MOSFETとは－ゲートしきい値電圧、ID-VGS特性と温度特性

前回のMOSFETのスイッチング特性に続いて、MOSFETの重要特性である、ゲートしきい値電圧、そしてI_D-V_GS特性、そしてそれぞれの温度特性について説明します。

MOSFETのV_GS(th)：ゲートしきい値電圧

MOSFETのV_GS(th)：ゲートしきい値電圧は、MOSFETをオンさせるために、ゲートとソース間に必要な電圧のことです。つまり、V_GSがしきい値以上の電圧であれば、MOSFETはオンします。

この「MOSFETのオン」という状態は、いったい「電流I_Dをどのくらい流せる状態のことなのか？」と疑問をもつ方がいるかもしれません。確かに、I_DはV_GSによって変化します。V_GS(th)の規格値の観点で言えば、条件が決まっていなければV_GS(th)の値を保証することができないので、これはMOSFETのデータシートで条件が規定されています。この表は、N-ch 600V 4AのパワーMOSFET：R6004KNXのデータシートからの抜粋です。

青線で囲ってあるのがV_GS(th)で、条件欄にはV_DS=10V、I_D=1mAと示されており、この条件でV_GS(th)は最小3V、最大5Vであることが、Ta=25℃で保証されています。

つまり、V_GSを上昇させて行くとMOSFETがオンし始め（I_Dが流れ出し）、I_Dが1mAのときにV_GSは3V以上5V以下のある値であり、その値がV_GS(th)ということになります。表現の仕方はいろいろあると思いますが、V_DS=10VでI_D=1mAのときをMOSFETのオン状態と定義して、そのときのV_GSをV_GS(th)とし、値としては3V～5Vの間であると言うこともできます。

ちなみに、MOSFETに限らず、入力に対して出力や機能のオン/オフなど、何かの状態が変わる電圧や電流の値をしきい値と言います。

V_GS(th)、I_D-V_GSと温度特性

最初にI_D-V_GS特性を示すグラフから、このMOSFETのV_GS(th)を読み取ってみます。V_DS=10Vの条件は一致しています。I_Dが1mAのときのV_GSがV_GS(th)ですので、Ta=25℃の曲線と1mA（0.001A）のラインが交わるところのV_GSは、約3.8Vです。データシートには代表値（Typ）が示されていませんが、グラフからV_GS(th)のTyp値は3.8Vくらいであることがわかります。グラフの値は基本的にTyp値と解釈します。

次に、I_D-V_GS特性ですが、V_GS(th)の規格値としてはI_D=1mAでいいのですが、実際に利用する際は、4AのMOSFETを使ってI_Dが1mAという使い方はまずないと思います。例えばTa=25℃で1AのI_Dが必要な場合、このグラフから必要なV_GSは5.3Vくらいであることがわかります。

I_D-V_GSの温度特性はグラフから、高温になるとV_GSが一定ならI_Dは増加する傾向にあります。先ほどのTa=25℃でI_D=1Aの条件を例に取ると、Ta=75℃ではI_Dは1.5Aほど流せることになり、使用条件によっては注意が必要です。

順序が逆になりましたが、V_GS(th)の温度特性のグラフを見てください。I_D-V_GSのグラフから読み取ったように、25℃時V_GS(th)は約3.8Vであることわかります。このグラフの温度はTjになっていますが、「pulsed」と記載があるようにパルス試験でのデータなので、Tj≒Ta≒25℃と考えて差し支えありません。

温度特性は、V_GS(th)は高温になると低下する傾向にあることがわかります。これは、温度が上昇するとV_GS(th)が低くなると言うことは、より低いV_GSでI_Dが多く流れることを示しています。つまり、当然ですが、I_D-V_GSの温度特性と一致しています。

また、V_GS(th)は、Tjを推定するのに利用することができます。V_GS(th)の温度特性には直線性があるので、係数を割り出し、V_GS(th)の変化分から温度上昇を計算することが可能です。