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MOSFETの『ゲートしきい値電圧』について!

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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VGSのことです。VGS(TH)、VTH、Vth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ID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Vthとなっています。測定条件を見ると、

VDS=10VID=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VDSを10V印加している状態で、ドレイン電流IDを1mA流すために、必要なゲートしきい値電圧Vth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VDSを10V印加している状態において、ゲートソース間電圧VGSを増加させていくと、MOSFETがオンして、ドレイン電流IDが流れ出し、ドレイン電流IDが1mAの時はゲートソース間VGS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『ID-VGS特性』で必要なゲートソース間電圧VGSを求める

MOSFETの『ID-VGS特性』で必要なゲートソース間電圧VGS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IDを1mA流すために必要なゲートしきい値電圧Vth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IDを1mA以上流したい場合には、ゲートソース間電圧VGS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(ID-VGS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(ID-VGS特性)』を示しています。MOSFETはゲートソース間電圧VGSを増加させると、ドレイン電流IDが増加します。

ここで、『伝達特性(ID-VGS特性)』を見ると、「VDS=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(ID-VGS特性)』より、例えば、5Aのドレイン電流IDを流したい場合、Ta=25℃においては、ゲートソース間電圧VGS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RONを求めてみましょう。

ゲートソース間電圧VGSが約3.3Vの時、「VDS=10V」で「ID=5A」となるため、オン抵抗RON
\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RONがまだ高い状態です。

次に、ここで、オン抵抗RONを低くなるためには、ゲートソース間電圧VGS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『VDS-VGS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『VDS-VGS特性』を示しています。

なお、『VDS-VGS特性』ではなく、『RON-VGS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『VDS-VGS特性』が記載されているため、『VDS-VGS特性』からオン抵抗を導出します。

『VDS-VGS特性』を見ると、ゲートソース間電圧VGSが6V付近になると、「ID=5A」、「VDS=0.4V」となります。この時のオン抵抗RON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VGSを6V印加すると、オン抵抗が低くなることが分かります。

そのため、スイッチング用途で使用する場合には、ゲートソース間電圧VGSを6V以上印加する必要があります。

なお、ゲートソース間電圧VGSを高くする場合、ゲートソース間電圧VGSに加わるサージを加味して、下図の絶対最大定格のVGSSを超えないように設計をしてください。

MOSFETのゲートソース間電圧の絶対最大定格

補足

MOSFETのドライブ損失を減らすために、ゲートソース間電圧VGSを低く設定すると、必要なドレイン電流IDを流せないだけでなく、オン抵抗RONの増大によって、MOSFETが温度上昇し、破壊に至る可能性もあります。

MOSFETの『ゲートしきい値電圧Vth』は温度によって変化する

MOSFETの『ゲートしきい値電圧Vth』は温度によって変化する
MOSFETの『ゲートしきい値電圧Vth』は温度によって変化します。

ゲートしきい値電圧Vthは負の温度特性(一般的には-5mV~-7mV/℃)持っており、温度が上昇すると、ゲートしきい値電圧Vthは減少します。

上図は東芝製の2SK4017のデータシートの『Vth-TC特性)』を示しています。

上図の『Vth-TC特性)』を見ると、「VDS=10VID=1mA」となっており電気的特性欄の測定条件と一致しています。そのため、TC=25℃の箇所を見ると、ゲートしきい値電圧Vthが1.3V(最小)~2.5V(最大)にあることが分かります。

また、上図より、温度TCが高くなると、ゲートしきい値電圧Vthが低下することが分かります。つまり、温度TCが高いほど、ゲートしきい値電Vthが低下するため、より低いゲートソース間電圧VGSでドレイン電流IDを多く流せるということになります。

補足

温度によって変化するため、MOSFETの駆動回路を設計する際には、データシートに記載されているゲートしきい値電圧Vthの温度特性を確認して、外部ノイズ等によって、誤動作しないように駆動回路を設計する必要があります。

まとめ

この記事ではMOSFETの『ゲートしきい値電圧Vth』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『ゲートしきい値電圧Vth』とは
  • MOSFETの『ID-VGS特性』で必要なゲートソース間電圧VGSを求める方法
  • MOSFETの『ゲートしきい値電圧Vth』の温度特性

お読み頂きありがとうございました。

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