電子部品 - MOSFETの閾値電圧

概要

ここでは、MOSFETの閾値電圧について記載する。

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_GSのことである。(V_GS(TH)、V_TH、V_th等で表される)

MOSFETが動作している状態において、ドレイン電流I_D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。

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_thである。
測定条件を見ると、V_DS=10[V]、I_D=1[mA]と記載されている。

これは、周囲温度Ta=25[℃]において、ドレイン-ソース間電圧V_DSを10[V]印加している状態で、
ドレイン電流I_Dを1[mA]流すために必要な閾値電圧V_thが1.3[V](最小)～2.5[V](最大)であることを示している。
つまり、周囲温度Ta=25[℃]、ドレイン-ソース間電圧V_DS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_GSを増加させていくと、
MOSFETが動作してドレイン電流I_Dが流れ出し、ドレイン電流I_Dが1[mA]の時はゲート-ソース間V_GS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。

MOSFETのI_D-V_GS特性から必要なゲート-ソース間電圧V_GS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_Dを1[mA]流すために必要な閾値電圧V_thが1.3[V](最小)～2.5[V](最大)であることを記載した。

ここで、ドレイン電流I_Dを1[mA]以上流す場合、ゲート-ソース間電圧V_GSはどのくらい必要かを知りたい時は、
MOSFETのデータシートの伝達特性(I_D-V_GS特性)に記載されている。

下図左は、東芝製2SK4017のデータシートの伝達特性(I_D-V_GS特性)である。
MOSFETは、ゲート-ソース間電圧V_GSを増加するとドレイン電流I_Dが増加する。

ここで、伝達特性(I_D-V_GS特性)を見ると、V_DS=10[V]の条件は電気的特性欄の測定条件と一致している。
この伝達特性(I_D-V_GS特性)より、例えば、5[A]のドレイン電流I_Dを流す場合、Ta=25[℃]では、ゲート-ソース間電圧V_GSは約3.3[V]必要であることが分かる。

次に、この時のオン抵抗R_ONを求める。
ゲート-ソース間電圧V_GSが約3.3[V]の時、VDS=10[V]でID=5[A]となるため、オン抵抗R_ONは下式となる。
(オン抵抗R_ONは少し高い状態)
$R_{ON}={\frac {V_{DS}}{I_{D}}}={\frac {10[V]}{5[A]}}=2[\Omega ]$

オン抵抗R_ONを低くするためには、ゲート-ソース間電圧V_GS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_DS-V_GS特性から導出する。

上図右に東芝製2SK4017のデータシートのV_DS-V_GS特性である。
(なお、V_DS-V_GS特性ではなく、R_ON-V_GS特性が記載されているデータシートも存在する)

V_DS-V_GS特性を見ると、ゲート-ソース間電圧V_GSが6[V]付近になると、I_D=5[A]、V_DS=0.4[V]となる。
この時のオン抵抗R_ONは、下式のように0.08[Ω]となり、ゲート-ソース間電圧V_GSを6[V]印加すると、オン抵抗が低くなることが分かる。
$R_{ON}={\frac {V_{DS}}{I_{D}}}={\frac {0.4[V]}{5[A]}}=0.08[\Omega ]$

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_GSを6[V]以上印加する必要がある。

なお、ゲート-ソース間電圧V_GSを高くする場合、ゲート-ソース間電圧V_GSに加わるサージを加味して、下図の絶対最大定格のV_GSSを超えないように設計すること。

※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V_GSを低く設定すると、必要なドレイン電流I_Dを流せないだけでなく、
オン抵抗R_ON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。

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_th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_thは減少する。

下図に、東芝製2SK4017のデータシートのV_th-T_C特性)を示す。
下図のV_th-T_C特性を見ると、V_DS=10[V]、I_D=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。
そのため、T_C=25℃の箇所を見ると、閾値電圧V_thが1.3[V](最小)～2.5[V](最大)にあることが分かる。

また、下図より、温度T_Cが高くなると閾値電圧V_thが低下することが分かる。
つまり、温度T_Cが高いほど閾値電圧V_thが低下するため、より低いゲート-ソース間電圧V_GSでドレイン電流I_Dを多く流せるということになる。

※補足
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_th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る。