電子部品 - MOSFETの閾値電圧のソースを表示

== 概要 ==
ここでは、MOSFETの閾値電圧について記載する。<br>
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== MOSFETの閾値電圧とは ==
MOSFETの閾値電圧とは、MOSFETを動作させるために必要なゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>のことである。(V<sub>GS(TH)</sub>、V<sub>TH</sub>、V<sub>th</sub>等で表される)<br>
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MOSFETが動作している状態において、ドレイン電流I<sub>D</sub>の定格電流は、MOSFETのデータシートの電気的特性欄に記載されている。<br>
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下図に、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℃)を示す。赤色の箇所が閾値電圧V<sub>th</sub>である。<br>
測定条件を見ると、V<sub>DS</sub>=10[V]、I<sub>D</sub>=1[mA]と記載されている。<br>
[[ファイル:ErectricParts MOSFET Threshold 1.jpg|フレームなし|中央]]
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これは、周囲温度Ta=25[℃]において、ドレイン-ソース間電圧V<sub>DS</sub>を10[V]印加している状態で、<br>
ドレイン電流I<sub>D</sub>を1[mA]流すために必要な閾値電圧V<sub>th</sub>が1.3[V](最小)～2.5[V](最大)であることを示している。
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つまり、周囲温度Ta=25[℃]、ドレイン-ソース間電圧V<sub>DS</sub>を10[V]印加している状態において、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を増加させていくと、<br>
MOSFETが動作してドレイン電流I<sub>D</sub>が流れ出し、ドレイン電流I<sub>D</sub>が1[mA]の時はゲート-ソース間V<sub>GS</sub>が1.3[V](最小)～2.5[V](最大)になっているということである。<br>
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== MOSFETのI<sub>D</sub>-V<sub>GS</sub>特性から必要なゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を求める ==
上記セクションでは、東芝製2SK4017は、ドレイン電流I<sub>D</sub>を1[mA]流すために必要な閾値電圧V<sub>th</sub>が1.3[V](最小)～2.5[V](最大)であることを記載した。<br>
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ここで、ドレイン電流I<sub>D</sub>を1[mA]以上流す場合、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>はどのくらい必要かを知りたい時は、<br>
MOSFETのデータシートの伝達特性(I<sub>D</sub>-V<sub>GS</sub>特性)に記載されている。<br>
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下図左は、東芝製2SK4017のデータシートの伝達特性(I<sub>D</sub>-V<sub>GS</sub>特性)である。<br>
MOSFETは、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を増加するとドレイン電流I<sub>D</sub>が増加する。<br>
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ここで、伝達特性(I<sub>D</sub>-V<sub>GS</sub>特性)を見ると、V<sub>DS</sub>=10[V]の条件は電気的特性欄の測定条件と一致している。<br>
この伝達特性(I<sub>D</sub>-V<sub>GS</sub>特性)より、例えば、5[A]のドレイン電流I<sub>D</sub>を流す場合、Ta=25[℃]では、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>は約3.3[V]必要であることが分かる。<br>
[[ファイル:ErectricParts MOSFET Threshold 2.jpg|フレームなし|中央]]
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次に、この時のオン抵抗R<sub>ON</sub>を求める。<br>
ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>が約3.3[V]の時、VDS=10[V]でID=5[A]となるため、オン抵抗R<sub>ON</sub>は下式となる。<br>
(オン抵抗R<sub>ON</sub>は少し高い状態)<br>
<math>R_{ON} = \frac{V_{DS}}{I_D} = \frac{10[V]}{5[A]} = 2 [\Omega]</math><br>
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オン抵抗R<sub>ON</sub>を低くするためには、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>はどのくらい必要かを知りたい時は、MOSFETのデータシートのV<sub>DS</sub>-V<sub>GS</sub>特性から導出する。<br>
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上図右に東芝製2SK4017のデータシートのV<sub>DS</sub>-V<sub>GS</sub>特性である。<br>
(なお、V<sub>DS</sub>-V<sub>GS</sub>特性ではなく、R<sub>ON</sub>-V<sub>GS</sub>特性が記載されているデータシートも存在する)<br>
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V<sub>DS</sub>-V<sub>GS</sub>特性を見ると、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>が6[V]付近になると、I<sub>D</sub>=5[A]、V<sub>DS</sub>=0.4[V]となる。<br>
この時のオン抵抗R<sub>ON</sub>は、下式のように0.08[Ω]となり、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を6[V]印加すると、オン抵抗が低くなることが分かる。<br>
<math>R_{ON} = \frac{V_{DS}}{I_D} = \frac{0.4[V]}{5[A]} = 0.08 [\Omega]</math><br>
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そのため、スイッチング用途で使用する場合は、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を6[V]以上印加する必要がある。<br>
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なお、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を高くする場合、ゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>に加わるサージを加味して、下図の絶対最大定格のV<sub>GSS</sub>を超えないように設計すること。<br>
[[ファイル:ErectricParts MOSFET Threshold 3.jpg|フレームなし|中央]]
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<u>※補足</u><br>
<u>MOSFETのドライブ損失を減らすためにゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>を低く設定すると、必要なドレイン電流I<sub>D</sub>を流せないだけでなく、</u><br>
<u>オン抵抗R<sub>ON</sub>の増大により、MOSFETが温度上昇して破壊に至る可能性がある。</u><br>
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== MOSFETの閾値電圧Vthは温度によって変化する ==
MOSFETの閾値電圧V<sub>th</sub>は、負の温度特性(一般的に、-5[mV]～-7[mV/℃])を持っており、温度が上昇すると閾値電圧V<sub>th</sub>は減少する。<br>
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下図に、東芝製2SK4017のデータシートのV<sub>th</sub>-T<sub>C</sub>特性)を示す。<br>
下図のV<sub>th</sub>-T<sub>C</sub>特性を見ると、V<sub>DS</sub>=10[V]、I<sub>D</sub>=1[mA]となっており、電気的特性欄の測定条件と一致している。<br>
そのため、T<sub>C</sub>=25℃の箇所を見ると、閾値電圧V<sub>th</sub>が1.3[V](最小)～2.5[V](最大)にあることが分かる。<br>
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また、下図より、温度T<sub>C</sub>が高くなると閾値電圧V<sub>th</sub>が低下することが分かる。<br>
つまり、温度T<sub>C</sub>が高いほど閾値電圧V<sub>th</sub>が低下するため、より低いゲート-ソース間電圧V<sub>GS</sub>でドレイン電流I<sub>D</sub>を多く流せるということになる。<br>
[[ファイル:ErectricParts MOSFET Threshold 4.jpg|フレームなし|中央]]
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<u>※補足</u><br>
<u>閾値電圧は温度によって変化するため、MOSFETの駆動回路を設計する際は、データシートに記載されている閾値電圧V<sub>th</sub>の温度特性を確認して、</u><br>
<u>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る。</u><br>
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__FORCETOC__
[[カテゴリ:電子部品]]