Was ist CMOS?

CMOS – oder der Complementary metal-oxide-semiconductor – ist ein Halbleiterelement, das in vielen modernen Computern und weiteren elektronischen Produkten Verwendung findet. Der statische RAM-Baustein kann zugleich digitale und analoge Daten speichern, verarbeiten und weiterleiten. Neben seinen vielseitigen Einsatzmöglichkeiten zeichnet er sich durch einen vergleichsweise niedrigen Leistungsverbrauch und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Strahlungen aus. Hier erfahren Sie, was CMOS ist, wie das Halbleiterbauelement funktioniert und in welchen Bereichen es vor allem eingesetzt wird.

CMOS ist ein Halbleiterbauteil, das vielen PC- und Laptop-Nutzern beispielsweise in Form des CMOS-Speichers bekannt ist. Dieser Speichertyp benötigt kaum Strom zur Sicherung von Informationen und kann deshalb auch über längeren Zeitraum durch eine kleine Batterie betrieben werden. Wie geht das?

CMOS funktioniert durch ein Wechselspiel zwischen zwei Transistoren – einem n-Kanal-MOS-FET und dem p-Kanal-MOS-FET. Sobald der n-Kanal-MOS-FET leitet, wird gleichzeitig der p-Kanal-MOS-FET gesperrt und umgekehrt. Durch die niedrige Spannung im Eingang bleibt der Querstrom bei null und Leistung wird nur beim Umschalten benötigt. CMOS-RAM brauchen zwar eine eigene Stromzufuhr, haben dabei aber einen geringen eigenen Verbrauch. Die typische Betriebsspannung liegt im Bereich zwischen 0,75 und 15 Volt und ist damit deutlich niedriger als bei bipolaren oder MOS-Schaltungen. Der CMOS-Transistor selbst ist nur wenige Millimeter groß und gilt als besonders langlebig. Die tatsächliche Lebensdauer ist abhängig von der Art und Häufigkeit der Nutzung.

Der CMOS besteht grundsätzlich aus einem n-Kanal und einem p-Kanal. Im Ruhezustand liegt die Verlustleistung bei lediglich 10 nW. Während des Schaltens ist diese vom Bautyp abhängig, Standardbaureihen kommen allerdings auf ungefähr 1 mW/MHz. Wird ein Logikgatter integriert, beträgt sie circa 10 µW/MHz. Da es sich bei CMOS um einen langsamen Speicherbaustein handelt, gibt es Betriebssysteme, die ihn nicht direkt beschreiben. In diesem Fall werden die Inhalte und die Konfiguration als Kopie im RAM abgelegt.

In einem Computer wird CMOS dazu verwendet, die BIOS-Parameter des Mainboards zu speichern. Auch wenn das Gerät über längere Zeit von der Stromzufuhr getrennt wird oder die Stromzufuhr unerwartet unterbrochen ist, sorgt der CMOS-Speicher dafür, dass die Daten, die insbesondere für die Konfiguration des Computers und seiner Hardware benötigt werden, gesichert werden. Sämtliche Systemkonfigurationsdaten, die für den Start des Systems benötigt werden, sind hier hinterlegt. Dafür versorgt CMOS die Uhr des Systems mit Strom.

Unterbrechen Sie den Kontakt zwischen Computer und CMOS und unterbrechen Sie zusätzlich die Stromzufuhr zum CMOS-RAM, werden sämtliche Konfigurationsdaten und Passwörter nach einer Zeit zurückgesetzt. So wird der Computer wieder auf seine Grundeinstellung zurückgestellt. Auch bei einem BIOS Update kommt dieses Prinzip zum Tragen. So können Sie sorgenfrei das BIOS starten und Hardware anpassen oder auf Fehlermeldungen durch BIOS-Pieptöne reagieren. Der CMOS agiert losgelöst von der restlichen Energieversorgung.

Die leistungsfähige und langlebige Batterie versorgt den CMOS durchgehend mit Strom. Verwendet wird dabei in den Standardbaureihen eine CR2032-Lithiumbatterie. Deren Lebensdauer ist in erster Linie von äußeren Einflüssen abhängig. Ist die Batterie großen Temperaturschwankungen ausgesetzt oder wird die Stromzufuhr des Rechners über einen längeren Zeitraum unterbrochen, beeinflusst das die Leistungsfähigkeit der Batterie. Dadurch schwankt die Lebenserwartung zwar, liegt im Normalfall allerdings bei mindestens zwei Jahren. Unter idealen Bedingungen kann sie den CMOS aber auch deutlich länger versorgen.

Die HCT-CMOS-Technik wurde entwickelt, um eine Komptabilität mit der TTL-Spannung zu ermöglichen. Dies war nötig, da herkömmliche HC-Eingänge bisher nicht vollends kompatibel mit den TTL-Ausgangspegeln waren. Bei der neuen Technik wurde die Transistorstruktur des CMOS an die Ausgangsspannungspegel der TTL-Spannung angepasst. Das ermöglicht nicht nur die uneingeschränkte Verbindung von TTL-Schaltkreisen und HCT-CMOS-Schaltkreisen innerhalb einer Spannung, sondern führt auch dazu, dass dabei die Geschwindigkeit der TTL-Gatter erreicht werden kann.

Das sogenannte Bi-CMOS verbindet Feldeffekt-Transistoren mit bipolaren Transistoren. Diese Kombination generiert eine hohe Stromtreiberfähigkeit, während sie gleichzeitig die Abhängigkeit von der kapazitiven Last verringert. Das wird zum Beispiel für Radarsysteme, Funksysteme und Signalschaltungen eingesetzt. Sie sind in der Fertigung allerdings ungleich teurer.

Die CMOS-Technik findet in zahlreichen elektronischen Bereichen Verwendung. Neben dem Einsatz in Prozessoren, Mikroprozessoren und Speicherelementen, werden auch andere Geräte, wie Digitaluhren mit CMOS ausgestattet. Außerdem wird die Technik im Bereich der Bordelektronik eingesetzt. CMOS-Sensoren sind in Digitalkameras und Spektrometern verbaut. Die positiven Eigenschaften der Technik, ihre hohe Resistenz, die lange Lebenserwartung und der niedrige Energiebedarf sorgen dafür, dass CMOS aus vielen modernen Geräten nicht mehr wegzudenken ist.

Wenn die Batterie des CMOS entfernt wird, wird der Inhalt des Speichers gelöscht. Dieser Vorgang kann je nach Typ in wenigen Sekunden erfolgen oder sogar mehrere Tage dauern. Deswegen sollte die Batterie nur dann entfernt werden, wenn der Speicher gelöscht werden soll. Dies kann nötig sein, wenn der Computer beim Booten Probleme hat oder wenn ein anderer BIOS-Chip eingesetzt wurde. Bei einigen Mainboards wird dieser Vorgang auch nach einem BIOS-Update empfohlen. Bei vielen PCs können Sie über den CMOS auch das BIOS-Passwort zurücksetzen. Bei den meisten Notebooks sorgt der eingebaute Diebstahlschutz allerdings dafür, dass diese Methode nicht zum gewünschten Erfolg führt.

Informationen darüber, wie der CMOS-Speicher gelöscht werden kann, finden Sie im Handbuch des jeweiligen Mainboards. Folgen Sie genau den dort hinterlegten Anweisungen, um eine Beschädigung des Mainboards oder einzelner Teile zum Beispiel durch einen Kurzschluss zu vermeiden!