電子部品 - MOSFETの耐圧とオン抵抗の関係

概要

ここでは、MOSFETの耐圧とオン抵抗の関係について記載する。

MOSFETの耐圧とオン抵抗の関係

下図は、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ある。

下図に示すように、MOSFETは耐圧が高くなるほど、オン抵抗が高くなる性質がある。
すなわち、耐圧とオン抵抗がトレードオフの関係にある。

耐圧が高くなるとオン抵抗が高くなる理由

下図に、MOSFETの構造を示す。(縦型プレーナ構造)
一般的に、高耐圧のMOSFETは縦型プレーナ構造となっている。

MOSFETは、ドリフト層を低濃度なN層(N^-ドリフト層)で形成している。
ゲート-ソース間電圧V_GSを印加していない状態において、MOSFETにドレイン-ソース間電圧V_DSを印加すると、N^-ドリフト層にドレイン-ソース間電圧V_DSに応じた空乏層が生じる。
このN^-ドリフト層の空乏層を伸ばすことにより、MOSFETは耐圧を確保している。

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る。
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る。

また、縦型プレーナ構造のMOSFETでは、ゲート-ソース間電圧V_GSを印加することでチャネルを形成して、
ドレイン-ソース間電圧V_DS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、ドレインに流れ込む。(ドレイン電流I_Dは逆の経路となる)
これが、MOSFETのオン状態における電流経路となる。

ここで、MOSFETのオン抵抗R_ON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、下式で表される。
R_SUBは基板の抵抗、R_CHはチャネル部の抵抗、R_N+はN⁺層の抵抗である。
$R_{ON}=R_{SUB}+R_{DRIFT}+R_{JFET}+R_{CH}+R_{N+}$

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R_DRIFTが増加する。
したがって、上式より、MOSFETのオン抵抗R_ONが高くなる。

※補足
縦型プレーナ構造のMOSFETでは、JFET抵抗R_JFETとドリフト抵抗R_DRIFTがオン抵抗R_ONの80[%]以上を占めている。