デジタル回路

相補型金属酸化膜半導体、略して相補型MOSは、電子機器に欠かせない技術です。身近なパソコンや携帯電話など、様々な機器で使われています。この技術は、二つの異なる種類の半導体、N型MOSトランジスタとP型MOSトランジスタを組み合わせた構造が特徴です。この二つの半導体は、まるでシーソーのように反対の動きをします。 N型MOSトランジスタは、電子を流すのが得意です。電圧をかけると、電子が流れ始め、回路に電流が流れます。一方、P型MOSトランジスタは、正孔と呼ばれる電子の抜け穴を流すのが得意です。こちらも電圧をかけると、正孔が移動し、電流が流れます。重要なのは、この二つの半導体が、互いに反対の性質を持っていることです。 相補型MOSでは、この二つの半導体を巧みに組み合わせることで、電力の無駄な消費を抑えることができます。例えば、回路に電流を流したい時は、N型MOSトランジスタに電圧をかけ、P型MOSトランジスタには電圧をかけません。すると、N型MOSトランジスタだけが電流を流し、P型MOSトランジスタは電流を流しません。反対に、電流を止めたい時は、N型MOSトランジスタへの電圧を止め、P型MOSトランジスタに電圧をかけます。 このように、二つの半導体が互いに補い合うことで、電流を流す時だけ電力を消費し、電流を流さない時は電力を消費しないように制御できます。これが、相補型MOSが低消費電力である理由です。この省電力性能のおかげで、電池で動く携帯機器や、小型化が進む電子機器に広く利用されています。まるで呼吸をするように、電気が必要な時だけ流れ、不要な時は止まる、そんな巧みな仕組みが、私たちの生活を支えているのです。

今の電子機器には欠かせない部品に、相補型金属酸化膜半導体というものがあります。これは一般的にシーモスと呼ばれ、電気をあまり使わないという大きな特徴があります。一体どのようにして電気を節約しているのでしょうか。 シーモスの構造を見てみると、Ｐ型とＮ型と呼ばれる二種類のトランジスタが組み合わさっています。トランジスタとは、電気の流れを制御する小さなスイッチのようなものです。Ｐ型トランジスタとＮ型トランジスタは、それぞれ得意な電流の流し方が違います。シーモスではこの二種類のトランジスタを上手に組み合わせることで、無駄な電気を減らしています。 例えば、電気を流す必要がない時、シーモスはどちらの種類のトランジスタもほぼ完全にオフの状態にします。つまり、スイッチを切って電気が流れないようにするのです。しかし、ただスイッチを切るだけでは、次に電気を流したい時に備えて、電圧は保持しておかなければなりません。シーモスは、電気を流さない状態でも電圧を保持することができる特別な構造をしています。ちょうど、水道の蛇口を閉めても水道管の中には水圧が残っているようなものです。このように、シーモスは電気を流していない時でも電圧を維持することができ、電気を流す時だけ必要な電力を消費するので、無駄がありません。 私たちの身の回りにある、電話や持ち運びできる計算機など、電池で動く機器の多くは、このシーモスのおかげで長時間使うことができます。もしシーモスがなかったら、これらの機器はすぐに電池が切れてしまい、とても使い物になりません。シーモスは、現代の便利な生活を陰で支えている、縁の下の力持ちと言えるでしょう。