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Forum: News Der Durchgangswiderstand eines MOSFETS


Autor: Roman Bürkle (roman_b737)
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Basierend auf einem Artikel von Robert Keim, 02. September 2016

Der Drain-to-Source Widerstand RDS(on) ist einer der wichtigsten Parameter beim Spezifizieren eines MOSFETs. Das Verhalten des RDS(on) scheint simpel zu sein: befindet sich der FET im Sperrbereich (cutoff region), ist der Widerstand hochohmig und es fließt kein Strom (Drainstrom = 0). Wird der Betrag der Gate-to-Source Spannung \(V_GS\) größer als die Schwellenspannung (\(V_th\), threshold voltage) ist der Transistor im „on state“. Dabei verbindet ein Kanal Drain und Source miteinander und der Widerstand ist gleich dem \(R_DS on\). 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 dem Kleinsignalverstärker, 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.

Drain-Source Widerstand
Drain-Source Widerstand

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

(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 VDS*VDS 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 3,3V 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“ Widerstands, die bei \(|V_GS|\) > \(V_th\) gilt. Zusammengefasst kann man sagen, dass der „on state“ (ohmscher Bereich) Widerstand vom \(V_GS\) abhängig ist. Für detaillierte Informationen wird auf die Grafik ( \(V_GS\) vs. \(R_DS on\) verwiesen.

Desweiteren ist der „on state“ Widerstand nicht mit dem Widerstand gleichzusetzen, der in Gleichung 1-3 oben 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 eines 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.

Temperaturabhängigkeit Drain-Source Widerstand
Temperaturabhängigkeit Drain-Source Widerstand
Ausgangskennlinienfeld eines MOSFETs
Ausgangskennlinienfeld eines MOSFETs

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


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