この記事ではMOSFETの耐圧とオン抵抗の関係について説明します。
MOSFETの耐圧とオン抵抗の関係
上図はパワーデバイスに用いられる代表的な半導体における、耐圧とオン抵抗の関係です。上図に示すようにMOSFETは耐圧が高くなるほど、オン抵抗が高くなる性質があります。すなわち、耐圧とオン抵抗がトレードオフの関係にあります。
『耐圧』が高くなると『オン抵抗』が高くなる理由
上図にMOSFETの構造を示しています(縦型プレーナ構造)。高耐圧のMOSFETは通常、この縦型プレーナ構造となっています。
MOSFETではドリフト層を低濃度なN層(N－ドリフト層)で形成しています。
ゲートソース間電圧VGSを印加していない状態で、MOSFETにドレインソース間電圧VDSを印加すると、N－ドリフト層にドレインソース間電圧VDSに応じた空乏層が生じます。
このN－ドリフト層の空乏層を伸ばすことによって、MOSFETは耐圧を確保しています。高耐圧のMOSFETではこの空乏層が広がりやすくなっており、N－ドリフト層が厚く、N－ドリフト層の不純物濃度が低くなっています。
しかし、N－ドリフト層が厚く、N－ドリフト層の不純物濃度が低い場合、ドリフト抵抗が増加するという問題があります。
また、縦型プレーナ構造のMOSFETでは、ゲートソース間電圧VGSを印加することで、チャネルが形成し、ドレインソース間電圧VDSを印加することで、電子がソースからN+層、P層、N－ドリフト層、N+層を通り、ドレインに流れ込みます(ドレイン電流IDは逆の経路となります)。これがMOSFETのオン状態における電流経路となります。
ここで、MOSFETのオン抵抗RONとは、この電流経路において発生する各部の抵抗の和であり、
\begin{eqnarray}
R_{ON}＝R_{SUB}＋R_{DRIFT}＋R_{JFET}＋R_{CH}＋R_{N+}
\end{eqnarray}
となります。
まとめると、耐圧を高くするために、N－ドリフト層を厚くしたり、N－ドリフト層の不純物濃度を低くすると、ドリフト抵抗RDRIFTが増加します。したがって、上式より、MOSFETのオン抵抗RONが高くなるのです。
補足
- 縦型プレーナ構造のMOSFETでは、JFET抵抗RJFETとドリフト抵抗RDRIFTがオン抵抗RONの80%以上を占めています。
- RSUBは基板の抵抗、RCHはチャネル部の抵抗、RN+はN+層の抵抗を示しています。
まとめ
この記事ではMOSFETの『プレーナ構造』と『トレンチ構造』について、以下の内容を説明しました。
当記事のまとめ
- MOSFETの『耐圧』と『オン抵抗』の関係
- 『耐圧』が高くなると『オン抵抗』が高くなる理由
お読み頂きありがとうございました。
当サイトでは電気に関する様々な情報を記載しています。当サイトの全記事一覧には以下のボタンから移動することができます。
