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2018.06.07 Si 파워 디바이스

MOSFET란? – 기생 용량과 그 온도 특성

Si 트랜지스터란?

앞서 기술한 Si 트랜지스터의 분류와 특징, 기본 특성에 이어, 최근 파워 스위치로서 널리 이용되고 있는 Si-MOSFET의 특성에 대해 추가로 설명하고자 합니다.

MOSFET의 기생 용량

MOSFET에는, 구조 상 하기 그림과 같은 기생 정전 용량이 존재합니다. 하기 그림은 N-ch MOSFET의 예이지만, P-ch 역시 동일합니다. 대전력을 취급하는 파워 MOSFET의 경우, 사용 주파수 및 스위칭 속도를 제한하는 파라미터로서 생각할 필요가 있습니다.

MOSFET의 게이트는 게이트 산화막에 의해 드레인 및 소스와 절연되어 있습니다. 또한, 드레인 – 소스 사이에는 서브스트레이트 (보디 / 기판)를 통해 PN 접합이 형성되어 있어, 기생 (보디) 다이오드가 존재합니다.

하기 그림의 게이트 – 소스 간 용량 Cgs 및 게이트 – 드레인 간 용량 Cgd는 게이트 산화막의 정전 용량에 따라 결정됩니다. 또한, 드레인 – 소스 간 용량 Cds는 기생 다이오드의 접합 용량입니다.

si_2-2_capf

이들 기생 용량과 관련하여, 일반적으로 MOSFET의 데이터 시트에 기재된 파라미터는 상기 표의 Ciss, Coss, Crss의 3가지입니다. 정특성과 동특성을 분류하여 기재하고 있는 데이터 시트에서는 동특성으로 분류됩니다. 이는 스위칭 특성에 영향을 주는 중요한 파라미터입니다.

Ciss는 입력 용량입니다. 게이트 – 소스 간 용량 Cgs와 게이트 – 드레인 간 용량 Cgd를 합산한 용량으로, 입력측에서 본 MOSFET 전체의 용량입니다. MOSFET를 동작시키기 위해서는 이 용량을 드라이브 (충전)할 필요가 있으므로, 입력 디바이스의 드라이브 능력, 또는 손실 검토 시의 파리미터입니다. Ciss를 드라이브 (충전)하기 위해 필요한 전하량이 Qg입니다.

Coss는 출력 용량입니다. 드레인 – 소스 간 용량 Cds와 게이트 – 드레인 간 용량 Cgs를 합산한 용량으로, 출력측의 전체 용량입니다. Coss가 크면, 게이트 OFF 시에도 출력에 Coss에서 기인한 전류가 흘러, 출력이 완전히 OFF될 때까지 시간이 필요합니다.

Crss는 게이트 – 드레인 간 용량 Cgd 자체이며, 귀환 용량 또는 역전달 용량이라고 합니다. Crss가 크면, 게이트 ON 시에도 드레인 전류의 turn-on이 늦고, OFF 시에는 turn-off가 늦어집니다. 즉, 스위칭 속도에 크게 영향을 미치는 파라미터입니다. Crss를 드라이브 (충전)하기 위해 필요한 전하량이 Qgd입니다.

또한, 이러한 용량은 드레인 – 소스 간 전압 VDS에 대한 의존성을 지니고 있습니다. 그래프가 나타내는 바와 같이 VDS를 크게 하면 용량치는 작아지는 경향이 있습니다.

MOSFET 기생 용량의 온도 특성

Ciss, Coss, Crss는 온도에 따른 변화가 거의 없습니다. 따라서, 스위칭 특성은 온도 변화의 영향을 거의 받지 않는다고 할 수 있습니다. 하기는 실측 예이므로 참고하여 주십시오.

si_2-2_cap-temp

이번에는 MOSFET의 동특성의 일종인 기생 용량에 대해 설명하였습니다. 다음에는 스위칭에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・MOSFET에는 기생 용량이 존재하며, 기생 용량은 스위칭 특성에 영향을 미치는 중요한 파라미터이다.

・기생 용량은 온도에 따른 변화가 거의 없으므로, 스위칭 특성은 온도 변화의 영향을 거의 받지 않는다.

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