1.4 MOSトランジスタのスイッチ動作モデル
1.4 Switching Behavior Model of MOS Transistors
🎯 本節のねらい｜Objective
MOS構造に電圧を印加することで形成されるチャネルが、
どのようにデジタルスイッチとして機能するかを、
nMOS / pMOS の構造・電圧条件・ON/OFF制御の視点で整理します。
This section explains how the channel formed by gate voltage in a MOS structure functions as a digital switch, focusing on nMOS / pMOS structure, voltage conditions, and ON/OFF control.
🔹 nMOSトランジスタの動作原理
🔹 Operating Principle of nMOS
nMOSは、p型基板上に形成され、正のゲート電圧によってチャネル（電子）が形成されます。
- VGS < Vth：チャネル形成されず → OFF
- VGS ≥ Vth：チャネル形成 → ON
📘 図1.4-1：nMOS構造とON/OFF状態
Figure 1.4-1: Structure and Operation of nMOS
- ソースは GND（0V）に固定
- ゲートに 0V / 3.3V などを印加し、ON/OFF を制御
- ON状態では、電子がドレイン→ソース方向に流れる
🔹 pMOSトランジスタの動作原理
🔹 Operating Principle of pMOS
pMOSは、n型基板上に形成され、負のゲート電圧によりチャネル（正孔）が形成されます。
- VSG < Vth：チャネル無し → OFF
- VSG ≥ Vth：チャネル形成 → ON
📘 図1.4-2：pMOS構造とON/OFF状態
Figure 1.4-2: Structure and Operation of pMOS
- ソースは VDD（例：3.3V）に固定
- ゲートを0VまたはVDDで制御
- nMOSとは極性が逆（LowでON）
🔹 スイッチモデルと論理回路への応用
🔹 Switch Model and Logic Applications
MOSトランジスタは以下のように、論理スイッチとしてモデル化できます：
| 種類 | ゲート条件 | ON時の接続 | 論理的意味 |
|---|---|---|---|
| nMOS | High（”1”） | ドレイン–ソース間導通（GND方向） | “1”でON |
| pMOS | Low（”0”） | ドレイン–ソース間導通（VDD方向） | “0”でON |
📘 図1.4-3：MOSスイッチモデル（記号・抽象化）
Figure 1.4-3: Abstract Switch Model of MOS
これにより、インバータ・NANDなどの論理回路が構成可能です（1.5節で詳述）。
🔹 電気的特性（導入のみ）
🔹 Electrical Characteristics (Introductory)
- ON抵抗（Ron）は、W/Lや移動度μに依存
-
I–V特性には2領域：
- リニア領域（VDS ≪ VGS − Vth）
- 飽和領域（VDS > VGS − Vth）
-
飽和領域での電流式（参考）：
\[I_D = \frac{1}{2} \mu C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{th})^2\]
※詳細は後の章または応用編で扱います。
✅ まとめ｜Summary
| 観点 | 内容（日本語） | 内容（英語） |
|---|---|---|
| nMOS | HighでON（GNDに接続） | Turns ON when Gate is High |
| pMOS | LowでON（VDDに接続） | Turns ON when Gate is Low |
| チャネル | ゲート電圧で形成される導電路 | Conductive path formed by gate voltage |
| 意義 | 論理回路の理想的スイッチ素子として機能 | Functions as an ideal switch in logic |
📎 次節リンク｜Next Section: 1.5_cmos_inverter.md
CMOS構造によるインバータ動作へ進みます
Proceed to CMOS structure and inverter operation