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1.4 MOSトランジスタのスイッチ動作モデル

本節では、MOS構造をベースにしたnMOS/pMOSトランジスタが、
論理回路においてどのようにスイッチ（ON/OFF）として機能するのかを、構造と電圧条件の観点から整理します。

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🔹 nMOSトランジスタの動作原理

nMOSは、p型基板上に形成され、正のゲート電圧でn型チャネル（電子）を形成します。

• V_GS < V_th：チャネル無し → スイッチOFF
• V_GS ≥ V_th：チャネル形成 → スイッチON

図1.4-1：nMOSの断面構造とON/OFF状態
![図1.4-1 nMOS構造と動作](../images/nmos_switch.png)

• ソース＝GND（0V）に固定し、ゲートに0V/3.3Vなどを印加して制御
• ドレインとの間に電位差をかけると、電子が流れる（ON状態）

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🔹 pMOSトランジスタの動作原理

pMOSは、n型基板上に形成され、負のゲート電圧でp型チャネル（正孔）を形成します。

• V_SG < V_th：チャネル無し → スイッチOFF
• V_SG ≥ V_th：チャネル形成 → スイッチON

図1.4-2：pMOSの構造と動作状態
![図1.4-2 pMOS構造と動作](../images/pmos_switch.png)

• ソース＝VDD（3.3V等）に固定し、ゲートを0VまたはVDDにより制御
• nMOSとは逆の動作極性

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🔹 スイッチモデルと論理回路への応用

nMOSとpMOSは、次のように論理スイッチとして抽象化できます：

種類	ゲート条件	ON時の接続	論理動作
nMOS	High（”1”）	ドレイン–ソースが導通（GND方向）	“1”で導通
pMOS	Low（”0”）	ドレイン–ソースが導通（VDD方向）	“0”で導通

図1.4-3：スイッチモデルとしてのMOS（記号・抽象図）
![図1.4-3 MOSスイッチモデル](../images/mos_switch_model.png)

このON/OFF制御とVDD/GND接続の組み合わせにより、インバータやNANDなどの論理回路が構成されます（1.5節以降で扱います）。

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🔹 電気的特性の概略（導入のみ）

• ON時の抵抗（R_on）：チャネル長・幅・移動度に依存
• I–V特性は、以下の2つの領域で変化：
  • リニア領域（小V_DS）
  • 飽和領域（V_DS > V_GS – V_th）

• 電流式（参考）：

  $I_D = \frac{1}{2} \mu C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{th})^2$

※本節では回路動作に焦点を置き、物理モデルは応用編で扱います。

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✅ まとめ

• nMOSはHighでON、pMOSはLowでON：これが基本の「論理スイッチ」動作
• ON時にはソース–ドレイン間にチャネルが形成され、電流経路が開く
• 論理回路において、MOSは電圧で制御される理想的なスイッチとみなせる
• 次節で、nMOS/pMOSの組み合わせによるCMOSインバータを導入します

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📎 次節：1.5_cmos_inverter.md（CMOS構造と論理動作）