CMOSとは：インバーター・NOT回路のしくみ

前回の記事で、NMOS（1でON）とPMOS（0でON）という、スイッチとしての性質が真逆な2体のトランジスタを学びました。これら2つを「ペア」として扱い、一つの目的のために組み合わせた構造をCMOS（相補型MOS）と呼びます。

CMOSとは：NMOSとPMOSの組み合わせ

「CMOS」はComplementary Metal Oxide Semiconductorの略で、日本語では相補型金属酸化膜半導体と呼ばれます。

ここで重要なのは、CMOSは特定の半導体デバイスそのものを指す名前ではなく、あくまで「p型とn型をどう配置するか」という回路の作り方（方式）を指します。

MOSFETとは：構造・動作原理・応用

CMOSの構造

CMOS回路は、2種類のトランジスタを組み合わせます。例えば、上側にPMOS、下側にNMOSを配置します。

そして、2つのゲートを1つの入力線でつなぎ、その中間地点から出力を取り出します。この「電源と地面の間にスイッチを2つ置く」というシンプルな形が、すべての計算の出発点になります。

では、このように接続したCMOS回路はどんな挙動をするのでしょうか。

CMOSの動作：信号を反転するインバーター(NOT回路)

CMOS回路を用いると、入力信号を反転させるインバーターとして機能します。すなわち、入力0の場合1を、入力1の場合は0を出力します。

CMOSがどうやって信号をひっくり返すのか、その仕組みを見ていきましょう。

ここでは分かりやすく、電源電圧（Vdd）を1.0V、GNDを0Vと仮定し、それぞれをデジタルの「1」と「0」に対応させて考えます。

• 「0（0V）」を入力した場合

下側のNMOSはOFFになり、上側のPMOSがONになります（※1Vの電源に対し、ゲートが0Vとなり、相対的に負電圧が印加されるため）。出力は電源（Vdd）とつながり、「1（1V）」が出力されます。

• 「1（1V）」を入力した場合

上側のPMOSはOFFになり、下側のNMOSがONになります。出力は地面（GND）とつながり、「0（0V）」が出力されます。

NOT回路の「真理値表」

デジタル回路の世界では、入力と出力の関係をまとめた表を「真理値表（しんりちひょう）」と呼びます。インバーター（NOT回路）の真理値表は非常にシンプルです。

入力 (A)	出力 (NOT A)
0	1
1	0

ただ0を1に、1を0に反転するだけのこのシンプルな表が、実は巨大なコンピュータの計算を支える基礎となります。では、この「反転」が具体的にどのような役に立つのか見ていきましょう。

0・1反転の計算事例：2進数の引き算と補数

「反転させるだけで何ができるの？」と思うかもしれませんが、NOT回路（インバーター）はコンピュータの引き算において極めて重要な役割を担っています。

インバーターを使った「7 - 3」の計算手順

4ビットの計算（7 - 3 = 4）を例に、インバーターがどのように計算を支えているか見てみましょう。

1. 数字を2進数にする

まず、10進数の7は「0111」、3は「0011」と表されます。

2. インバーターで「3」を反転させる

引く数である3（0011）をNOT回路に通すと、全てのビットが反転し「1100」となります。

3. 反転した数に1を足して「-3相当」を作る（補数）

反転させた1100に1を足すと、「1101」になります。これがコンピュータの世界で「-3」として機能する値（補数）となります。

4. 足し算を実行して、はみ出た桁を捨てる

元の7（0111）に、先ほどの補数（1101）を足し算します。結果は「10100」となりますが、4ビットの枠組みからはみ出た一番左の「1」を除外します。すると、残ったのは「0100」、10進数に戻すと「4」となり、正しく計算できました。