Der Durchgangswiderstand eines MOSFETS

[Roman B. (roman_b737)]

Basierend auf einem Artikel von Robert Keim, 02. September 2016

Der Drain-to-Source Widerstand R_DS(on) ist ein wichtiger Parameter eines MOSFETs. Das Verhalten dieses Durchgangswiderstandes scheint beim ersten Betrachten simpel zu sein. Dabei kann der Widerstand zum einen hochohmig sein und der Transistor befindet sich im Sperrbereich (cutoff region). Zum anderen ist der "on state" Zustand erreicht, wenn der Betrag der Gate-to-Source Spannung V_GS größer als die Schwellenspannung V_th (threshold voltage) ist. Dadurch entsteht ein Kanal, der Drain und Source miteinander verbindet. Der Durchgangswiderstand ist dem R_DS(on) Widerstand gleichzusetzen. Ist man aber mit dem Verhalten eines MOSFETs vertraut, kommt man unweigerlich zu dem Schluss, dass dieses Modell nicht ganz den Fakten entspricht.

Zu allererst hat der MOSFET keinen wirklichen „on state“. Der Transistor befindet sich, wenn er nicht gerade sperrt, entweder im ohmschen Bereich (ohmic region oder triode region) oder im Abschnürbereich (saturation region). Im Zusammenhang mit Schaltkreisen und Kleinsignalverstärkern, die den Sperr - und ohmschen Bereich nutzen, kann man annehmen, dass der „on state“ dem ohmschen Bereich entspricht. Beispiele dafür wären das Steuern eines Motors oder Relays.

Abb. Drain Source Widerstand beim Steuern eines Relays/Motors

Der ohmsche Bereich eines MOSFETs ist nicht nur ein Widerstand. Im Folgenden die Gleichung:

(Diese Gleichung bezieht sich auf NMOS Transistoren. Für PMOS Transistoren wird anstatt eines μ_n ein μ_p verwendet). Man kann die Gleichung vereinfachen, indem man den V_DS* V_DS Term ignoriert.

Nun hat man eine lineare Beziehung zwischen I_D und V_DS. Jedoch ist der Widerstand keine Konstante, vielmehr entspricht er:

Das bringt uns zu einer wichtigen Eigenschaft des R_DS(on). Die Spannung V_GS beeinflusst den Widerstand R_DS. Im Folgenden ein Beispiel aus dem Datenblatt des Fairchild’s NDS351AN MOSFET:

Die typische Schwellenspannung für diesen Transistor beträgt 2,1 V. Ein Blick auf die V_th und R_DS(on) Spezifikation lässt irrtümlich vermuten, dass man den Transistor mit einem 3,3 V Logiksignal betreiben und die „on state“ Widerstand Performance erreichen kann. Eine solche Handhabe wäre fahrlässig, da das Datenblatt sehr genau die V_GS Spannung bezogen auf den R_DS(on) spezifiziert. Allerdings vermitteln ein oder zwei R_DS(on)/V_GS Datenpunkte nicht die extreme Steigung des „on state“ Widerstandes, die bei |V_GS| > V_th gilt. Zusammengefasst kann man sagen, dass der „on state“ Widerstand von V_GS abhängig ist. Für detaillierte Informationen wird auf die Grafik V_GS bezogen auf R_DS(on) verwiesen.

Desweiteren ist der „on state“ Widerstand nicht mit dem Widerstand gleichzusetzen, der in der obriger Gleichung dargestellt wird. Der letztgenannte ist der Widerstand des MOSFET Kanals, wohingegen der „on state“ Widerstand andere Quellen, wie den Leitungswiderstand, epitaxial layer etc.., umfasst. Die Eigenschaften des Widerstandes werden von dem Herstellungsprozess und den einzelnen Beträgen der verschiedenen Komponenten des R_DS(on) beeinflusst.

Weitere Faktoren, die auf den „on-state“ Widerstand Auswirkung haben, sind die Betriebstemperatur und der Drainstrom. Zum besseren Verständnis sind zwei Diagramme aus dem Datenblatt des NDS351AN entnommen worden.

Aus diesem Grund sollte man ein wenig Zeit in das Lesen von Datenblättern investieren, bevor man sich für einen bestimmten MOSFET entscheidet.