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.

Wie funk­tio­niert CMOS?

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.

Welche Aufgabe hat CMOS?

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.

Wie wird CMOS mit Strom versorgt?

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.

Wei­ter­ent­wick­lun­gen von CMOS

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.

In welchen Bereichen wird CMOS ein­ge­setzt?

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.

Wann ist ein CMOS Reset sinnvoll?

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!

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