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CMOSとは
CMOSとは「Complementary Metal Oxide Semiconductor」の略であり、日本語では「相補型金属酸化膜半導体」と表現されます。読み方は「シーモス」です。
CMOSは、pMOSFETとnMOSFETと呼ばれる2つの異なるトランジスタ技術を組み合わせた半導体回路構造です。高い集積度・低電力消費・高速性・信頼性を備えており、デジタル回路からアナログ回路に至るまで幅広く利用されています。
私たちの身近にあるパソコン・スマートフォン・タブレットにはCOMSが活用されており、高性能な計算を活かしています。他にもデジタルカメラやネットワーク機器など私たちの日常生活で多く利用されています。
CMOSとBIOSの関係
CMOSは、BIOSに関連する情報が格納されているメモリの一部です。CMOSメモリに保存された情報は、BIOSがコンピュータの正しい設定で起動するために重要な役割を担っています。コンピュータには、OSの起動やデバイスの制御などを担当するBIOSが必ず組み込まれています。
システムLSIといえばCMOS
システムLSIとは、マイクロプロセッサーや組み込みシステム向けの電子回路を1つの半導体チップに集積したものです。コンピュータのCPUに関連する基本回路にはCMOS技術が広く使用されています。この半導体チップは、論理処理とデータの記憶を同時に行う能力を持ち、小型のコンピュータのような役割があります。
CMOSの論理回路
COMSの論理回路について、0を入力すると1、1を入力すると0を出力するインバータ回路を例にして説明します。
回路の基本構造は下記のようになっています。
- nMOSとpMOSのゲートが接続 ⇒ 入力(Vin)として使用
- nMOSとpMOSのドレインが接続 ⇒ 出力(Vout)として使用
- nMOSのソースは接地に接続
- pMOSのソースは電源(VDD)に接続
nMOSとpMOSを組み合わせたシンプルな構造です。また、nMMOSとpMOSの特性を相補的に利用することで低消費電力を実現します。
CMOSの動作原理
COMSの動作原理について解説します。
CMOSインバーターは、入力電圧に応じnMOS・pMOSのどちらか一方が必ずOFFとなるため、低消費電力を実現します。電源電圧を1V、接地を0Vとして動作原理を解説します。
【Vin=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
- VoutはpMOSを通って電源と接続 ⇒ 1Vが出力
【Vin=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
- Vout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、nMOSFETまたはpMOSFETが常にオフ状態のため、電源電圧VDDからアースへの接続は存在しません。この特性により、CMOSは1や0の状態を維持する際に電力をほとんど消費しない低消費電力であるといえます。
CMOSの特徴
COMSには、以下の特徴があります。
- 消費電力が少ない
- 動作速度が速い
CMOSは低電力と現代の電子機器で利用されるデジタル回路に適しています。
ここでは、COMSの特徴について解説します。
消費電力が少ない
CMOSに電流が流れるのはスイッチング時のみで、それ以外ではほとんど電力を消費しないため、使用する電力は少なくてすみます。
一方、トランジスタを使って論理ゲートを構築する方式のTTLは、高速で信頼性が高く消費電力も大きい特徴があります。極小な部品で、LSI（大規模集積回路）には何千万ものトランジスタが組み込まれています。
トランジスタが増加すると、発熱や電力消費が増える特徴があります。発熱は半導体デバイスの誤作動（熱暴走）の原因となるため、トランジスタを多用することは抑えなければなりません。
CMOSは低消費電力のため、LSIにとって最適な回路構造として役立てられます。
動作速度が速い
CMOSに使用されるトランジスタは非常に小さいことが特徴です。微細なサイズのトランジスタは短いスイッチング時間を実現します。微細化を進めることでCMOSの動作速度は高速化し、集積度も向上します。半導体技術の進歩により、CMOSの動作速度は年々向上しています。
動作速度が速いと、高性能な電子機器やコンピュータの中核に利用できます。例えば、高速な応答が求められるスマートフォンやネットワーク機器において欠かせなくなります。
CMOSの主な用途
以下に挙げるCOMSの主な用途について解説します。
- インバーター
- イメージセンサー
インバーター
インバーターとは、入力信号を逆転させるデジタル回路で、1を0に、0を1に変換する基本的な論理ゲートです。CMOSは、入力信号が0のときに出力が1となり、逆も成り立つ特性のためインバーターとして適しているといえます。
さらに、CMOSは低消費電力であるため、現代の最新デジタル回路に適しています。
イメージセンサー
イメージセンサーは、光を受けてデジタル画像を生成するデバイスです。デジタルカメラやスマートフォンなどに搭載され、光を受光セルに変換して画像データを生成します。COMSは、消費電力が小さく高速動作が可能なため、デジタルカメラやスマートフォンに適しています。
CMOSイメージセンサーの世界市場は2022年に69億2050万米ドルと推定され、2029年までに10億500万米ドルになる見込みです。主要メーカーはSony・Samsung・OmniVision・Canon・On Semi（Aptina）などがあり、上位5社で市場の約70%を占めています。
地域別では、日本が最大の市場で約30%のシェアを占め、次に北米と韓国が続き、合計で約35%のシェアを占めています。
まとめ
CMOSは低消費電力で高速なデジタル回路に適しており、私たちの身近にある電子機器や半導体デバイスで広く使用されています。高度な集積度と信頼性を持ち、コンピュータやLSIなどさまざまなアプリケーションで重要な役割を果たしています。
COMSの技術は日々進化しているため、製造業の方は今後の動向にも注目したいところです。
