ＣＭＯＳとは

投稿日 2023年10月20日
更新日 2023年12月7日
著者 tohan_user
カテゴリー技術情報

ＣＭＯＳ（英語表記：Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）とは半導体デバイスの名前ではなく、あくまでもｐ型ＭＯＳとｎ型ＭＯＳを組み合わせたロジック回路のことを指します。

1.ＣＭＯＳの概略

ＣＭＯＳとは、半導体素子の構造の一つで、金属酸化物でできた一対のｐ型トランジスタとｎ型トランジスタを組み合わせたものです。消費電力が少なく高速に動作するため、半導体製品の多くに採用されています。

また、そのような素子を組み合わせて製造された半導体チップや半導体製品のいくつかをＣＭＯＳと呼ぶ事があります。ＣＭＯＳイメージセンサーやパソコンの設定などを記憶させておく不揮発性メモリの事をＣＭＯＳと呼ぶ事があります。

ＣＭＯＳデバイスの重要な特性は、高い耐ノイズ性と低い静的電力消費である。ＭＯＳＦＥＴのペアのうち１つのトランジスタは常にオフであるため、直列の組み合わせはオンとオフを切り替える際に瞬間的に大きな電力を消費するだけである。そのため、ＮＭＯＳロジックやＴＴＬのように、状態変化していないときにも定常電流が流れる論理回路ほど発熱せず、チップ上に高密度に集積することが出来ます。ＣＭＯＳがＶＬＳＩチップの実装技術として最も広く使われるようになったのは、主にこのような理由によるものです。

（＊）相補型：（相補型金属酸化膜半導体 (ＣＭＯＳ)）

正電荷を持つｐ型トランジスタと負電荷を持つｎ型トランジスタの両方を使用する半導体テクノロジーです。

2.ＣＭＯＳの原理

ＣＭＯＳ回路は、ｐ型とｎ型の金属―酸化膜―半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を相補的に組み合わせて、論理ゲートやその他のデジタル回路を実装するものです。

最も基本的な論理ゲートのＮＯＴゲート（論理反転）を図１に示します。この回路において、ＶｄｄとＶｓｓは電源線（ＶｄｄはＶｓｓに対して３〜１５Ｖ程度の電位差を持つ）で、Ａが入力信号線である。Ｖｄｄ側（図中上側）がＰＭＯＳ－ＦＥＴでありＶＳＳ側（図中下側）がＮＭＯＳ－ＦＥＴです。

1.ＡがＶｓｓと同じ電位を持つとき、上のＦＥＴがオンになり、下のＦＥＴがオフになります。このため、出力Ｑの電位はＶｄｄとほぼ等しくなります。

2.ＡがＶｄｄと同じ電位を持つとき、上のＦＥＴがオフになり、下のＦＥＴがオンになります。このため、出力Ｑの電位はＶｓｓとほぼ等しくなります。つまり、Ａと反対の電位がＱに現れる事になります。

3.ＣＭＯＳの使用例（標準ロジックＩＣ）

一般的には標準ロジックＩＣとして論理回路で使用されています。

ここでは、標準ロジックＩＣについて説明していきます。

標準ロジックにはＴＴＬ(英語表記：Transistor-transistor logic)・ＢiＣＭＯＳと今までお話しいたしましたＣＭＯＳがあります。

・ＴＴＬ：

ＴＴＬはバイポーラ型ＩＣで、標準ロジックＩＣが普及する初期の製品です。ＴＴＬの特徴はCMOSロジックＩＣと比べて大電流ドライブが可能なこと、動作速度が速いことですが、消費電力が大きくなります。ＴＴＬのローレベル入力電圧ＶIL(Max)は０．８Ｖ、ハイレベル入力電圧ＶＩＨ（Min）は２．０Vになります。通称でこのレベルをＴＴＬレベルと呼んでいます。

・ＣＭＯＳ：

ＣＭＯＳロジックはＴＴＬよりも低消費電力化を実現しています。初期の頃のＣＭＯＳロジックの動作はＴＴＬよりも遅かった様ですが、現在は微細プロセスを採用する事でＴＴＬよりも高速化を実現しています。一般的なＣＭＯＳロジック（Ｖcc＝５Ｖ）のローレベル入力電圧ＶIL(Max)は１．５Ｖ、ハイレベル入力電圧ＶIH(Min)は３．５Ｖになります。なお、一部のＣＭＯＳロジックには、入力レベルをＴＴＬレベルと互換性を持たせた製品があります。

・ＢiＣＭＯＳ：

ＢiＣＭＯＳロジックは入力段と論理回路部ＣＭＯＳプロセスを使用し消費電力を抑え、出力段にバイポーラトランジスターを使用して大電流ドライブを可能にしたロジックＩＣです。ＭＯＳとバイポーラ両方のプロセスが必要なため製造プロセスが増えるためにコスト高になる様です。

３－１　インバータ

先ほどの２項での説明はインバータになります。

インバータは入力（Ａ）の信号に対して出力（Ｑ）が反転します。

これをロジックＩＣ表記で記載（真理値表と言います）しますと下図の様になります。