MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』について！

この記事ではMOSFETの伝達特性(I_D-V_GS特性)について詳しく説明します。

MOSFETの『伝達特性(I_D-V_GS特性)』とは

MOSFETの伝達特性(I_D-V_GS特性)とは、MOSFETの静特性の一種であり、ドレインソース間電圧V_DSを一定とした時のドレイン電流I_Dとゲートソース間電圧V_GSの特性のことです。

ゲートソース間電圧V_GSがゲートしきい値電圧V_TH以下の時は、チャネルが形成されていないため、ドレイン電流I_Dが流れません。

ゲートソース間電圧V_GSがゲートしきい値電圧V_THを超えると、ゲート電極下にチャネルが形成され、ドレイン電流I_Dが流れるようになります。

この時、ゲートソース間電圧V_GSが増加すると、チャネルに集まる電子の密度が高くなるので、チャネルの電気抵抗が減少します。つまり、MOSFETのオン抵抗R_ONが低くなります。

ドレイン電流I_Dは
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{V_{DS}}{R_{ON}}
\end{eqnarray}
の式で表されるため、オン抵抗R_ONが低くなるということは、ドレイン電流I_Dが増加することになります。

また、伝達特性(I_D-V_GS特性)はデータシート上では下図のように対数グラフで記載される場合もあります。

下図は東芝製の2SK4017のデータシート(左)とローム製のR6004KNXのデータシート(右)に記載されている『伝達特性(I_D-V_GS特性)』です。ローム製のR6004KNXのデータシート(右)では『伝達特性(I_D-V_GS特性)』が対数グラフで記載されていることが分かります。

補足

『伝達特性』は英語では「Transfer characteristic」と書きます。
MOSFETのゲートしきい値電圧とは、MOSFETをオンさせるために、必要なゲートソース間電圧V_GSのことです。V_GS(TH)やV_THで表されます。

MOSFETの『伝達特性(I_D-V_GS特性)』の温度特性

MOSFETの『伝達特性(I_D-V_GS特性)』は温度によって変わります。データシート上には、温度が-55℃、-40℃、-25℃、25℃、100℃、125度など異なる温度の時の『伝達特性(I_D-V_GS特性)』が記載されています。

『伝達特性(I_D-V_GS特性)』は温度が高くなると、特性は左側にシフトします。すなわち、温度が高くなると、同じドレイン電流I_Dを流すために必要なゲートソース間電圧V_GSが減少します。

下図は東芝製の2SK4017のデータシートに記載されている『伝達特性(I_D-V_GS特性)』です。ドレインソース間電圧V_DSが10V、温度が-55℃、25℃、100℃の時の特性が描かれており、温度が高くなると、特性が左側にシフトしていることが分かります。

Nチャネル型、Pチャネル型、エンハンスメント型、デプレッション型の『伝達特性(I_D-V_GS特性)』

MOSFETには、Nチャネル型とPチャネル型があります。また、エンハンス型とデプレッション型があります。

今まで示した『伝達特性(I_D-V_GS特性)』はNチャネル型でエンハンス型の時の特性です。

ソースに対して、ゲートとドレインの印加電圧を逆にすれば、Pチャネル型の『伝達特性(I_D-V_GS特性)』となります。また、エンハンス型とデプレッション型の違いは以下となっています。

エンハンス型(Enhancement型)

ゲートソース間電圧V_GSの印加によってドレイン電流I_Dが流れ始めます。エンハンスメント形やノーマリーオフ型(Normally Off型)とも呼ばれています。

デプレッション型(Depletion型)

不純物の注入によって、チャネルを最初から形成しているMOSFETです。ゲートソース間電圧V_GSが0Vでもドレイン電流I_Dが流れます。デプレション型、ノーマリーオン型(Normally On型)とも呼ばれています。

【補足】『伝達特性(I_D-V_GS特性)』における3つの領域

MOSFETの『伝達特性(I_D-V_GS特性)』には3つの領域(遮断領域、飽和領域、線形領域)があります。

遮断領域

ゲートソース間電圧V_GSがゲート閾値電圧V_THより低い領域です。『伝達特性(I_D-V_GS特性)』の緑色の箇所となります。

飽和領域

ゲートソース間電圧V_GSが小さい時(V_GS＜V_DS+V_TH)の領域です。『伝達特性(I_D-V_GS特性)』の赤色の箇所となります。言い換えると、ゲートから見たドレイン電圧が相対的に大きい場合には、飽和領域となります。

なお、飽和領域においてはドレイン電流I_Dは以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left[\left(V_{GS}-V_{TH}\right)^2-\frac{1}{2}V_{DS}^2\right]
\end{eqnarray}

線形領域

ゲートソース間電圧V_GSが大きい時(V_GS＞V_DS+V_TH)の領域です。『伝達特性(I_D-V_GS特性)』の青色の箇所となります。言い換えると、ゲートから見たドレイン電圧が相対的に小さい場合には、線形領域となります。

ゲートソース間電圧V_GSを上げていくと、ゲートから見たドレイン電圧が相対的に小さくなっていき、飽和領域から線形領域に切り替わります。

なお、線形領域においてはドレイン電流I_Dは以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
I_{D}=\frac{W}{L}{\mu}_{N}C_{OX}\left[\left(V_{GS}-V_{TH}\right)V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2\right]
\end{eqnarray}
上式は、線形(y=ax+b)の形であることが分かります。

また、飽和領域と線形領域のの境目の電圧は
\begin{eqnarray}
V_{GS}=V_{DS}+V_{TH}
\end{eqnarray}
となります。この時のドレインソース間電圧V_DSはピンチオフ電圧V_Pといいます。