正しく計算されたMOSFETターンオンプロセスにより、デバイスが最適な効率でオンになります。

MOSFETベースの回路を設計しているときに、MOSFETをオンにする正しい方法は何であるか疑問に思われたかもしれません。または、デバイスを完全にオンにするために、デバイスのゲート/ソース間に印加する必要のある最小電圧はどれくらいですか？

多くのデジタルシステムではこれは問題にならないかもしれませんが、DSP、FPGA、Arduinoなどの5Vシステムにはそれらの出力のブースト接続されたMOSFETの最適なスイッチング条件。

そして、これらの状況では、設計者はしきい値電圧データを取得するためにMOSFETの仕様を調べ始めます。設計者は、このしきい値レベルを超えると、MOSFETがオンになり、状態が変化すると想定しています。

ただし、これは見た目ほど単純ではない場合があります。

しきい電圧Vとは_GS（th）

まず最初に、Vで表されるしきい値電圧を認識しなければなりません。_GS（th）回路設計者が心配することはありません。

正確には、MOSFETのドレイン電流が250μAのしきい値レベルを超えるのはゲート電圧であり、これは実際のアプリケーションでは通常は発生しない可能性のある条件下でテストされます。

特定の分析中、デバイスの上記のテストには一定の5Vが使用されます。ただし、このテストは通常、デバイスのゲートとドレインが相互に接続または短絡された状態で実装されます。この情報はデータシート自体で簡単に取得できるため、このテストについて不思議なことは何もありません。

上記の表は、MOSFETの例のしきい値レベルと関連するテスト条件を示しています。

目的のアプリケーションでは、設計者は「誘導」ゲート電圧として知られる恐ろしい状況について心配する可能性があります。これは、たとえば次のローサイドMOSFETでは深刻な問題になる可能性があります。同期バックコンバータ。

前に説明したように、ここでも、しきい値Vを超えることを理解する必要があります。_GS（th）レベルは、デバイスを強制的にシュートスルーブレークダウン状態にすることはできません。このレベルは、実際には、MOSFETがオンになり始めるしきい値について設計者に通知し、物事が完全に終了する状況ではありません。

MOSFETがスイッチオフ状態にある間、ゲート電圧はV未満に維持されることが推奨される場合があります。_GS（th）レベル、漏電を防ぐため。ただし、オンにすると、このパラメータは単に無視される場合があります。

伝達特性曲線

名前の付いた別の曲線図があります伝達特性ゲート電圧の増加に応じたターンオン動作を説明するMOSFETデータシート。

正確には、これはゲート電圧とデバイスケース温度に関する電流変動分析に関連している可能性があります。この分析では、V_DSは固定レベルで保持されますが、15V前後の高レベルであり、データシートの仕様では明らかにされていない可能性があります。

上記の曲線を参照すると、20アンペアのドレイン電流の場合、3.2Vのゲート-ソース間電圧では不十分な場合があることがわかります。

この組み合わせにより、VDSは通常10 Vになり、消費電力は200ワットになります。

伝達曲線データは、線形範囲で動作するMOSFETに役立つ場合がありますが、スイッチングアプリケーションのMOSFETでは曲線データの重要性が低い場合があります。

出力特性

MOSFETの完全にオンの状態に関する実際のデータを明らかにする曲線は、以下に示すように出力曲線として知られています。

ここでは、Vのさまざまなレベルについて_GSMOSFETの順方向降下は、電流の関数として測定されます。デバイスエンジニアは、この曲線データを使用して、ゲート電圧の最適レベルを確認します。

MOSFETの完全なスイッチオンを保証するゲート電圧の各レベルに対して[R_{DS（オン）}]、電圧降下の範囲を取得します（V_GS）ドレイン電流に対して厳密に線形応答を示すドレイン-ソース間。範囲はゼロから始まります。

より低いゲート電圧（V_GS）、ドレイン電流が増加すると、曲線が線形応答を失い、「膝」を通って移動し、次に平坦になることがわかります。

“一次ハイパスフィルター伝達関数 ”

上記の曲線の詳細は、2.5 V〜3.6Vの範囲のゲート電圧に対する完全な出力特性を提供します。

MOSFETユーザーは通常、これを線形関数と見なすことができます。ただし、対照的に、デバイスエンジニアは、適用されたゲート電圧の電流飽和領域を示唆するグラフの灰色の領域にもっと注意を払うことを好む場合があります。

飽和点または飽和限界に達した現在のデータが表示されます。この時点で、V_DSを増やすと電流がわずかに増加しますが、ドレイン電流を少し増やすとVがはるかに大きくなる可能性があります。_DS。

MOSFETを完全にオンにすることができるゲート電圧レベルの増加の場合、緑色の影付きの領域は、抵抗（またはオーミック）領域として示されるプロセスの動作点を示します。

ここでの曲線は典型的な値のみを示しており、最小または最大の境界は含まれていないことに注意してください。

より低い周囲温度で動作している間、デバイスは抵抗領域にとどまるためにより高いゲート電圧を必要とし、0.3％/°Cの割合で上昇する可能性があります。

MOSFET RDS（on）とは

デバイスエンジニアがMOSFETの出力特性に遭遇する必要がある場合、彼らは本質的にRについて学びたいと思うでしょう。_{DS（オン）}特定の動作条件を参照したデバイスの

一般的に、これはVの混合である可能性があります_GSそして私_DS曲線が直線から灰色の陰影で示された部分にずれている領域全体。

上記の例、ゲート電圧3.1 V、初期電流10アンペアを考慮すると、エンジニアはRが_{DS（オン）}推定値よりも大きくなる傾向があります。そうは言っても、MOSFETメーカーがこれに関するおおよそのデータを提供することを期待していますか？

両方の量Vで_DSそして私_DS曲線で容易に取得できるため、結果のRで2つの量を除算するには、魅力的になりすぎて、しばしば降伏する可能性があります。_{DS（オン）}。

しかし、残念ながら私たちはRを持っていません_{DS（オン）}ここでの評価のために。上記の状況では利用できないようです。ロードライン抵抗を表すと、直線的に原点を通過する必要があります。

とはいえ、非線形抵抗のように集約された形で負荷線をシミュレートすることは可能かもしれません。

少なくとも、これにより、実際の作業の理解が原点（0、0）で維持されることが保証されます。

ゲート電荷曲線の特性

下の図に示すように、実際にMOSFETのターンオン仕様に関する実際のヒントを与えるのはゲート電荷曲線データです。 ：

上記の曲線はすべてのMOSFETデータシートに標準で含まれていますが、基本的な兆候がMOSFETユーザーによって理解されることはめったにありません。

さらに、トレンチゲートやシールドゲートなどのMOSFETレイアウトの最新の進歩により、データのアドレス指定を変更する必要があります。

たとえば、「gate-charge」という名前の仕様は、それ自体で少し誤解を招くように見える場合があります。

曲線の線形部分と分割部分は、それが示す非線形値の量に関係なく、コンデンサを充電する電圧のようには見えません。

正確には、ゲート電荷曲線は、大きさが異なり、異なる電圧レベルを運ぶ2つの非並列コンデンサの関連データを示します。

理論的には、MOSFETのゲート端子から見た機能容量は次の式で定義されます。

C_iss= C_gs+ C_gd

ここでC_iss=ゲート容量、C_gs=ゲートソース容量、C_gd=ゲートドレイン容量

この単位を測定してデータシートで指定するのはかなり簡単に見えるかもしれませんが、Cという用語は注意する必要があります。_iss実際には実際の静電容量ではありません。

ゲート容量Cに印加された電圧だけでMOSFETがオンになると考えるのは完全に間違っているかもしれません。_iss'。

上図に示すように、MOFETがオンになる直前は、ゲート容量は電荷を持っていませんが、ゲート-ドレインCの容量は電荷を持っています。_gd除去する必要がある負電荷を持っています。

これらの静電容量は両方とも非線形の性質を持っており、印加電圧が変化するとそれらの値は大きく変化します。

したがって、特定の電圧レベルの静電容量値ではなく、MOSFETの蓄積された電荷がそのスイッチング特性を決定することに注意することが重要です。

Cを構成する2つの静電容量要素から_iss物理的属性が異なるため、異なる電圧レベルで充電される傾向があり、MOSFETのターンオンプロセスも2段階を経る必要があります。

正確なシーケンスは、抵抗性アプリケーションと誘導性アプリケーションで異なる場合がありますが、通常、最も実用的な負荷は非常に誘導性であるため、次の図に示すようにプロセスをシミュレートできます。

ゲート充電タイミングシーケンス

MOSFETのゲート電荷タイミングシーケンスは、次の図から調べることができます。

次の説明で理解できます。

T0-T1：C_gsゼロからVまでの電荷_GS（th）..。 V_DSまたは私_DS変更はありません。
T1-T2、Vからのゲート電圧の増加に応答してMOSFETの電流が上昇し始めます_GS（th）プラトー電圧Vまで_gp。
ここで、IDSは増加し、0 Vから全負荷電流に達しますが、Vは_DS影響を受けず、一定のままです。関連する電荷は、Cの積分によって形成されます_gs0VからVまで_gp、およびQ_gsデータシートに記載されています。
T2-T3：T2とT3の間の平坦な領域を観察します。 それはミラー高原と呼ばれています。
スイッチを入れる前に、C_gd充電し、供給電圧Vまで保持します_に、私まで_DST2でピーク値I（負荷）に達します。
期間T2とT3の間の時間、負電荷（V_に-V_gp）プラトー電圧Vに対して正電荷に変換されます_gp。
これは、Vからのドレイン電圧の低下として視覚化することもできます。_にほぼゼロに。
関係する料金はC前後に等しい_gd0からVまでの積分_に、Qとして表示されます_gdデータシートで。
T3-T4の間、ゲート電圧はVから上昇します_gpVへ_GS、ここでは、Vの変更はほとんどありません。_DSそして私_DS、しかし効果的なR_{DS（オン）}ゲート電圧が上昇するとわずかに低下します。 Vを超える電圧レベルで_gp、有効なRの上限を修正するのに十分な信頼性を製造業者に提供します_{DS（オン）}。