CMOS（相補型MOS）

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CMOSとは

CMOS（シーモス、Complementary MOS＝相補型MOS）とは、P型とN型という性質が逆のMOSトランジスタをペアにして組み合わせた回路方式のことです。MOSトランジスタとは、電圧でスイッチのオン・オフを切り替えられる小さな電子部品のことです。

「相補（Complementary）」とは「お互いを補い合う」という意味です。CMOSでは2種類のトランジスタが以下のように逆向きに動きます。
・PMOS（P型）：入力が0のときON、1のときOFF
・NMOS（N型）：入力が1のときON、0のときOFF
一方がONなら必ずもう一方がOFFになる、という関係です。

身近な例で考えると、シーソーに似ています。片方が下がれば必ずもう片方が上がる──CMOSもこのように2つのトランジスタが必ず逆の状態になります。上の図解で、入力が0のときと1のときで、PMOSとNMOSのON/OFFが入れ替わる様子を確認してください。今のコンピュータのICの大部分はこのCMOSで作られています。

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構造の特徴

CMOS回路は、電源とGND（グラウンド＝基準となる0Vの線）の間に、PMOSとNMOSを上下に縦積みする構造を基本とします。一番代表的なのが、入力を反転させるインバータ（NOT回路）です。

この構造のポイントは、PMOSとNMOSが必ず逆に動くことです。
・入力が0：上のPMOSがON、下のNMOSがOFF → 出力は電源側とつながり1
・入力が1：上のPMOSがOFF、下のNMOSがON → 出力はGND側とつながり0
このように、出力は必ず電源かGNDのどちらか一方にだけつながります。

上下のトランジスタが同時にONになることがないのが構造上の最大の特徴です。これは水道の蛇口に例えると、上の蛇口（電源）と下の排水口（GND）が決して同時には開かない、という仕組みに似ています。AND・OR・フリップフロップなど、複雑な回路もこのペア構造を組み合わせて作られています。

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低消費電力の理由

CMOSが広く使われる最大の理由は消費電力がとても小さいことです。前のカードで見たとおり、入力が0でも1でも、PMOSとNMOSのどちらか一方は必ずOFFになっています。

電気は「電源 → トランジスタ → GND」とひとつながりの道ができたときだけ流れます。CMOSでは途中の片方が必ずOFF（遮断）なので、電源からGNDへ電流が突き抜けて流れ続けることがありません。
・待機時（信号が変化しないとき）：ほとんど電流が流れず、電力消費はほぼゼロ
・切り替わる瞬間だけ：出力につながる電気をためる/抜くために少しだけ電流が流れる

身近な例で考えると、節水トイレに似ています。普段は水を流しっぱなしにせず、レバーを動かした瞬間だけ水を使う──CMOSも信号が変化した瞬間だけ電気を使い、止まっている間は無駄遣いしません。この低消費電力という性質のおかげで、スマートフォンやノートパソコンのように電池で動く機器でも長時間使えるのです。

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練習問題