CMOSとは何か：特徴・動作原理と基本回路(インバーター)

CMOSとは？

CMOSの回路方式は省電力で高速動作が可能という特徴を持つことから、現代の半導体デバイスの基本構造になっています。

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。

CMOSは半導体デバイスの名前ではなく、あくまでもpMOSとnMOSを組み合わせた回路構造を指します。

MOSFETとは：動作原理・構造・応用例

CMOSの回路構造

CMOSの構造を、最も基本的な「インバーター回路」を例として説明します。インバーター回路とは、0を入力すると1、1を入力すると0を出力する回路のことです。

回路の基本構造は以下の通りです。

nMOSとpMOSを組み合わせたシンプルな構造ですが

• 入力：V_in=1 ⇒ 出力：V_out=0V
• 入力：V_in=0 ⇒ 出力：V_out=1

となるインバーター回路として機能します。

加えて、nMMOSとpMOSの特性を相補的に利用することで、低消費電力を達成可能です。

CMOSの動作原理

簡略化のため、電源電圧を1V、接地を0Vとして動作原理を説明します。

• V_in=0Vの場合

pMOSFETにはソース–ドレイン間に負の電圧がかかっておりON状態になります。一方、nMOSFETのゲートには電圧が印加されていないためOFFになります。これにより、出力V_outはpMOSFETを通じて電源と接続され、1Vが出力されます。

• V_in=1Vの場合

nMOSFETにはソース–ドレイン間に正の電圧がかかり、ON状態になります。一方、pMOSFETのゲートには電圧が印加されていないためOFFになります。その結果、出力V_outはnMOSFETを通じてアースと接続され、0Vが出力されます。

CMOSインバーター回路では常にnMOSFETまたはpMOSFETがOFF状態のため、電源電圧V_DDからアースが接続されることはありません。

1/0の状態維持に電力を必要としないため、CMOSは低消費電力です。

CMOSはなぜ低消費電力なのか？

CMOSの特徴

消費電力が小さい

トランジスタは非常に小さな素子ですが、LSI(大規模集積回路)の中には1000万個以上もトランジスタが集積されたものもあります。

トランジスタが増えると消費電力が大きくなるだけでなく、発熱も大きくなります。発熱は半導体デバイスにおいて誤作動(熱暴走)の原因になるため問題です。低消費電力なCMOSはLSIに適した回路構造です。

微細化が可能

MOSFETは構造がシンプルで平面上に形成しやすく、製造プロセスとの相性が良いため、微細化(スケーリング)に非常に適しています。CMOSは動作時の発熱が少ないため素子同士を密に配置しやすく、高密度な集積回路の構築に向いています。

CMOSは構造的な簡潔さと発熱の少なさによりスケーリングに適しており、半導体の高性能化・高集積化を支える技術となっています。

スケーリング則(デナード則)とは

CMOSの実用例

インバーター

コンピュータは、1と0の演算を行うことでデータを処理しています。論理回路にはさまざまな種類がありますが、最も基本的なNOTゲート（インバーター）にはCMOS回路が使用されています。

また、CMOSはパソコンのCPUなど、あらゆるLSI(大規模集積回路)にも広く使われています。

イメージセンサー

CMOSは、カメラの「目」にあたるイメージセンサーにも使われています。消費電力が小さく、高速動作が可能であることから、スマートフォンやデジタルカメラなどに搭載されています。

CMOSイメージセンサーとは