Grundlagen der Datenverarbeitung - Bauelemente
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Grundlagen der Datenverarbeitung Bauelemente Mag. Christian Gürtler 5. Oktober 2014 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 1 / 34 Inhaltsverzeichnis I 1 Einleitung 2 Halbleiter Energiezufuhr Dotierung pn-übergang Dioden Transistor Elektronische Schaltungen RS-Flip-Flop 3 Logische Schaltungen NOR-Schaltung OR-Schaltung NOT-Schaltung NAND-Schaltung AND-Schaltung 4 Einsatzmöglichkeiten von Logischen Schaltungen Komparator – Vergleich von 2 Eingängen Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 2 / 34 Inhaltsverzeichnis II Halbaddierer – Addition zweier Bits (0 und 1) Volladdierer – Kombination 2er Halbaddierer Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 3 / 34 Einleitung 2 wichtige Erfindungen. 1948/49: Transistor (John Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley) 1960: Planar-Diffusionstechnik (Transistorherstellung) dadurch IC’s möglich Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 4 / 34 Halbleiter Festkörper kristallin keine metallische Bindung geringere Leitfähigkeit als Metalle Leitfähigkeit temperaturabhängig Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 5 / 34 Leitfähigkeit Atommodell: Elektronen auf bestimmten Bändern untere Bänder für Bindung (energiearm) obere Bänder für Leitung (energiereich) Energie Leitungsband leer Leitungs- und Bindungsband verschmolzen Bindungsband Nichtleiter Mag. Christian Gürtler Halbleiter Leiter Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 6 / 34 Elektronen können wandern vom Bindungsband ins Leitungsband ⇒ im Bindungsband entsteht ein Loch ⇒ Besetzung durch Elektron eines Nachbaratoms ⇒ Löcher wandern entgegengesetzt zu Elektronen Eigenleitfähigkeit Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 7 / 34 Dotierung I Leitfähigkeit erhöht durch Fremdatome Störstellenleitfähigkeit Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 8 / 34 Dotierung II Halbleiter: 4 Elektronen an Bindung beteiligt (Si) Dotierung mit Atomen mit 5 Elektronen (P, Sb) – Donator Si Si Si Si P Si Si Si Si Diese Abbildung zeigt ein Siliziumgerüst (Si hat je 4 Bindungen), in der Mitte ist ein Phosphor mit 5 Bindungen eingebunden, daher bleibt eine Bindung über – dieser Halbleiter ist n-dotiert n-dotiert (n-Halbleiter) Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 9 / 34 Dotierung III Dotierung mit Atomen mit 3 Elektronen (B) Si Si Si Si B Si Si Si Si Diese Abbildung zeigt ein Siliziumgerüst (Si hat je 4 Bindungen), in der Mitte ist ein Bor mit 3 Bindungen eingebunden, daher bleibt ein Loch– dieser Halbleiter ist p-dotiert p-dotiert (p-Halbleiter) Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 10 / 34 pn-Übergang meisten Halbleiterelemente basieren auf pn-Übergängen Dioden, Transistoren Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 11 / 34 Dioden _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + - + Sperrrichtung _ _ _ _+ + + + _ _ _ _+ + + + _ _ _ _+ + + + - n p - Eine Diode ist vertikal in zwei Hälften gegliedert, eine ist p-dotiert, die andere n-dotiert. Liegt die n-dotierte Hälfte am Plus-pol, so ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet, da der Plus-Pol die negative Ladung und der Minus-Pol die positive Ladung der Diode anzieht und in der Mitte ein Raum ohne Ladung bleibt. Werden die Pole vertauscht, ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet – der Minus-Pol stößt die negative Ladung in der Diode ab, ebenso der Plus-Pol die positive Ladung. In der Mitte kommt es zu einem »Gedränge«, wodurch Strom fließen kann. + Durchlassrichtung Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 12 / 34 Dioden Minus-Pol an n-dotierte Seite: In Mitte Ladungsgedränge ⇒ leitend Minus-Pol an p-dotierte Seite: In Mitte neutrale nicht-leitende Zone Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 13 / 34 Spezielle Dioden Schottky-Dioden: statt pn ein Metall-Halbleiter-Übergang Z-Dioden (Zener-Dioden): zur Spannungsstabilisierung Fotodiode: in Sperrrichtung durch Licht werden in Grenzschicht Elektronen frei ⇒ Leitung LED: bei Stromzufuhr wandert Elektron vom Leitungsband ins Bindungsband Energie als Licht frei Laserdiode: spezielle Form der LED Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 14 / 34 Transistor besteht aus 2 pn oder np-Übergängen (ergibt npn oder pnp) in diesem Zustand nicht-leitend (sperrend) + n _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ } p Sperrschicht + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ n Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 15 / 34 Transistor Spannung zwischen B (Basis) und E (Emitter) Elektronen werden durch dünne p-Schicht geschoben ⇒ leitend C n B p n + - + - Bei einem npn-Transistor liegt er Minus-Pol an einem n-dotierten Ende (Emitter genannt), der Plus-Pol am anderen n-dotierten Ende (Collector genannt). Der Pluspol zieht die negative Ladung etwas an, daher herrscht am Übergang n-p ein Leerraum; es fließt kein Strom. Erst wenn zwischen p-dotiertem Bereich (Basis) und dem Emitter ein schwacher Strom angelegt wird (=Diode in Durchlassrichtung), kann auch zwischen Emitter und Collector ein starker Strom fließen ⇒ Verstärkereffekt. E Strom fließt zwischen C (Kollektor) und E (Emitter) Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 16 / 34 Transistor – Sonderformen FET (Feld-Effekt-Transistor) hier kein Strom an der Basis, sondern spezielle elektr. Felder S n + D + G _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ n p MOS-FET (Metall-Oxid-Semiconductor) Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 17 / 34 Transistor – Sonderformen Spannung an SD ⇒ es fließt kein Strom Spannung an SG ⇒ zwischen beiden n-Polen elektr. Ladung es kann daher Strom zwischen SD fließen Einsatzzweck: Schalter, Verstärker Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 18 / 34 RS-Flip-Flop Kombination von 2 Transistoren A normal nicht-leitend (an beiden Basen kein Strom) B T1 T2 S R Mag. Christian Gürtler Spannung an S: T1 leitend, T2 gesperrt, Strom fließt von B zu T1 Spannung an S weg: T1 bleibt leitend !! reset durch Strom an R Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 19 / 34 Logische Schaltung – NOR Spannung A E1 Mag. Christian Gürtler E2 E1 1 1 0 0 Grundlagen der Datenverarbeitung E2 1 0 1 0 A 0 0 0 1 5. Oktober 2014 20 / 34 Logische Schaltung – OR E1 E2 A Mag. Christian Gürtler E1 1 1 0 0 Grundlagen der Datenverarbeitung E2 1 0 1 0 A 1 1 1 0 5. Oktober 2014 21 / 34 Logische Schaltung – NOT A E Mag. Christian Gürtler E 1 0 Grundlagen der Datenverarbeitung A 0 1 5. Oktober 2014 22 / 34 Logische Schaltung – NAND A E1 E2 Mag. Christian Gürtler E1 1 0 1 0 Grundlagen der Datenverarbeitung E2 0 1 1 0 A 1 1 0 1 5. Oktober 2014 23 / 34 Logische Schaltung – AND E1 E2 A Mag. Christian Gürtler E1 1 0 1 0 Grundlagen der Datenverarbeitung E2 1 1 0 0 A 1 0 0 0 5. Oktober 2014 24 / 34 Schaltsymbole & & ≥1 2 2 Q 1 1 1 AND Q 1 NAND OR Q 2 2 Q 1 2 Q 1 NOR Mag. Christian Gürtler = =1 ≥1 NOT ExOR Grundlagen der Datenverarbeitung Q 1 ExNOR 5. Oktober 2014 25 / 34 Komparator I – Beide Eingänge 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 26 / 34 Komparator II – Beide Eingänge 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 27 / 34 Komparator III – Eingänge 0 und 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 28 / 34 Komparator IV – Eingänge 1 und 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 29 / 34 Halbaddierer I – Eingänge 1 und 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 30 / 34 Halbaddierer II – Eingänge 0 und 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 31 / 34 Halbaddierer III – Eingänge 1 und 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 32 / 34 Halbaddierer IV – Eingänge 0 und 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 33 / 34 Volladdierer Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober 2014 34 / 34
