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CMOS 論理回路 |
MOS （金属酸化膜半導体: metal oxide semiconductor） トランジスタには、
ソース （Source）、
ゲート （Gate）、
ドレイン （Drain） という 3 つの電極があります。
ゲートに電圧を加えることによってトランジスタを ON にしたり OFF にしたりできる、
電界効果型トランジスタ （FET: Field Effect Transistor） の一種です。
トランジスタに NPN 型と PNP 型があるように、
MOS トランジスタにも P チャネル型 MOS トランジスタ （PMOS） と
N チャネル型 MOS トランジスタ （NMOS） があります。
下図左は PMOS トランジスタで、右は NMOS トランジスタです。
（PMOS トランジスタは赤っぽい色で、 NMOS トランジスタは青っぽい色で表しています。）
いずれも、初期状態ではゲートは "0" で、 電圧は加えられていません。
PMOS トランジスタのソースは "1" に、
NMOS トランジスタのソースは "0" に
接続されています
。
ゲートに電圧が加えられていない状態では、PMOS トランジスタは ON、
NMOS トランジスタは OFF であることに注意してください。
（図では ON の場合はソース−ドレイン間は太い線で、OFF のときは点線で表しています。
ラジオボタン（radio button） の "SW" をクリックすると、 図は 「スイッチ」 に変わります。
このページの以下の図も同様。）
トランジスタはスイッチと同じ働きをしますから、
ON になっている PMOS トランジスタのドレインはソースと同じ "1" に接続されているのに対して、
OFF になっている NMOS トランジスタのドレインは、どこにも接続されていない、浮いた状態になっています。
下図のトランジスタのゲート付近をクリックすると、ゲートの "0", "1" を切り換えられます。
ゲートの電圧とトランジスタの ON - OFF の関係は、
PMOS トランジスタと NMOS トランジスタでは逆になっていることに注意して下さい。
ON - OFF が互いに逆の関係になっている PMOS トランジスタと NMOS トランジスタのドレインどうしを、
下図のようにつなぐと、
NOT 回路 （Inverter） ができます。
この図も、入力信号 A の付近や真理値表をクリックすると動きます。
各トランジスタが上図の通りに ON - OFF して、 出力 X は 入力 A が反転されたものになることを確かめて下さい。
さらに、PMOS トランジスタを並列に、 NMOS トランジスタを直列にして、下図のようにつなぐと、
NAND 回路になります。
入力 A, B や真理値表をクリックして、NAND 回路として動作することを確認して下さい。
これは NAND 回路ですから、 AND 回路が必要なら、 この後ろに NOT 回路をつけます。
逆に、PMOS トランジスタを直列に、 NMOS トランジスタを並列につなぐと、
NOR 回路になります。
これも NOR 回路ですから、OR 回路が必要なら、 AND 同様、後ろに NOT 回路をつけ加えます。
このように、逆の動きをする PMOS トランジスタと NMOS トランジスタを組み合わせた回路を、 CMOS
（相補型金属酸化膜半導体：Complementary Metal Oxide Semiconductor） といいます。
下図のように、どちらかのトランジスタが OFF になっているので、電流は流れません。
CMOS は消費電力が極めて少ない、という特徴があります。
ただし、 出力が 0 から 1、1 から 0 に切り替わる瞬間、 僅かに電流が流れます。
微々たるものですから、個々のトランジスタに流れる電流はほとんど無視できる程度ですが、
半導体技術の進歩に伴って集積度が上がり、高速化が進んでくると、話が変わってきます。
ひとつの半導体チップに 「億」 という数のトランジスタが集積され、それが数 GHz という速さで動くようになると、
この電流による発熱が問題になります。
トランジスタの小型化に伴う漏れ電流も無視できなくなりつつあり、
半導体技術の進歩も、 そろそろ限界が近づいてきました。
これまでは 「半導体の集積度は 18 カ月でほぼ 2 倍になる」 という、
いわゆるムーアの法則に沿って進歩してきましたが、今後は、難しくなるかもしれません。
update: 2007.08.03
