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MOSFETの『耐圧』と『オン抵抗』の関係について!

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この記事ではMOSFETの耐圧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

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

『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。

MOSFETのオン抵抗について
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。

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