MOSFETの『ゲートしきい値電圧』について！

この記事ではMOSFETのゲートしきい値(閾値)電圧について説明します。

MOSFETの『ゲートしきい値電圧』とは

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)、V_TH、V_thなどで表されます。

ここで、「MOSFETがオンした状態」とは「ドレイン電流I_Dが何A流せる状態」なの？と思う方がいるかもしれません。

これは、MOSFETのデータシートの電気的特性欄に記載されています。

一例として、上図に東芝製2SK4017のデータシートに記載されている「電気的特性(Ta=25℃)」を示しています。赤色の箇所がゲートしきい値電圧V_thとなっています。測定条件を見ると、

V_DS=10V、I_D=1mA

と記載されています。すなわち、これは、周囲温度Ta=25℃において、ドレインソース間電圧V_DSを10V印加している状態で、ドレイン電流I_Dを1mA流すために、必要なゲートしきい値電圧V_thが1.3V(最小)～2.5V(最大)であることを示しています。

つまり、周囲温度Ta=25℃、ドレインソース間電圧V_DSを10V印加している状態において、ゲートソース間電圧V_GSを増加させていくと、MOSFETがオンして、ドレイン電流I_Dが流れ出し、ドレイン電流I_Dが1mAの時はゲートソース間V_GSが1.3V(最小)～2.5V(最大)になっているということです。

補足

しきい値(閾値)電圧は英語では「Threshold Voltage」と書きます。

MOSFETの『I_D-V_GS特性』で必要なゲートソース間電圧V_GSを求める

先ほど説明した電気的特性において、東芝製2SK4017はドレイン電流I_Dを1mA流すために必要なゲートしきい値電圧V_thが1.3V(最小)～2.5V(最大)であることを説明しました。

ここで、ドレイン電流I_Dを1mA以上流したい場合には、ゲートソース間電圧V_GSは何V必要なの？と思う方がいるかもしれません。

これは、MOSFETのデータシートの『伝達特性(I_D-V_GS特性)』に記載されています。

上図の左は東芝製の2SK4017のデータシートの『伝達特性(I_D-V_GS特性)』を示しています。MOSFETはゲートソース間電圧V_GSを増加させると、ドレイン電流I_Dが増加します。

ここで、『伝達特性(I_D-V_GS特性)』を見ると、「V_DS=10V」の条件は電気的特性欄の測定条件と一致しています。この『伝達特性(I_D-V_GS特性)』より、例えば、5Aのドレイン電流I_Dを流したい場合、Ta=25℃においては、ゲートソース間電圧V_GSは約3.3V必要であることが分かります。

次に、この時のオン抵抗R_ONを求めてみましょう。

ゲートソース間電圧V_GSが約3.3Vの時、「V_DS=10V」で「I_D=5A」となるため、オン抵抗R_ONは
\begin{eqnarray}
R_{ON}=\frac{V_{DS}}{I_{D}}=\frac{10{\mathrm{[V]}}}{5{\mathrm{[A]}}}=2{\mathrm{[Ω]}}
\end{eqnarray}
となり、まだオン抵抗R_ONがまだ高い状態です。

次に、ここで、オン抵抗R_ONを低くなるためには、ゲートソース間電圧V_GSは何V必要なの？と思う方がいるかもしれません。

これは、MOSFETのデータシートの『V_DS-V_GS特性』から導出します。

上図の右は東芝製の2SK4017のデータシートの『V_DS-V_GS特性』を示しています。

なお、『V_DS-V_GS特性』ではなく、『R_ON-V_GS特性』が記載されているデータシートもありますが、東芝製の2SK4017は『V_DS-V_GS特性』が記載されているため、『V_DS-V_GS特性』からオン抵抗を導出します。

『V_DS-V_GS特性』を見ると、ゲートソース間電圧V_GSが6V付近になると、「I_D=5A」、「V_DS=0.4V」となります。この時のオン抵抗R_ONは、
\begin{eqnarray}
R_{ON}=\frac{V_{DS}}{I_{D}}=\frac{0.4{\mathrm{[V]}}}{5{\mathrm{[A]}}}=0.08{\mathrm{[Ω]}}
\end{eqnarray}
となり、ゲートソース間電圧V_GSを6V印加すると、オン抵抗が低くなることが分かります。