【応用情報/誰でも分かる】CMOSが超分かる！【新感覚Study】

2024.06.20 2024.06.16

アバンタイトル

IT分野は範囲がとても広いです。そのため、過去問を解いていると１ページに何個も理解できない単語が出てきます。それを一気に理解しようとするのはとても骨が折れるし、やる気も続きません。

しかし、そんな時は１周まわって１つのことに徹底集中してみるのはどうでしょうか？覚えなきゃいけないことが沢山あると、終わりが見えずモチベーションが続きません。

でも、「今日はこの１つをマスターしよう！」と１つにフォーカスすればゴールが見えて、集中力も続くようになります。また、一点集中型なので理解力も深まり応用も効くようになります。

ということで、当サイトでは１点集中をコンセプトに解説を展開しています。勉強法が定まっていなかったり悩んでいる方は是非、続きをご覧になってみてはいかかでしょうか？

はじめに

今回は、CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor、相補型金属酸化膜半導体）に関する知識をマスターしていきます。

この用語をパッと聞くだけで、めっちゃ中二病心を刺激しませんか？私はとても刺激されました！
ということで皆さんも、今回学ぶこの用語に対しては、「難しそー」とか「役に立つの？」といった思考は一旦おいて「ただかっこいいから知りたい！」というシンプルな思考でStudyしていってほしいです。

そのためにこの記事では、初心者にも超分かりやすく解説していきます。難解な専門用語も丁寧に説明し、試験対策だけでなく、実際の業務にも役立つ知識を提供します。この記事を読むことで、これらの技術がどのように機能し、どのように応用されるのかを深く理解できるようになります。それでは、一緒に学んでいきましょう！そして、「勉強しなきゃ！」という義務感ではなく「かっこいいから知りたい！」という単純な理由で楽しみながらStudyしていきましょう！

【ここで扱う疑問】

p.s.今日の一言は『もし君がトランジスタだとしたら、僕は君の空乏層を埋めるドーパントになりたい。』です。具体的な解説は最後でしています。

CMOSってなに？

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor、相補型金属酸化膜半導体）は、「相補型金属酸化膜半導体」とも呼ばれ、主に集積回路の製造に使用される技術です。これにより、低消費電力で高性能な回路を作成することができます。CMOS技術は、パソコンのCPU、スマートフォン、デジタルカメラなど、さまざまな電子機器に欠かせない要素です。

なんで低消費電力で高性能を実現できるの？

普通に疑問が浮かびますよね？なんで、低消費電力で高性能な回路作成できるの？その仕組みを詳しく知りたい！けど、IT初心者でも分かるように知りたい！

そんな気持ちを以下では、スパッと解決してきます！

トランジスタの基本動作

まず、CMOSは2種類のトランジスタ（PMOSとNMOS）を使っています。このトランジスタは、スイッチのようなもので、「オン」と「オフ」を切り替えることができます。

トランジスタ

トランジスタとは、電気信号を増幅したりスイッチのようにオン・オフを切り替えるための電子部品です。トランジスタは、現代の電子機器の基礎を成しており、スマートフォンやコンピュータ、テレビなど、多くのデバイスに使われています。

トランジスタは、主に3つの部分から構成されています。

・エミッタ（Emitter）：電流を流し出す端子。
・ベース（Base）：エミッタからコレクタへの電流の流れを制御する端子。
・コレクタ（Collector）：電流を受け取る端子。

PMOSとNMOSって何ですか？

CMOS回路は、2種類のトランジスタ（NMOSとPMOS）を使って作られています。トランジスタは、電流を流す（オン）か流さない（オフ）という2つの状態を切り替えることができる電子部品です。

NMOSトランジスタ：電圧がかかるとオンになる。
PMOSトランジスタ：電圧がかかるとオフになる。≒電圧がかからないとオン

＊オンになる＝電流を流す
＊オフになる＝電流を流さない

CMOSインバータの例

CMOSインバータは最も基本的なCMOS回路です。インバータは、入力が「1」なら出力は「0」、入力が「0」なら出力は「1」になります。

インバータの構造

CMOSインバータは、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタを組み合わせて次のように作られます：

PMOSトランジスタは電源（高電圧、Vdd）につながっています。
NMOSトランジスタはグランド（低電圧、GND）につながっています。
出力は、PMOSとNMOSの接続点です。
入力は、PMOSとNMOSのゲートにつながっています。

動作の仕組み

**入力が0（低電圧）**の場合：
- PMOSトランジスタがオンになります（電流を流す）。
- NMOSトランジスタがオフになります（電流を流さない）。
- 出力は電源（Vdd）につながり、高電圧（1）になります。
**入力が1（高電圧）**の場合：
- PMOSトランジスタがオフになります（電流を流さない）。
- NMOSトランジスタがオンになります（電流を流す）。
- 出力はグランド（GND）につながり、低電圧（0）になります。

リンク

なぜ低消費電力なのか？

静的状態での消費電力

CMOS回路は、入力が変わらないとき（静的状態）では、PMOSかNMOSのどちらか一方しかオンになっていません。
つまり、電流が一方向にしか流れないため、電力消費がほとんどありません。

動的状態での消費電力

入力が変わる瞬間（動的状態）にだけ、電流が一時的に流れます。
この瞬間的な電流だけが消費されるため、全体の消費電力は非常に低くなります。

高性能の理由は？

高速スイッチング：CMOSは高速でオン・オフを切り替えることができるため、処理速度が速いです。
高集積度：CMOSトランジスタは非常に小さく作れるため、多くのトランジスタを集積回路に詰め込むことができます。これにより、複雑な回路でも小型化でき、性能が向上します。

どうして電力をあまり使わないのか？

CMOS回路は、PMOS（正の電圧）とNMOS（負の電圧）を組み合わせて使うことで、電力消費を抑えています。具体的には次のような理由があります。

電力を消費するタイミングが少ない：
- CMOS回路は、信号が変わるときにだけ電力を使います。たとえば、電気のスイッチをつけたり消したりする時だけ電力を消費し、つけっぱなしや消しっぱなしの時はほとんど電力を使わないイメージです。
静的な状態ではほとんど電力を消費しない：
- 例えば、CMOSインバータ（NOTゲート）は、入力が0のときPMOSトランジスタがオンでNMOSトランジスタがオフ、入力が1のときNMOSトランジスタがオンでPMOSトランジスタがオフになります。このように、常にどちらか一方のトランジスタがオフになっているため、電流が流れず、静的な状態ではほとんど電力を消費しません。

インバータ

インバータ（Inverter）は、デジタル回路における基本的な論理ゲートの一つです。インバータの役割は、入力信号を反転させることです。つまり、入力が「1」（高電圧）のとき、出力は「0」（低電圧）になり、入力が「0」（低電圧）のとき、出力は「1」（高電圧）になります。

具体例で考えてみよう

インバータの例：

入力が0：PMOSがオン、NMOSがオフ。電流はPMOSを通って出力を1にします。NMOSはオフなので、電流はNMOSを通りません。
入力が1：NMOSがオン、PMOSがオフ。電流はNMOSを通って出力を0にします。PMOSはオフなので、電流はPMOSを通りません。

これにより、どちらか一方のトランジスタが必ずオフになっているため、電流の無駄な流れを防ぎ、電力の消費を抑えることができます。

要するに…

CMOS回路が低消費電力で効率的な理由は、以下の2点にまとめられます。

スイッチング時にのみ電力を消費する：信号が変わる瞬間にだけ電力が必要です。
静的な状態ではほとんど電力を消費しない：常にどちらか一方のトランジスタがオフになっており、電流の無駄な流れを防ぎます。

これにより、CMOS回路はバッテリーで動くデバイスにとって理想的な選択となり、私たちのスマートフォンやコンピュータが長時間動作することができるのです。

CMOSのメリット・デメリット

利点

低消費電力: CMOS回路は、電力消費が少ないため、バッテリー駆動のデバイスに最適です。
高集積度: 小さなチップに多くのトランジスタを集積できるため、複雑な回路を小型化できます。
高速度: 高速な動作が可能であり、現代の高速コンピュータの基盤となっています。

欠点

静電気に弱い: CMOS回路は静電気に対して脆弱であり、取り扱いには注意が必要です。
製造コスト: 高度な製造技術が必要であり、コストが高くなる場合があります。

おまけ：CMOSとバイポーラ素子

CMOSは必要な時だけ、電流を流すため低消費電力で高性能を実現しますよね。それとは、反対に常に流し続けているトランジスタがあります。それがバイポーラ素子です。

CMOSとバイポーラ素子は、それぞれ異なる特性を持ち、用途に応じて使い分けられます。CMOSは低消費電力と高集積度が求められるデジタル回路に適しており、バイポーラ素子は高速動作や高電流・高電圧制御が必要なアナログ回路や高周波回路に適しています。応用情報技術者試験では、これらの特性と応用例を理解しておくことが重要です。

さらに詳しい解説はこちらにあります↓

まとめ

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）は、常にどちらか一方のトランジスタがオフになっており、電流の無駄な流れを防ぐという特徴から、低消費電力で高性能な回路を作成することができます。この特性により、CMOSはマイクロプロセッサやメモリなどのデジタル回路で広く使用されています。動作中のみ電力を消費するため、バッテリー駆動のデバイスにも適しています。低消費電力と高集積度を求められる現代の電子機器において不可欠な技術です。