전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2018.08.09 Si 파워 디바이스

MOSFET의 임계치, ID-VGS 특성과 온도 특성

Si 트랜지스터란?

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

MOSFET의 VGS(th) : 게이트 임계치 전압

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

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

Si_2-4_spec

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

즉, VGS를 상승시키면 MOSFET가 ON되기 시작하여 (ID가 흐르기 시작), ID가 1mA일 때 VGS는 3V 이상 5V 이하 값이며, 그 값이 VGS(th)가 됩니다. 표현의 방법은 다양하겠지만, VDS=10V에서 ID=1mA일 때를 MOSFET의 ON 상태로 정의하고, 그 때의 VGS를 VGS(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.

VGS(th), ID-VGS와 온도 특성

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

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

Si_2-4_idvgs

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

오른쪽 그래프는, VGS(th)의 온도 특성을 나타낸 것입니다. ID-VGS의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 25℃일 때 VGS(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, VGS(th)는 고온이 되면 저하되는 경향이 있음을 알 수 있습니다. 온도가 상승하면 VGS(th)가 낮아진다는 것은, 보다 낮은 VGS에서 ID가 많이 흐르는 것을 나타냅니다. 즉, ID-VGS의 온도 특성과 일치합니다.

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

Si_2-4_gvthjt

키 포인트

・MOSFET를 ON시키는 전압을 게이트 임계치라고 한다.

・VGS가 일정하면 온도 상승에 따라 ID가 증가하므로, 조건에 따라서는 주의가 필요하다.

・VGS(th)의 변화로, 대략적인 Tj 추정이 가능하다.

실리콘 파워 디바이스의 특징을 활용한 어플리케이션 사례