📘 4.2 MOSトランジスタの動作原理と特性
4.2 MOS Transistor Operation and Electrical Characteristics
🎯 節の目的｜Objectives
| 🇯🇵 日本語 |
🇺🇸 English |
| MOSトランジスタの基本的な電気特性（$V_{th}$, Id-Vg, $g_m$, SSなど）を整理し、設計と物理の橋渡しを行う |
Understand key MOSFET characteristics ($V_{th}$, Id-Vg, $g_m$, SS, etc.) and their implications for design. |
🔌 しきい値電圧 $V_{th}$（Threshold Voltage）
▶ 定義と物理的意味｜Definition & Physical Meaning
- ゲート電圧がチャネルに反転層を形成し、電流が流れ始める境界
- Typically: $V_{th} \approx 0.4 \sim 0.6\,\mathrm{V}$（プロセス依存）
▶ 設計上の影響｜Design Relevance
| 高 $V_{th}$ |
低 $V_{th}$ |
| リーク電流低減 |
高速動作可能 |
| 遅延増大 |
スタンバイ電流増大 |
🧠 Multi-Vthセルの選定やバイアス制御などの設計戦略と深く関係
📈 Id-Vg 特性とチャネル動作領域｜Id-Vg Curve and Operating Regions
| 領域｜Region |
条件｜Condition |
特性｜Characteristics |
モデル｜Model |
| カットオフ｜Cutoff |
$V_{gs} < V_{th}$ |
OFF状態 / リーク支配 |
サブスレモデル |
| リニア｜Linear |
$V_{ds} \ll V_{gs} - V_{th}$ |
抵抗動作 |
$I_d \propto V_{ds}$ |
| 飽和｜Saturation |
$V_{ds} \ge V_{gs} - V_{th}$ |
定電流動作 |
$I_d \propto (V_{gs} - V_{th})^2$ |
📌 波形測定やSPICEシミュレーションを通じて、領域ごとの挙動を可視化できる
⚙ トランスコンダクタンス $g_m$（Transconductance）
▶ 定義｜Definition
\[g_m = \frac{\partial I_d}{\partial V_{gs}}\]
$g_m$ は「ゲート電圧変化 → ドレイン電流変化」の変換効率を表す指標
▶ 設計との関係｜Design Relevance
- $g_m$ 増加 → 高速応答・高ゲイン・スルーレート改善
- $g_m$ は W/L 増加、バイアス電流増加により向上
- アナログ回路では性能・消費電力のトレードオフ制御の鍵
🔍 サブスレッショルド領域と SS｜Subthreshold and Subthreshold Swing (SS)
- $V_{gs} < V_{th}$ 領域でも、指数関数的に電流が流れる
- SS（サブスレッショルドスイング）:
\[\mathrm{SS} = \frac{dV_{gs}}{d(\log I_d)} \quad [\mathrm{mV/dec}]\]
▶ 教育的意義｜Educational Perspective
| 特性 |
教育的含意 |
| SSが小さい |
ON/OFF切り替えが急 → 低電圧設計に有利 |
| sky130等のSS例 |
約 80〜100 mV/dec |
🧰 設計と特性の関係｜Design Implications
| 特性 |
回路設計との関係 |
| $V_{th}$ |
セル選定、リーク抑制、バイアス制御 |
| Id-Vg |
スイッチング速度、閾値感度、面積最適化 |
| $g_m$ |
増幅回路の設計、高速化、電力最適化 |
| SS |
スタンバイ消費電力、動作マージン、低電圧適応性 |
🖼️ 図解予定｜Planned Visual Aids
- Id-Vg 曲線（リニア／飽和／サブスレ領域表示）
- $g_m$ の定義グラフ（傾き図）
- SS の $\log I_d$ 特性図（指数→直線）
🔄 次節への接続｜Transition to Next Section
| 🇯🇵 日本語 |
🇺🇸 English |
| 次節では、MOS特性に影響を与える長期信頼性（BTI, HCIなど）を扱います。 |
Next, we discuss long-term reliability effects such as BTI and HCI. |
👉 4.3 個別信頼性（BTI, HCIなど） に進む
👉 Go to 4.3: Device Reliability (BTI, HCI, etc.)
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