1.3 MOS構造とチャネル形成の物理
1.3 MOS Structure and Channel Formation Physics
🕰️ MOSトランジスタの歴史的背景｜Historical Background of the MOS Transistor
MOS構造が開発されるまで、半導体の主流は バイポーラトランジスタ（BJT） でした。
BJTは高利得・高周波特性に優れる一方で、次のような課題を抱えていました：
Before the advent of the MOS structure, bipolar junction transistors (BJTs) were dominant.
They offered high gain and fast operation, but presented challenges:
| 特性 / Characteristic | BJTの課題 / BJT Limitations |
|---|---|
| 電流制御 | 基本が電流駆動型で、ベース電流が必要 |
| 消費電力 | 常に電流を流す必要があり、スタンバイ電力が大きい |
| スケーリング | 微細化に限界があり、大規模集積に不向き |
🔸 デジタル論理回路の要請｜Need from Logic Circuit Development
1960年代、高速・低消費電力・小型な論理スイッチ素子が求められ、
電圧で動作し、スイッチング特性に優れるMOSトランジスタが注目されました。
In the 1960s, the development of digital logic required low-power, scalable, voltage-controlled switching devices.
Thus, the MOSFET emerged as a promising candidate.
- ゲート電流が流れない → 低消費電力
- 電界制御 → 高集積化・スケーラビリティに優れる
- CMOS構成により → 消費電力を大幅に抑制
📘 図1.3-0：トランジスタ技術の発展史（簡略）
Figure 1.3-0: Simplified History of Transistor Development
🎯 本節のねらい｜Objective
MOSトランジスタは、電界によりチャネルを形成するという特徴を持ちます。
本節ではそのベースとなる MOS構造（Metal-Oxide-Semiconductor） に注目し、
構造断面・バンド図・電位変化を通じて、チャネル形成の物理を理解します。
The MOS transistor operates by forming a conductive channel via an electric field.
In this section, we analyze the MOS structure using cross-sectional views, band diagrams, and potential distributions to understand the mechanism of channel formation.
🔹 MOS構造の基本｜Basic Structure of MOS
MOS構造は以下の3層で構成されます：
- Metal（またはPoly-Si）：ゲート電極（Gate Electrode）
- Oxide（SiO₂）：絶縁膜（Gate Oxide）
- Semiconductor（p型Si）：基板（Substrate）
📘 図1.3-1：MOS構造の断面図（nMOS例）
Figure 1.3-1: Cross-Section of an nMOS Structure
🔹 ゲート電圧と空乏・反転｜Gate Voltage and Depletion/Inversion
- ゲートに正電圧（+VG）を印加すると、酸化膜越しに電界が発生
- p型基板中の正孔が反発されて減少 → 空乏層が形成
- 電界が十分強くなると、電子が引き寄せられ → 反転層（チャネル）が出現
📘 図1.3-2：空乏層と反転層の形成（MOS表面）
Figure 1.3-2: Formation of Depletion and Inversion Layers
🔹 バンド図で見るチャネル形成｜Band Diagram Interpretation
電圧印加によりバンド構造が変形：
- 空乏状態：バンドが上向きに曲がる → 電子が少ない
- 反転状態：伝導帯が下がり、電子が蓄積しチャネルが形成
📘 図1.3-3：MOS表面バンドの曲がりと反転層形成
Figure 1.3-3: Band Bending and Inversion Layer Formation
🔹 nMOSとpMOSの違い｜nMOS vs. pMOS
| タイプ | 基板（Substrate） | ゲート電圧（VG） | チャネル | 主キャリア（Carrier） |
|---|---|---|---|---|
| nMOS | p型 | 正 | n型チャネル（電子） | 電子 |
| pMOS | n型 | 負 | p型チャネル（正孔） | 正孔 |
CMOSでは、nMOSとpMOSが対称的かつ補完的に動作（次節参照）
In CMOS, nMOS and pMOS operate symmetrically and complementarily (see next section)
🔹 スイッチ動作との関係｜Connection to Switch Operation
- チャネル形成により、ソース–ドレイン間に電流が流れる経路が開通
- ゲート電圧による ON/OFF制御 が可能
- これが MOSトランジスタをスイッチとして利用する原理
This mechanism allows gate-controlled ON/OFF switching — the basis of MOS transistors as digital switches.
✅ まとめ｜Summary
| 項目 | 内容（日本語） | 内容（英語） |
|---|---|---|
| 構造 | Metal-Oxide-Semiconductorの3層構成 | 3-layer structure: Metal, Oxide, Semiconductor |
| チャネル形成 | 電界により空乏層 → 反転層へ | Electric field induces depletion, then inversion |
| バンド構造 | 表面のバンドが曲がり電子が集積 | Band bending leads to electron accumulation |
| 機能的意義 | ON/OFF制御によりスイッチ動作実現 | Enables switching via gate voltage control |
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MOSトランジスタのスイッチ動作と電流制御へ進みます
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