nMOSとpMOSの違い：キャリア・移動度・しきい値電圧・CMOSでの役割を比較
nMOSは電子が、pMOSは正孔がチャネルを流れるMOSFETで、電圧の向きがすべて逆になります。nMOSはゲートをソースより高くするとオンになり、pMOSはゲートをソースより低くするとオンになります。シリコンでは電子の移動度が正孔の約2〜3倍あるので、同じ寸法ならnMOSの方が大きな電流を流せます。CMOS回路では、nMOSが出力をグラウンドへ、pMOSが出力を電源へ引く役割を分担し、pMOSのゲート幅を広くして駆動力をそろえます。
| 項目 | nMOS | pMOS |
|---|---|---|
| 構造 | p型の基板やpウェルの中に、n⁺のソースとドレイン | nウェルの中に、p⁺のソースとドレイン |
| チャネルを流れるキャリア | 電子 | 正孔 |
| 移動度(シリコンの反転層) | 大きい。正孔の約2〜3倍 | 小さい |
| しきい値電圧(エンハンスメント型、ソース基準) | 正(例: +0.3 V) | 負(例: −0.3 V) |
| オンになる条件 | VGS > Vth。ゲートをソースより高くする | VGS < Vth(負)。ゲートをソースより|Vth|以上低くする |
| CMOSでのソースのつなぎ先 | グラウンド側 | 電源(VDD)側 |
| CMOSでの役割 | プルダウン。出力をグラウンドへ引く。NANDでは直列、NORでは並列 | プルアップ。出力を電源へ引く。NANDでは並列、NORでは直列 |
| スイッチとして伝えやすい値 | 0をよく伝える。1はVDD − Vth程度までしか上がらない | 1をよく伝える。0は|Vth|程度までしか下がらない |
| 同じ駆動力に必要なゲート幅 | 基準(1倍) | nMOSの約2〜3倍が基本 |
| 移動度を上げるひずみ | 引っ張りひずみ(応力ライナー、Si:Cのソース・ドレインなど) | 圧縮ひずみ(SiGeのソース・ドレインなど) |
| 代表的な劣化 | PBTI(High-k/メタルゲートで問題になる) | NBTI |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。