CMOSとは?NOT・NAND・NORが使われる理由【半導体の歴史】

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半導体の歴史

CPUやメモリといった半導体デバイスの回路素子にはnMOSpMOSCMOSがあります。

歴史的には初めは製造が簡単なpMOSが使われてました。

しかしpMOSを動かすにはマイナスの電源電圧を加える必要がありました。

また、nMOSでは電子が動いて動作することに対しpMOSはホールが動きます。ホールは動きにくく、性能が低かったです。

製造技術の発展によりpMOSの時代が終わり、次にnMOSが主流になりました。

pMOSと比べ高性能ですがnMOSにも欠点があります。出力がLowのときに電流が流れ続けてしまうことです。

また、Low→Highのスイッチが遅く、遅延が大きかったです。

そこで、nMOSとpMOSを相補的(Complementary)に接続するCMOSが使われるようになりました。

CMOSの動作

nMOSはゲートがHighになるとONになり、pMOSはゲートがLowになるとONになります。

例えばインバーター(NOT回路)であれば、pMOSを上側に、nMOSを下側にして接続します。

出力には電源かグラウンドのいずれかがつながっているため高速に動作します。

また、電源からグラウンドへの接続は切れているため消費電力が小さいです。

現在の電子回路では高速に動作し、消費電力が少ないCMOSが主に使われています。

インバーター(NOT)に限らず、NANDやNORもCMOSで構成できます。

上半分をpMOS、下半分をnMOSで作ることでCMOSになります。厳密に言うと、pMOSが電源、nMOSがグラウンドに接続された状態にします。

ANDとORを使わない理由

また、CMOSではNOTNANDNORしか作りません。

ANDとORもnMOS、pMOSで相補的に作れるじゃないか、と思うかもしれません。

確かに、上半分(電源側)をnMOS、下半分(グラウンド側)をpMOSにすれば相補な回路になります。

しかし、もう一度nMOSとpMOSの特徴を振り返ってみます。

nMOSはHigh→Lowのスイッチは高速ですが、Low→Highのスイッチは遅いです。

反対にpMOSはLow→Highが高速でHigh→Lowは低速です。

ANDとORだとnMOSが電源の電位を伝達させ、pMOSがグラウンドの電位を電位させます。

苦手な伝達を担うことになるので、動作が遅くなってしまいます。

そのため、nMOSでグラウンドの電位を伝達し、pMOSで電源の電位を伝達するNOT、NAND、NORが使われます。

ANDを作りたいときにはNANDにNOTを接続しANDの機能をもたせます。

実際の回路設計では回路構成を考えるだけでなく、ゲート長やゲート幅などのパラメータ調整もします。 nMOSとpMOSで流れる電流の量が違うためです。

さいごに

コンピュータのCPUやメモリなどあらゆる半導体デバイスはCMOSで動作しています。

トランジスタのレベルとなると、勉強するにしても取っ掛かりにくいですがやってみると非常に奥が深いです。

技術進歩も早い分野で、ムーアの法則が有名です。

10年前の車は大切に使ってたらまだ乗れますが、10年前のPCは新品でも遅くて使い物にならないです。それくらい進歩が早いです。

せっかく勉強したことがもう化石になっていることも。

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