Edusemi-v4x

1.3 MOS構造とチャネル形成の物理

本節では、LSI回路の基本素子であるMOSトランジスタの基盤となるMOS構造（Metal-Oxide-Semiconductor）について解説します。
特に、電界によってチャネルが形成される仕組みを、構造断面・バンド図・電位変化を通して理解します。

🔹 MOS構造の基本

MOS構造は、以下の3層からなります：

Metal（または多結晶Si）：ゲート電極
Oxide（SiO₂）：絶縁膜（ゲート酸化膜）
Semiconductor（通常はp型Si）：基板領域

図1.3-1：MOS構造の断面図（nMOSを例に）
![図1.3-1 MOS構造断面](../images/mos_cross_section.png)

🔹 ゲート電圧による電界と空乏層の形成

ゲートに正の電圧（V_G）を加えると、酸化膜越しに電界がかかる
p型基板内の正孔がゲート下から排除され、空乏層（depletion region）が生じる
電界が強くなると、n型のように電子が引き寄せられ、反転層（inversion layer）が形成される

図1.3-2：V_G変化に対するMOS表面の反応（空乏→反転）
![図1.3-2 空乏と反転層の形成](../images/mos_depletion_inversion.png)

🔹 バンド図によるチャネル形成の理解

MOS構造下では、電圧印加によりバンドが曲がります：

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：表面のバンドが十分曲がり、伝導帯が下がって電子が蓄積

図1.3-3：MOS構造のバンド図と反転のイメージ
![図1.3-3 MOS表面のバンド曲がりと反転](../images/mos_band_bending.png)

🔹 nMOSとpMOSの違い（対称構造）

タイプ	基板	ゲート電圧	チャネル	主キャリア
nMOS	p型	正電圧	n型（電子）	電子
pMOS	n型	負電圧	p型（正孔）	正孔

CMOS構成では、nMOSとpMOSが対になって動作します（次節以降で解説）

🔹 スイッチ動作へのつながり

チャネルが形成されることで、ソース–ドレイン間に電流が流れる経路が開く
このON/OFFの制御が、MOSトランジスタをスイッチとして機能させる基盤です
次節では、このMOS構造をトランジスタ（nMOS/pMOS）として機能させる仕組みを扱います

✅ まとめ

MOS構造では、ゲート電圧により電界が生じ、空乏層 → 反転層が形成される
表面バンドの曲がり具合によって、チャネルの形成が決まる
この構造が、MOSトランジスタのON/OFF制御の物理的起源である

📎 次節：1.4_mos_switch.md（MOSトランジスタのスイッチ動作モデル）