CMOS（CMOS: シーモス）

2025年10月18日

CMOS（CMOS: シーモス）

英語表記: CMOS

概要

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）は、現代のデジタル回路、特に論理演算（AND, OR, NOT, XOR）をハードウェアとして実現するために不可欠な半導体技術です。これは、P型とN型の2種類のMOSFET（電界効果トランジスタ）を組み合わせて構成される論理ゲートの基本的な形式であり、その最大の特長は極めて低い消費電力で動作することにあります。私たちが普段使っているコンピューターやスマートフォンの中核をなすLSI（大規模集積回路）のほとんどが、このCMOS技術によって作られている、まさに現代IT社会の土台と言える存在なのです。

詳細解説

CMOSは、私たちが抽象的に扱う「論理演算」という概念を、実際に電気信号として処理する「論理ゲート」として物理的に実現するための、最も優れて広く使われている手法です。この技術が、論理演算（AND, OR, NOT, XOR）のハードウェア実装においてデファクトスタンダードとなっているのには、明確な理由があります。

1. 低消費電力のメカニズム

CMOSの「相補型（Complementary）」という名前は、P型MOSFETとN型MOSFETが対になって動作することに由来します。この相補的な配置が、CMOSの最も重要な特長である「極めて低い消費電力」を実現します。

CMOS論理ゲートは、出力が「High（1）」または「Low（0）」の安定した状態にあるとき、基本的に電源から電流が流れない（正確にはごくわずかなリーク電流のみ）構造になっています。これは、P型トランジスタとN型トランジスタのどちらか一方は必ずオフ（電流を遮断）しているためです。電流が流れるのは、入力信号が変化し、出力状態が切り替わる瞬間だけです。つまり、論理演算の結果が安定している限り、エネルギーの浪費がほとんどないのです。これは、かつて主流だったTTL（Transistor-Transistor Logic）などの技術と比較して、圧倒的な優位性を持っています。

2. 主要コンポーネントと動作原理

CMOS論理ゲートの主要コンポーネントは、以下の2種類のトランジスタです。

P型MOSFET (PMOS): ゲートに「Low（0）」が入力されるとオン（導通）になり、ゲートに「High（1）」が入力されるとオフ（遮断）になります。
N型MOSFET (NMOS): ゲートに「High（1）」が入力されるとオン（導通）になり、ゲートに「Low（0）」が入力されるとオフ（遮断）になります。

このPMOSとNMOSを上下に直列または並列に配置することで、基本的な論理演算であるNOT、AND、ORなどを実現します。

例：NOTゲート（インバータ）の実装

最もシンプルな例として、CMOSによるNOTゲート（インバータ）を見てみましょう。NOTゲートは、入力Aが1なら出力Qは0、入力Aが0なら出力Qは1、という反転の論理演算を行います。

構成: PMOSを電源（Vdd）側に、NMOSを接地（GND）側に直列に接続し、両方のゲートに入力Aを共通で与えます。
A = High (1) の場合: PMOSはオフ、NMOSはオンになります。この結果、出力QはGND（0）につながり、電源側とは遮断されます。
A = Low (0) の場合: PMOSはオン、NMOSはオフになります。この結果、出力Qは電源（1）につながり、接地側とは遮断されます。

このように、PMOSとNMOSが常に相補的に動作し、出力が電源側（1）か接地側（0）のどちらか一方にしか接続されないため、電源とGNDの間で無駄な貫通電流が流れることがありません。この特性こそが、CMOSが現代の集積回路の論理ゲートとして選ばれ続けている最大の理由です。高密度な集積回路においても発熱を抑え、バッテリー駆動のデバイスを可能にしているのは、この賢いハードウェア実装技術のおかげなのです。

具体例・活用シーン

CMOS技術は、単に低消費電力であるというだけでなく、高い集積度と高速動作も実現できるため、現代のデジタルシステム全体で利用されています。これは、私たちが抽象的な「論理」を、現実世界で機能する「ハードウェア」として扱うための基盤です。

1. マイクロプロセッサのコア技術

皆さんが今この記事を読んでいるPCやスマートフォンのCPU（中央演算処理装置）やGPU（画像処理装置）は、数十億個ものトランジスタで構成されていますが、その一つ一つがCMOS技術に基づく論理ゲートです。ANDゲート、ORゲートなどが組み合わされて加算器やレジスタといった複雑な回路を構成し、最終的に「プログラムを実行する」という高度な論理演算を物理的に行っているのです。

2. CMOSイメージセンサー

CMOSは、論理回路以外にも応用されています。デジタルカメラやスマートフォンのカメラに搭載されているCMOSイメージセンサー（CIS）も、この技術を応用しています。イメージセンサーでは、光を電気信号に変える役割を担いますが、ここでもCMOSの低消費電力特性と高集積度を活かし、高性能なカメラを小型化することに成功しています。

3. アナロジー：賢い水道システム

CMOSの動作を理解するための比喩として、「賢い水道システム」を考えてみましょう。

CMOSの論理ゲートは、2つの独立した水路（PMOS路とNMOS路）を持つ蛇口のようなものです。

PMOS路: 高いところにある水源（電源＝1）につながっています。
NMOS路: 低いところにある排水溝（接地＝0）につながっています。
入力信号（ゲート）: 蛇口のハンドルです。

通常、水道システムでは、水を出すときには必ず水源側を開け、排水溝側を閉じます。そして、水を止めるときには水源側を閉じ、排水溝側を開けて残った水を排出します。CMOSは常にこの「水源側が開いているなら、排水溝側は必ず閉じる」という相補的な動作を徹底します。

もし両方同時に開いてしまったら、水は水源から排水溝へ真っ直ぐ流れ落ちてしまい、無駄な水流（貫通電流）が発生します。CMOSは、P型とN型のトランジスタが「お互いに補い合い、絶対に無駄な水流を起こさない」ように設計されているため、非常に効率的で、熱くならない（エネルギーを浪費しない）のです。この賢い設計によって、抽象的な論理演算の結果（水が出るか止まるか）を、効率的にハードウェアとして実現しているわけです。

資格試験向けチェックポイント

CMOSは、ITパスポートから応用情報技術者試験まで、ハードウェアの基本として頻出するテーマです。特に論理ゲートのハードウェア実装という文脈で、以下の点をしっかり押さえておきましょう。

低消費電力の原理: CMOSの最大の特長は、出力が安定しているときにほとんど電流が流れない点です。これは、P型MOSFETとN型MOSFETが相補的に（どちらか一方が必ずオフになるように）動作するためです。この「静的電力消費が低い」という点が、バッテリー駆動デバイスに必須であることを理解してください。
構成要素: CMOSは、PMOS（P型）とNMOS（N型）の2種類のトランジスタを組み合わせて構成されます。P型が電源側、N型が接地側に配置されることが多いです。
動作特性: 各トランジスタの動作（PMOSは入力Lowでオン、NMOSは入力Highでオン）を理解し、NOTゲートやNANDゲート（CMOSではNANDやNORが基本ゲートとして作りやすい）の動作図を見て、出力を導けるように練習しておきましょう。
応用分野: LSI（CPU、メモリ、ASICなど）の主要な製造技術であること、そしてイメージセンサーにも利用されていることを覚えておくと、応用問題に対応できます。
タキソノミーとの関連: 「CMOSは、論理演算（AND, OR, NOT）を物理的な電気回路である論理ゲートとしてハードウェア実装するための、最も効率的な技術である」という文脈を常に意識してください。