CMOSとは、「Complementary Metal-Oxide-Semiconductor（相補型金属酸化膜半導体）」の略です。
NチャネルMOSFET（NMOS）と PチャネルMOSFET（PMOS）を相補的に組み合わせて、
低消費電力・高集積・高信頼性を実現した構造です。

現代のマイクロプロセッサ、メモリ、スマートフォンなど、
ほぼすべてのデジタル回路がこのCMOS技術を基盤としています。

CMOSは、次の2種類のMOSFETを1組として動作します。

・NMOS：電子をキャリアとし、ゲートに正電圧でON。
・PMOS：正孔をキャリアとし、ゲートに負電圧でON。

この2つを「直列接続」し、入力信号によって一方がON・もう一方がOFFになるように構成することで、
無駄な電流が流れない仕組みを実現しています。

CMOSの基本単位はインバータ（反転器）です。
その構成は次の通りです。

・上側にPMOS（電源VDDと出力間）

・下側にNMOS（出力とGND間）

・ゲート端子を共通の入力信号に接続

動作は非常にシンプルです。

1. 入力が「L（0V）」の場合：
   　→ PMOSがON、NMOSがOFF。
   　→ 出力はVDD（H）になる。
2. 入力が「H（VDD）」の場合：
   　→ PMOSがOFF、NMOSがON。
   　→ 出力はGND（L）になる。

結果として、入力信号を反転した出力が得られます。

CMOSの最大の特長は、静的消費電力が非常に小さいことです。

　●　入力がHまたはLのいずれかの状態では、どちらか一方のトランジスタしかONにならない。

　●　そのため、電源からGNDへの直流電流がほとんど流れない。

　●　消費電力が発生するのは、スイッチング時（状態が変化するとき）のみ。

この「電流が流れない状態で情報を保持できる」という性質が、
CMOSを今日の超低消費電力技術の基盤にしました。

CMOSインバータを基本として、より複雑な論理回路を構成します。

・N AND回路（ANDの否定）
・N OR回路（ORの否定）
・X OR回路（排他的論理和）

これらを多数組み合わせることで、
加算器（ALU）、制御回路、メモリセル、CPUコアといった高度な演算機能を構築できます。

CMOS技術が標準化した理由は、その優れたバランス性にあります。

• 静的消費電力が極めて低い
• ノイズ耐性が高く、安定動作
• 集積化が容易で、製造プロセスが単純
• 動作速度が高く、温度特性も良好

これにより、高性能・小型・低消費電力という三拍子が揃った回路設計が可能になりました。

微細化が進む中で、以下のような課題も顕在化しています。

• トランジスタ間のリーク電流増加（電力ロス）
• ゲート酸化膜の薄膜化による絶縁破壊
• しきい値電圧（Vth）のばらつき
• 配線抵抗・寄生容量の影響による遅延増大

これらの問題を解決するため、
FinFET構造やGAA構造といった次世代CMOSアーキテクチャが導入されています。

・ CPU、GPUなどのロジック回路
・ メモリ（SRAM、DRAM）
・ マイコン、センサーIC
・ 電源管理IC（PMIC）
・ ディスプレイドライバ、イメージセンサー

つまり、「電子頭脳」と呼ばれる部分のほぼ全てがCMOS技術で構築されています。

・ CMOSは、NMOSとPMOSを相補的に組み合わせた構造。
・ 入力電圧によって片方がON・もう片方がOFFになる。
・ 静的電力がほぼゼロで、スイッチング時のみ消費電力が発生。
・ 微細化とともにFinFETなど新構造への進化が進行中。
・ 現代の集積回路技術の標準構造である。

１．CMOSとは何の略か？

２．CMOSで消費電力が少ない理由は？

３．CMOSの基本構成素子は何か？

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。