MOSFET의 임계치, ID-VGS 특성과 온도 특성

지난번 MOSFET의 스위칭 특성에 이어, MOSFET의 중요 특성인 게이트 임계치 전압 및 I_D-V_GS 특성과 각각의 온도 특성에 대해 설명하겠습니다.

MOSFET의 V_GS(th) : 게이트 임계치 전압

MOSFET의 V_GS(th) : 게이트 임계치 전압은, MOSFET를 ON 시키기 위해 게이트와 소스 간에 필요한 전압입니다. 즉, V_GS가 임계치 이상의 전압이면, MOSFET는 ON됩니다.

이러한 「MOSFET의 ON」이라는 상태는 도대체 「전류 I_D가 어느정도 흐르는 상태를 말하는 것일까?」라는 의문을 가지는 분도 계시리라 생각합니다. 확실히, I_D는 V_GS에 따라 변화합니다. V_GS(th)의 규격치 관점에서 보면, 조건이 정해져 있지 않은 경우 V_GS(th)의 값을 보증할 수 없으며, 이는 MOSFET의 데이터시트에 조건이 규정되어 있습니다. 하기 표는, Nch 600V 4A 파워 MOSFET인 R6004KNX의 데이터시트에서 발췌한 것입니다.

청색 선으로 표시된 부분이 V_GS(th)로, 조건은 V_DS=10V, I_D=1mA로 표시되어 있으며, 이 조건에서 V_GS(th)는 최소 3V, 최대 5V임이 Ta=25℃에서 보증되어 있습니다.

즉, V_GS를 상승시키면 MOSFET가 ON되기 시작하여 (I_D가 흐르기 시작), I_D가 1mA일 때 V_GS는 3V 이상 5V 이하 값이며, 그 값이 V_GS(th)가 됩니다. 표현의 방법은 다양하겠지만, V_DS=10V에서 I_D=1mA일 때를 MOSFET의 ON 상태로 정의하고, 그 때의 V_GS를 V_GS(th)로 하면 3V~5V 사이의 값이라고 할 수 있습니다.

MOSFET뿐만 아니라, 입력에 대한 출력 및 기능의 ON / OFF 등, 어떠한 상태가 바뀌는 전압이나 전류 값을 임계치라고 합니다.

V_GS(th), I_D-V_GS와 온도 특성

먼저, I_D-V_GS 특성을 나타낸 하기 그래프에서 MOSFET의 V_GS(th)를 확인해 보겠습니다. V_DS=10V의 조건은 일치합니다. I_D가 1mA일 때의 V_GS가 V_GS(th)이므로, Ta=25℃의 곡선과 1mA (0.001A)의 라인이 만나는 부분의 V_GS는 약 3.8V입니다. 데이터시트에는 대표값 (Typ)이 표시되어 있지 않지만, V_GS(th)의 Typ 값은 3.8V 정도임을 그래프를 통해 알 수 있습니다. 그래프 값은 기본적으로 Typ값이라고 해석합니다.

다음으로, I_D-V_GS 특성입니다. V_GS(th)의 규격치로서는 I_D=1mA로 문제없지만, 실제 이용 시, 4A의 MOSFET를 사용하여 I_D가 1mA라는 사용 방법은 없을 것입니다. 예를 들어, Ta=25℃에서 1A의 I_D가 필요한 경우, 필요한 V_GS는 5.3V 정도라는 것을 하기 그래프를 통해 알 수 있습니다.

I_D-V_GS의 온도 특성은 그래프와 같이, 고온이 될 때 V_GS가 일정하면 I_D는 증가하는 경향이 있습니다. 앞서 설명한 Ta=25℃에서 I_D=1A의 조건을 예로 들면, Ta=75℃에서 I_D는 1.5A 정도 흐르게 되므로, 사용 조건에 따라서는 주의가 필요합니다.

오른쪽 그래프는, V_GS(th)의 온도 특성을 나타낸 것입니다. I_D-V_GS의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 25℃일 때 V_GS(th)는 약 3.8V임을 알 수 있습니다. 이 그래프의 온도는 Tj 이지만, 「pulsed」라고 기재되어 있듯이 펄스 시험에서의 데이터이므로, Tj≒Ta≒25℃로 생각하셔도 무방합니다.

온도 특성에서, V_GS(th)는 고온이 되면 저하되는 경향이 있음을 알 수 있습니다. 온도가 상승하면 V_GS(th)가 낮아진다는 것은, 보다 낮은 V_GS에서 I_D가 많이 흐르는 것을 나타냅니다. 즉, I_D-V_GS의 온도 특성과 일치합니다.

또한, V_GS(th)는, Tj를 추정하는 수단으로 이용할 수 있습니다. V_GS(th)의 온도 특성에는 직선성이 있으므로, 계수를 산출하여 V_GS(th)의 변화량으로 온도 상승을 계산할 수 있습니다.

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