Che cos’è il CMOS?

CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) è un elemento semiconduttore che trova impiego in molti computer moderni e in tanti altri dispositivi elettronici. La componente RAM statica può salvare dati sia digitali, sia analogici, così come modificarli e inoltrarli. Oltre alle molteplici possibilità d’impiego, una caratteristica peculiare e importante è il suo bassissimo fabbisogno d’energia e una minore sensibilità alle radiazioni circostanti. Vi presentiamo una panoramica esaustiva su che cos’è il CMOS, come funziona l’elemento semiconduttore e in quali settori è principalmente utilizzato.

Il CMOS è un elemento semiconduttore che molti utenti di computer desktop e portatili conoscono nella sua versione di memoria CMOS. Questo tipo di memoria non impiega quasi elettricità per conservare informazioni e pertanto può essere utilizzata anche per lunghi periodi usando una piccola batteria. Ma come può avvenire ciò?

Il CMOS funziona tramite un meccanismo d’alternanza tra due transistor, un MOSFET a canale P e un MOSFET a canale N. Quando il MOSFET a canale N conduce, specularmente il MOSFET a canale P è bloccato e viceversa. Grazie alla tensione minima in entrata, la corrente trasversale rimane zero e un’attivazione è necessaria solo in caso di commutazione. Le RAM CMOS necessitano di una propria alimentazione di corrente elettrica, l’impiego d’energia di cui hanno bisogno è tuttavia molto basso. La tensione elettrica tipica si situa tra 0,75 e 15 Volt e pertanto è nettamente minore rispetto ai circuiti bipolari oppure al transistor MOS. Il transistor CMOS ha una dimensione di pochi millimetri ed è particolarmente di lunga durata. La sua durata di vita dipende dal tipo e dalla frequenza d’uso.

Il CMOS si compone essenzialmente di un canale P e di un canale N. In stato di inattività la potenza dissipata è di soli 10 nW. Per quanto concerne la potenza dissipata nell’ambito della commutazione, ciò dipende dal tipo di costruzione, le serie standard raggiungono tuttavia valori di circa 1 mW/MHz. Se viene integrata una porta logica, essa è di circa µW/MHz. Poiché il CMOS è un elemento di memoria lento, esistono sistemi operativi che non sovrascrivono direttamente su di essa. In tal caso i contenuti e la configurazione sono salvati nella RAM come copie.

In un computer il CMOS è impiegato per salvare i parametri del BIOS della scheda madre (mainboard). Anche se l’apparecchio è stato scollegato dall’alimentazione elettrica per un lungo periodo oppure in modo inatteso, anche accidentale, c’è stata cioè un’interruzione improvvisa dell’elettricità, la memoria CMOS conserva sempre i dati, particolarmente quelli necessari per la configurazione del computer e del suo hardware. Tutti i dati della configurazione del sistema indispensabili per l’avvio del sistema operativo sono salvati in questa memoria. Il CMOS ha anche la funzione di fornire alimentazione per l’orologio del sistema.

Se interrompete il contatto tra computer e CMOS e l’alimentazione elettrica verso la RAM CMOS, tutti i dati della configurazione e le password dopo un intervallo di tempo saranno ripristinati. In tal modo il computer viene riportato alle sue impostazioni originarie. Anche nel caso di un aggiornamento del BIOS vale questo principio. Potete quindi inizializzare il BIOS per aggiornare l’hardware senza timori oppure reagire ad avvisi d’errore tramite avvisi acustici del BIOS. Il CMOS lavora in modo autonomo e indipendente dal resto dell’alimentazione elettrica.

La batteria ad alto rendimento e di lunga durata fornisce in modo costante elettricità al CMOS. Di norma per apparecchi standard viene impiegata una batteria al litio CR2032 La sua durata è in primo luogo dipendente da influssi esterni. Se la batteria è sottoposta ad ampie variazioni di temperatura e l’alimentazione elettrica del computer è interrotta per lunghi periodi, ciò influisce sul rendimento della batteria. Inoltre ha effetti sulla durata di vita, che di norma è di almeno due anni. In condizioni ideali, però, la batteria può alimentare il CMOS per periodi nettamente più lunghi.

La tecnologia CMOS HCT è stata sviluppata per rendere possibile una compatibilità con la tensione TTL. Ciò era necessario poiché le entrate HC convenzionali non erano finora pienamente compatibili con i livelli d’uscita TTL. Con la nuova tecnica, la struttura di transistor del CMOS è stata adattata al livello di tensione d’uscita del TTL. In tal modo è possibile non solo il collegamento senza limiti di circuiti TTL e circuiti CMOS HCT nell’ambito di una tensione, ma anche che la velocità della porta TTL sia raggiunta.

Il cosiddetto Bi-CMOS collega transistor a effetto di campo con transistor bipolari. Questa combinazione genera una grande attitudine alla conduttività di corrente e diminuisce simultaneamente la dipendenza dal carico capacitivo.

Ciò è impiegato, ad esempio, nei sistemi radar, sistemi radio e circuiti di segnali, che sono tuttavia molto costosi da produrre.

La tecnologia CMOS trova impiego in molti settori dell’elettronica. Oltre all’uso in processori, microprocessori e memorie, il CMOS è utilizzato anche in altri apparecchi, come gli orologi digitali. Questa tecnologia è presente anche nell’elettronica di bordo. I sensori CMOS sono integrati nelle macchine fotografiche digitali e negli spettrometri. Le caratteristiche positive di questa tecnologia, la sua elevata robustezza, la lunga durata di vita e il fabbisogno energetico ridotto rendono il CMOS indispensabile e immancabile ormai in molti apparecchi e dispositivi moderni.

Quando la batteria del CMOS viene rimossa, il contenuto della memoria è cancellato. Questo processo, in base al tipo impiegato, può durare pochi secondi o vari giorni. Per tale ragione la batteria dovrebbe essere scollegata solo quando la memoria deve essere cancellata. Ciò può essere necessario se il computer presenta problemi riguardo al boot oppure deve essere installato un altro chip del BIOS. Per alcune schede madre, questa procedura viene consigliata anche in seguito a un aggiornamento del BIOS. In molti computer tramite il CMOS potete anche ripristinare la password del BIOS. Nella maggior parte dei portatili la protezione contro i furti integrata non permette tuttavia questo metodo.

Le informazioni su come procedere per la cancellazione della memoria CMOS sono consultabili nel manuale della scheda madre (mainboard). Seguite attentamente le istruzioni contenute nel manuale per evitare danneggiamenti alla scheda madre o alle singole parti, ad esempio a causa di un cortocircuito!