しきい値電圧とは　電流が流れ始めるゲートの電圧、ロームのAIサーバー用MOSFETは2.0〜4.0V

しきい値電圧は、MOSFETのゲートにかける電圧を0Vから上げていったとき、ドレインとソースの間に電流が流れ始める電圧です。ロームの用語集は、「ドレイン電流が流れ始めるゲート－ソース間電圧」と定めています。記号ではVthや、VGS(th)と書きます。

どう決まり、何に効くか

ゲートに電圧をかけると、ゲート酸化膜をはさんだ下のシリコンの表面に電子が集まり、ソースとドレインをつなぐ通り道ができます。この通り道ができ始める電圧がしきい値です。値は、シリコンに加える不純物の量、ゲート酸化膜の厚さ、ゲートの材料などで変わります。

しきい値を高くすると、ゲートを0Vにしたときの漏れ電流は減ります。その代わり、オンにするために大きな電圧が要り、同じ電源電圧では流れる電流が減って切り替えが遅くなります。しきい値を低くすれば速く動きますが、オフのときに漏れる電流が増えます。速さと待機時の電力は、この値をはさんで引っ張り合う関係にあります。

大きなロジックのチップでは、同じ製造技術の中にしきい値の違うトランジスタを何種類か用意します。速さが要る回路には低いしきい値、待機時の電力を減らしたい回路には高いしきい値のものを使い分けるのが一般的です。

データシートの数字

電力用のMOSFETでは、しきい値電圧はデータシートの必須の項目です。ロームが2025年5月にAIサーバーの48V電源向けに出した100VのMOSFET、RY7P250BMの数字は次のとおりです。

ローム RY7P250BM の主な特性（データシートから）

項目	条件	値
しきい値電圧 VGS(th)	VDS＝VGS、ID＝1mA	最小2.0V、最大4.0V
しきい値電圧の温度係数	ID＝1mA、25度基準	−5.6mV/度（標準）
オン抵抗 RDS(on)	VGS＝10V、ID＝50A	標準1.43mΩ、最大1.86mΩ
駆動電圧	―	10V
接合部の最高温度	―	175度

しきい値に2.0〜4.0Vの幅があるのは、同じ品番でも製造のばらつきで値が変わるためです。10Vで駆動すれば、どの個体でも十分にオンになります。温度係数がマイナスなので、温度が100度上がるとしきい値は約0.56V下がる計算です（計算）。高温では、意図しないときにオンになりやすくなるため、回路の設計で余裕を見込みます。

関連する用語

• MOSFET：ゲートの電圧で電流を開け閉めするトランジスタ。
• リーク電流：オフのときに漏れる電流。しきい値が低いほど増えます。
• オン抵抗：オンのときのドレインとソースの間の抵抗。
• 電源電圧（Vdd）：回路にかける電圧。しきい値との差が速さを左右します。