CMOS-ICの動作原理について
CMOS-IC（相補型金属酸化膜半導体）の動作原理は以下の通りです。
| 特性 | 詳細 |
|---|---|
| 基本構造 | – p型MOSFETとn型MOSFETを相補的に組み合わせた回路構造 – 最も基本的な例はCMOSインバーター回路 |
| CMOSインバーターの動作 | 1. 入力が低電圧（0V）の場合： – pMOSFETがON、nMOSFETがOFF – 出力は電源電圧（高電圧）に接続 2. 入力が高電圧（1V）の場合： – nMOSFETがON、pMOSFETがOFF – 出力は接地（低電圧）に接続 |
| 低消費電力の仕組み | 1. 常に一方のトランジスタがOFF： – 電源から接地への直接的な電流経路が遮断 2. 静的消費電力の最小化： – 論理状態の維持に必要な電力が極めて小さい – 電力消費は主にスイッチング時にのみ発生 |
| 高速動作 | – トランジスタのスイッチング速度が速い – 低消費電力により発熱が抑えられ、高集積化と高速動作の両立が可能 |
| ノイズ耐性 | – 入力信号のしきい値が明確で、ノイズの影響を受けにくい設計 – 信号の正確性が高く、安定した動作が可能 |
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基本構造
CMOS-ICは、p型MOSFETとn型MOSFETを相補的に組み合わせた回路構造です。最も基本的な例として、CMOSインバーター回路をご紹介します。
CMOSインバーターの動作
1. 入力が低電圧（0V）の場合
・pMOSFETがONになり、nMOSFETがOFFになります。
・出力は電源電圧（高電圧）に接続されます。
・pMOSFETがONになり、nMOSFETがOFFになります。
・出力は電源電圧（高電圧）に接続されます。
2. 入力が高電圧（1V）の場合
・nMOSFETがONになり、pMOSFETがOFFになります。
・出力は接地（低電圧）に接続されます。
・nMOSFETがONになり、pMOSFETがOFFになります。
・出力は接地（低電圧）に接続されます。
低消費電力の仕組み
CMOSの特徴的な低消費電力は、以下のメカニズムによって実現されます。
1. 常に一方のトランジスタがOFF
・入力状態に関わらず、pMOSFETとnMOSFETのどちらか一方が必ずOFF状態になります。
・これにより、電源から接地への直接的な電流経路が遮断されます。
・入力状態に関わらず、pMOSFETとnMOSFETのどちらか一方が必ずOFF状態になります。
・これにより、電源から接地への直接的な電流経路が遮断されます。
2. 静的消費電力の最小化
・論理状態の維持に必要な電力が極めて小さくなります。
・電力消費は主にスイッチング時にのみ発生します。
・論理状態の維持に必要な電力が極めて小さくなります。
・電力消費は主にスイッチング時にのみ発生します。
高速動作
CMOSは高速動作も可能です。
・トランジスタのスイッチング速度が速いため、高速なデータ処理が可能です。
・低消費電力により発熱が抑えられ、高集積化と高速動作の両立が可能になります。
・低消費電力により発熱が抑えられ、高集積化と高速動作の両立が可能になります。
ノイズ耐性
CMOSは優れたノイズ耐性を持ちます。
・入力信号のしきい値が明確で、ノイズの影響を受けにくい設計になっています。
・これにより、信号の正確性が高く、安定した動作が可能です。
・これにより、信号の正確性が高く、安定した動作が可能です。
これらの特性により、CMOS-ICは現代の半導体デバイスの基本構造として広く採用されています。
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