はじめに

MOSFETのデータシートを見ると、必ずと言っていいほど登場する「オン抵抗 RDS(on)」。
オン抵抗はMOSFETがオンしているときのドレイン－ソース間の抵抗で、MOSFETの導通損失を考えるうえで重要な特性のひとつです。
既存の「MOSFETの基礎」の記事でも、MOSFETは完全なON/OFFスイッチではなく、ゲート－ソース間電圧によってオン抵抗が変化する素子として説明しています。
Link：MOSFETの基礎 - 半導体事業 - マクニカ 

では、「実際にMOSFETを用意して、ドレイン電圧(VDS)とドレイン電流(ID)を測れば、データシートと同じオン抵抗が測れるのでしょうか？」
今回、私たち若手エンジニアが実際に測定へ挑戦してみました。結論から言うと、そんなに簡単ではありませんでした。

オン抵抗の測定回路を検討する

今回の測定では、実験室にあったTO-220FパッケージのMOSFETを使用しました。
データシートを確認すると、下図の通り、VGS=4.0 V、ID=10 Aの条件におけるオン抵抗RDS(on)の最大値が60 mΩと規定されています。そこで今回は、このVGSとIDを目標条件として測定回路を検討しました。

ところが、ここで早速つまずきました。
最初は「ゲートにDC電圧(Vgs=4.0V)をかけて測ればよいのでは？」と考えていました。また、電流制限用抵抗を考慮せずに測定しようとしていたこともありました。
しかし、さまざまな資料で調べた結果、次のような測定回路にいきつきました。

われわれの測定回路

データシートよりMOSFETのオン抵抗を約60mΩと仮定し、IDが約10Aとなるよう、Vin=11.6V、R=1.1Ωを目安に設定しました。
ただし、実際の電流値は抵抗の許容差、配線抵抗、電源電圧の変動、MOSFETの温度などによって変化します。

使用機材について

今回の測定にあたり、以下の機材を使用しました。

測定概要図

Day1：測れた！……と思ったら正しく測れていなかった

こちらが、Day1で取得した波形です。それぞれの波形について補足します。
1ch：Vgs(黄色波形)
2ch：Vds(青色波形)
3ch：Ids(赤色波形)
4ch：Vds/Ids(オレンジ色波形) ※4chはオシロスコープのMath機能を用いました。

1回目の測定では、オン抵抗として65.304 mΩという値が得られました。

しかし波形を確認すると、VDSとIDを測定していたチャンネルがクリッピングしていて、そもそも適切な波形が取得できていない可能性があることが分かりました。

今回の測定ではVDSを200 mV/div、IDを200 mA/divに設定していました。
測定対象に対して表示レンジが狭く、VDSとIDの波形がオシロスコープの表示・測定範囲を超えていました。
この状態では波形の一部が正しく取得されず、演算波形VDS/IDも信頼できません。

ここが今回の実験で最初の大きな学びでした。
オシロスコープに数字が表示されたからといって、その数字が正しいとは限りません。
測定レンジやクリッピング、プローブの設定などを含めて「その値を信用してよい測定になっているか」を確認する必要があります。

Day2：オシロスコープのレンジを見直して再チャレンジ

そこでオシロスコープの設定やレンジを見直し、クリッピングがでないように再度測定しました。波形が下図です。

2回目は、VDS ≒ 0.57V、ID ≒ 9.25Aとなり、
RDS(on) ≒ 0.57 ÷ 9.25 ≒ 62.4mΩという結果になりました。

ところが、まだ疑問が残ります。
データシート条件では、VGS=4.0V、ID=10AにおけるRDS(on)の最大値は60mΩ。

それに対して、実測値は約62.4mΩでした。

「測定は改善したはずなのに、なぜまだデータシート値より大きいのだろう？」
われわれ若手エンジニア内での考察では、ここで行き詰まってしまいました。

後編では、経験豊富なエンジニアの助言を得ながら、測定値に差が生じた原因を一つずつ検証します。
後編は2027年1月頃に公開予定です。

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