MOSFET

MOSFETのオン抵抗を徹底解説【温度特性が「正」の理由】

MOSFETのオン抵抗のイメージ図

  • MOSFETのオン抵抗を理解したい
  • MOSFETのオン抵抗の温度特性について知りたい

こんな質問にお答えします。

 

 

この記事を書いている私は、約10年、電子回路設計の仕事をしています。

仕事でMOSFETを使用して電子回路を設計してますので、経験に基づいて解説します。

本記事を読み終えると、MOSFETのオン抵抗について理解できるようになりますよ。

3分で読めますので、ぜひ最後までご覧ください。

 

MOSFETのオン抵抗とは

オン抵抗とは、MOSFETがオンしているときの、ドレイン - ソース間の抵抗値です。

 

MOSFETのオン抵抗

 

「MOSFETがオンしている」とは、ゲート端子に信号が入力され、ドレイン-ソース間はほぼ導通している状態です。

「ほぼ導通」といったのは、完全に導通しているわけではないからです。

つまり、少しだけ抵抗があります。それがMOSFETのオン抵抗です。

 

「MOSFETがオンしている」の意味がよく分からない人は、
以下の記事を参考にどうぞ。
「出力特性(VDS - ID特性)」の項目で詳しく解説しています。

関連記事:MOSFETの静特性【Vgs-Idと出力特性から飽和領域とピンチオフ】

 

このオン抵抗は、データシートの電気的特性に書いてあります。

 

電気的特性(Ta=25℃)
MOSFETのオン抵抗の電気的特性

東芝 NチャネルMOSFET 2SK2232 の電気的特性(データシートより抜粋)

 

このオン抵抗の値は小さい方が優れています。

なぜなら、発熱が小さくなるからです。

 

具体的に言うと、MOSFETがオンしているときの消費電力は、

消費電力 = (オン抵抗) × (ドレイン電流)^2

という式で表すことができ、この消費電力は熱として放出されます。

 

つまり、

オン抵抗が小さい
→ 消費電流が小さい
→ 発熱が小さい

となるので、オン抵抗は小さい方が良いです。

 

「抵抗値が非常に小さな値(0.1Ω以下)だけど本当に発熱するの?」と思うかもしれませんが、結構、発熱します。

 

例えば、データシートの測定条件では、VGS = 4V、ID = 12Aのとき、オン抵抗RDS = 0.057Ωなので、

消費電力 = 0.057[Ω] × 12^2[A] = 8.2[W]

となり、8.2Wも発熱します。

 

これは決して無視できるほど、小さい値ではありません。

 

オン抵抗の温度特性を理解する

MOSFETのオン抵抗には、1つだけ注意点がありまして、

それは「正の温度特性」を持っているということです。

 

正の温度特性とは、

部品の周囲温度:高 → 抵抗:大
部品の周囲温度:低 → 抵抗:小

という特性のことです。

 

「正の温度特性」というからには「負の温度特性」もあります。

負の温度特性とは、

部品の周囲温度:高 → 抵抗:小
部品の周囲温度:低 → 抵抗:大

という特性のことです。

 

MOSFETのオン抵抗は「正の温度特性」です。

 

具体的に、データシートのグラフを見てみましょう。

MOSFETのオン抵抗の温度特性

東芝 NチャネルMOSFET 2SK2232 オン抵抗の温度特性(データシートより抜粋)

縦軸:ドレイン-ソース間 オン抵抗 RDS(ON)(Ω)
横軸:ケース温度Tc(℃)
※ケース温度とは、MOSFET素子の表面温度のこと。

 

温度が高くなるほど、オン抵抗が大きくなっていることが分かります。

つまり、温度が高くなるほど発熱します。

温度が高いときに思ったよりも発熱してる・・・、
なんてことがないように、
温度によってオン抵抗が変化することを把握しておきましょう。

 

オン抵抗の温度特性が「正」の理由

MOSFETのオン抵抗が「正の温度特性」を持つ理由は、金属的な特性をもつためです。

金属は、電子が伝導の役割をします。

温度が高くなると原子核の熱運動が激しくなるため、電子の伝導を阻害し、電子の流れが悪くなります。

「電子の流れが悪くなる」を言い換えると、「抵抗が大きくなる」ということです。

 

つまり、温度:高 → 抵抗:大 なので、MOSFETのオン抵抗は正の温度特性を持ちます。

 

よくある質問1:
MOSFETは金属ではなく半導体では?

確かにMOSFETは半導体素子です。

そして、半導体は「負の温度特性」を持ちます。

 

なので、MOSFETは半導体なのに金属的な特性(正の温度特性)をもつのに矛盾を感じると思います。

 

この理由ですが、以下の構造図を見てください。

 

MOSFETのオン抵抗の構造

 

これはNチャネルMOSFETの構造図です。

 

ゲート端子に電圧VGSを印加すると、p型半導体のプラスの電荷がボディ端子に移動し、マイナスの電荷(電子)がゲート端子に移動します。

このゲート端子に集まってきたマイナスの電荷(電子)でチャネル(電流の経路)が形成され、ドレイン-ソース間が導通するようになります。

このチャネル内の電子が金属的な振る舞いをするため、MOSFETのオン抵抗は「正の温度特性」を持つことになります。

 

よくある質問2:
MOSFETは熱的に安定と聞いたのですが、どういう意味ですか?

熱的に安定というのは、熱暴走しにくいという意味です。

熱暴走とは、発熱が更なる発熱を招き、温度の制御ができなくなる状態です。

熱暴走が起こると、MOSFETが劣化したり、破壊したりします。

 

具体的に解説します。

 

MOSFETの入力特性のクロスポイント

東芝 NチャネルMOSFET 2SK2232 の入力特性(データシートより抜粋)

 

グラフの曲線がクロスしている点に着目してください。

このとき、VGS=3.3Vです。

VGS < 3.3Vのとき、
温度が高いほど、ドレイン電流ID(A)が大きく
温度が低いほど、ドレイン電流ID(A)が小さいです。

VGS > 3.3Vのとき、
温度が高いほど、ドレイン電流ID(A)が小さく
温度が低いほど、ドレイン電流ID(A)が大きいです。

 

これはどういうことかというと、

VGS < 3.3Vのとき、
ドレイン電流ID(A)が増える
→ MOSFET自体の温度が上がる
→ ドレイン電流ID(A)はより増える
→ MOSFET自体の温度はより上がる

VGS > 3.3Vのとき、
ドレイン電流ID(A)が増える
→ MOSFET自体の温度が上がる
→ ドレイン電流ID(A)は減る
→ MOSFET自体の温度が下がる

という状態です。

 

つまり、

VGS < 3.3Vのとき、
MOSFET自体の温度が上がり続けています。
これは熱暴走している状態です。

VGS > 3.3Vのとき、
MOSFET自体の温度が上がると、下がろうとするので、温度が上がり続けることはありません。
これは熱暴走しにくい状態です。

よって、MOSFETは熱的に安定(熱暴走しにくい)ですが、
VGS > 3.3Vという条件が必要になります。

 

さらに、VGS > 3.3Vという条件には注意が必要です。

クロスしているポイントは、MOSFETの個体ごとにバラツキがあります。

 

なので、データシートを見るだけでは、実際のMOSFETのクロスしているポイントを正確に把握することは難しいです。

つまり、VGSの値は「3.3V」とは限りません。

よって、常にVGSの値がクロスしているポイントよりも上にあるかどうか、はっきりしてない状態(VGS=3.4V、3.7Vなどのギリギリの値)だと、熱的に安定(熱暴走しにくい)とは言えないので、ご注意ください。

 

なお、PチャネルMOSFETでは、VGSの値はマイナスになります。

PチャネルMOSFETでも、VGSの大きさ(絶対値)が、クロスしているポイントのVGSよりも大きければ、熱的に安定(熱暴走しにくい)状態です。

 

 

MOSFETのオン抵抗は小さくなっている

MOSFETのオン抵抗は、年々小さくなっています。

その理由は、集積化の技術が進化しているからです。

 

具体的に考えてみます。

そもそもMOSFETのオン抵抗を小さくするにはどうすれば良いでしょうか?

抵抗なので、シンプルに考えて並列にすれば良いのです。

 

例えば、5Ωの抵抗を5個並列に接続すれば、1Ωになりますね。

 

MOSFETのオン抵抗の集積化

 

一応、抵抗の並列式から計算すると、

1/5 + 1/5 + 1/5 + 1/5 + 1/5 = 5/5 = 1Ω

ということです。

 

MOSFETも1つの部品(パッケージ)内部に、数多くのMOSFETを並列に接続すれば、オン抵抗が小さくなります。

これを実現するための集積化の技術は年々進化しているので、オン抵抗も年々小さくなっています。

 

身近なもので例えると、ハードディスクが分かりやすいです。

ハードディスクの外形サイズはそれほど大きくなってないのに、
ハードディスの容量は、MB(メガバイト)→ GB(ギガバイト)→ TB(テラバイト)と大きくなってますね。

これは集積化の技術が年々進化しているからです。

このまま技術が進んでいけば、いつかMOSFETの発熱を気にしない時代が来るかもしれません。

 

 

まとめ

今回はMOSFETのオン抵抗について解説しました。

MOSFETのオン抵抗を理解することはできたでしょうか?

本記事が少しでもお役に立てば幸いです。

 

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