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MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』について!

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

MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』とは

MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』とは
MOSFETの伝達特性(ID-VGS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VDSを一定とした時のドレイン電流IDゲートソース間電圧VGSの特性のことです。

ゲートソース間電圧VGSがゲートしきい値電圧VTH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IDが流れません。

ゲートソース間電圧VGSがゲートしきい値電圧VTH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IDが流れるようになります。

この時、ゲートソース間電圧VGS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RONが低くなります。

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

また、伝達特性(ID-VGS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(ID-VGS特性)』です。ローム製のR6004KNXのデータシート(右)では『伝達特性(ID-VGS特性)』が対数グラフで記載されていることが分かります。
MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』のデータシート

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VGSのことです。VGS(TH)やVTHで表されます。

MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』の温度特性

MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』の温度特性
MOSFETの『伝達特性(ID-VGS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(ID-VGS特性)』が記載されています。

『伝達特性(ID-VGS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IDを流すために必要なゲートソース間電圧VGS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(ID-VGS特性)』です。ドレインソース間電圧VDS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。
MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』の温度特性のデータシート

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(ID-VGS特性)』

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(ID-VGS特性)』
MOSFETには、Nチャネル型Pチャネル型があります。また、エンハンス型デプレッション型があります。

今まで示した『伝達特性(ID-VGS特性)』はNチャネル型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(ID-VGS特性)』となります。また、エンハンス型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VGSの印加によってドレイン電流IDが流れ始めます。エンハンスメント形ノーマリーオフ型(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VGSが0Vでもドレイン電流ID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(ID-VGS特性)』における3つの領域

『伝達特性(ID-VGS特性)』における3つの領域(遮断領域、飽和領域、線形領域)
MOSFETの『伝達特性(ID-VGS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VGSがゲート閾値電圧VTHより低い領域です。『伝達特性(ID-VGS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VGSが小さい時(VGS<VDS+VTH)の領域です。『伝達特性(ID-VGS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ID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VGSが大きい時(VGS>VDS+VTH)の領域です。『伝達特性(ID-VGS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VGS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ID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VDSはピンチオフ電圧VPといいます。

まとめ

この記事ではMOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』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『伝達特性(ID-VGS特性)』とは
  • MOSFETの『伝達特性(ID-VGS特性)』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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