোড অঞ্চল দ্বারা প্রতিস্থাপিত যন্ত্র" হিসাবে উল্লেখ করা হয়েছিল এবং পরবর্তীতে ধারাবাহিকভাবে "ইনসুলেটেড-গেট রেকটিফায়ার" (আইজিআর), ^[7] ইনসুলেটেড- গেট ট্রানজিস্টর (IGT), ^[8] পরিবাহিতা-মডুলেটেড ফিল্ড-ইফেক্ট ট্রানজিস্টর (COMFET) ^[9] এবং "বাইপোলার-মোড MOSFET" হিসেবে উল্লেখ করা হয়। ^[10]

অপরদিকে, একটি এমওএস-নিয়ন্ত্রিত ট্রায়াক ডিভাইস ১৯৭৮ সালে তাদের পার্শ্বীয় চার-স্তর ডিভাইস (SCR)সহ B.W. Scharf এবং J.D. Plummer রিপোর্ট করেছিলেন। ^[11] প্লামার ১৯৭৮ সালে চার-স্তর ডিভাইস (SCR) অপারেশনের এই মোডের জন্য একটি পেটেন্ট আবেদন দায়ের করেছিলেন। যা ইউএসপি নং ৪১৯৯৭৭৪-এর অধীনে ১৯৮০ সালে ইস্যু করা হয়েছিল এবং B1 Re33209 নামে ১৯৯৬ সালে পুনরায় ইস্যু করা হয়। ^[12] চার-স্তর ডিভাইসে (SCR) IGBT মোড অপারেশন থাইরিস্টর অপারেশনে স্যুইচ করে যদি সংগ্রাহক কারেন্ট ল্যাচ-আপ কারেন্টকে ছাড়িয়ে যায়, যা থাইরিস্টরের সুপরিচিত তত্ত্বে "হোল্ডিং কারেন্ট" নামে পরিচিত।

তবে আইজিবিটি-এর বিকাশ ত্বরান্বিত হয় থাইরিস্টর অপারেশন বা চার-স্তর ডিভাইসে ল্যাচ-আপ সম্পূর্ণরূপে দমন করার প্রচেষ্টার ফলস্বরূপ কারণ ল্যাচ-আপ মারাত্মক ডিভাইস ফেইলারের কারণ হয়ে দাড়িয়েছিল। এইভাবে IGBTs প্রতিষ্ঠিত হয়েছিল যখন প্যারাসাইটিক থাইরিস্টরের ল্যাচ-আপের সম্পূর্ণ দমন করা সম্ভব হয়েছিল।

তথ্যসূত্র

1. Basic Electronics Tutorials.
2. "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated"। Computer History Museum। সংগ্রহের তারিখ আগস্ট ৩১, ২০১৯।
3. Majumdar, Gourab; Takata, Ikunori (২০১৮)। Power Devices for Efficient Energy Conversion। CRC Press। পৃষ্ঠা 144, 284, 318। আইএসবিএন 9781351262316।
4. Baliga, B. Jayant (২০১৫)। The IGBT Device: Physics, Design and Applications of the Insulated Gate Bipolar Transistor। William Andrew। পৃষ্ঠা xxviii, 5–12। আইএসবিএন 9781455731534।
5. Baliga, B. Jayant (১৯৭৯)। "Enhancement- and depletion-mode vertical-channel m.o.s. gated thyristors": 645–647। আইএসএসএন 0013-5194। ডিওআই:10.1049/el:19790459।
6. "Advances in Discrete Semiconductors March On" (পিডিএফ)। Informa। সেপ্টেম্বর ২০০৫: 52–6। ২২ মার্চ ২০০৬ তারিখে মূল থেকে আর্কাইভ করা। সংগ্রহের তারিখ ৩১ জুলাই ২০১৯।
7. Baliga, B.J.; Adler, M.S. (১৯৮২)। "The insulated gate rectifier (IGR): A new power switching device"। 1982 International Electron Devices Meeting। পৃষ্ঠা 264–267। ডিওআই:10.1109/IEDM.1982.190269।
8. Baliga, B.J. (১৯৮৩)। "Fast-switching insulated gate transistors": 452–454। ডিওআই:10.1109/EDL.1983.25799।
9. Russell, J.P.; Goodman, A.M. (১৯৮৩)। "The COMFET—A new high conductance MOS-gated device": 63–65। ডিওআই:10.1109/EDL.1983.25649।
10. Nakagawa, Akio; Ohashi, Hiromichi (১৯৮৪)। "High Voltage Bipolar-Mode MOSFET with High Current Capability"। Extended Abstracts of the 1984 International Conference on Solid State Devices and Materials। ডিওআই:10.7567/SSDM.1984.B-6-2।
11. Scharf, B.; Plummer, J. (১৯৭৮)। A MOS-controlled triac device। পৃষ্ঠা 222–223। ডিওআই:10.1109/ISSCC.1978.1155837।
12. B1 Re33209 is attached in the pdf file of Re 33209.