概要
「CMOS（相補的MOS)とは何か？」
構成要素であるNMOS/PMOSを紹介した上で、代表的な論理回路であるNOTゲートを例に解説する。
この記事を読むことで、NMOS/PMOSを組み合わせて論理回路を作る方法や、その動作の分析の仕方がわかるようになる。
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この記事はシリーズ「半導体からコンピュータを作る」の第５章である。
過去の章で前提となる知識を解説しているため、不明点があれば参照してほしい。
（本記事ではとくに、MOSFET/NMOS/PMOSについての知識が必要となる）
また、記事の内容を理解した後、シリーズの他の記事を読み進めることで、半導体やコンピュータに関する知識を深めることができる。
CMOS
CMOSとは？
n型MOSとp型MOSの２種類のMOSFETを組み合わせて作った電子回路を、CMOS（Complementary MOS）、日本風には相補型MOSと呼ぶ。
CMOSにおけるMOSFETの役割
MOSFETはゲート端子への入力電圧によって、ドレイン-ソース間の電流を制御できるスイッチである。
【n型MOS/NMOS】
【p型MOS/PMOS】
MOSFETには、n型MOS（NMOS）とp型MOS（PMOS）の２種類が存在する。
それぞれの動作は次のように異なる。
| 型 | 電流が流れる条件 | 電流の方向 |
|---|---|---|
| n型 | Gateに正電圧がかかる（ \(V_{Gate}>V_{Source}\) ） | Drain→Source |
| p型 | Gateに負電圧がかかる（ \(V_{Gate}< V_{Source}\) ） | Source→Drain |
簡単のため、MOSFETのゲート（Gate）端子に正電圧がかかっていることをH (High)、逆に負電圧がかかっていることをL (Low)と表記する。
これにより、n型MOSは「Hを入力すると（ドレイン-ゲート間が）通電するスイッチ」、p型MOSは「Lを入力すると通電するスイッチ」と考えることができる。
これらのMOSFETを適切に組み合わせ、Hに真（True; 1）、Lに偽（False; 0）という意味をもたせることによって、様々な論理回路を作ることができる。
NOTゲート
CMOSによる論理回路の例として、NOTゲートの作り方と動作原理を解説する。
NOTゲートの真理値表
NOTゲートとは、入力を１つ受け取り、入力の逆の値を出力する論理回路である。
つまり、入力が真なら出力は偽、入力が偽なら出力は真になる（論理反転）。
これを表に示すと、以下のようになる。
| 入力１（A） | 出力（Q） |
|---|---|
| L | H |
| H | L |
このように、ゲートへの入力と出力の対応関係を表にしたものを真理値表という。
NOTゲートの回路
上の回路図において、 Aは入力、Qは出力である。
また、 \(V_{dd}\) と \(V_{ss}\) は電源線であり、 \(V_{dd}\) は \(V_{ss}\) の対して高電位である。
つまり、 \(V_{dd}\) と繋がったところがH、 \(V_{ss}\) と繋がったところがLと考えることができる。
動作例（A = Hのとき）
MOSFETのゲートがn型またはp型の電圧条件をみたし、ドレイン-ソース間に大きな電流が流れるとき、ドレイン-ソース間は導線で繋がったのと等価であり、逆に電流が流れないときは断線していると考えることができる。
そして、導線で繋がった領域どうしは同電位である。
これをもとに、各MOSFETのゲートの状態を考えて、Hになっている領域をオレンジ色に塗りつぶして繋げると、上図のようになる。
つまり、入力Hが論理反転されて出力Lを返していることがわかる。
（なお、上図では導線・断線による電位の関係のみ注目しているので、流れる電流の向きを考慮する必要はない）
NOTゲートの回路記号
通常、上記のNOT回路はパッケージ化され、NOTゲートは上図の回路記号で表現される。
なお、回路記号のうち、NOTゲートの出力やp型MOSのゲートにある白い丸は「NOT（論理の反転）」、簡潔に言うと「逆」を意味するマークである。
次回予告
２つの入力を受け取る論理回路の例として、ORゲートの作り方と動作原理を解説する。
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