CMOSとは何か？特徴と動作原理

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のことを指します。

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のソースドレイン間に負の電圧が印加⇒pMOSFETがON

nMOSFETのゲートに電圧は印可されない⇒nMOSFETがOFF

V_outはpMOSを通って電源と接続⇒1Vが出力

• V_in=1Vの場合

nMOSFETのソースドレイン間に正の電圧が印加⇒nMOSFETがON

pMOSFETのゲートには電圧は印可されない⇒pMOSFETがOFF

V_outはnMOSを通ってアースと接続⇒0Vが出力

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

CMOSではスイッチング時しか電流が流れないため、低消費電力です。

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の動作速度および集積度は「スケーリング則」に従ってMOSFETを微細化すると向上します。

CMOSを構成するMOSFETのサイズを1/kにすると、動作速度はk倍、単位面積当たりのMOSFET数はk²になります。

微細化を進めることでCMOSの動作速度は高速化し、集積度も向上するのです。

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。論理回路には様々なものがありますが、最も基本であるNOTゲート(インバーター)にはCMOS回路が使用されています。

CMOSはパソコンのCPU等、LSIに必ず使われています。

イメージセンサー

CMOSはカメラの目であるイメージセンサーに使用されています。消費電力が小さく高速動作が可能であることから、スマホやデジカメなどに搭載されています。