E. Technologische Grundlagen

E.
Technologische Grundlagen
E.1.
Einordnung
 Bisher:
- Schaltungen auf logischer Ebene,
- Implementierung vernachlässigt.
„Höhere Informatik“
 Nun:
-
Systemprogrammierung
technische Realisierung,
Dioden, Transistoren, ICs,
typischerweise mit Halbleitern,
mit (R, C, L ...)-Bauelementen,
Ströme, Spannungen & Felder.
I
J
K
Architektur
H
G
Rechnerarithmetik:
- Zahlendarstellung, Operatoren, ..
Digitaltechnik
Digitale Schaltungen:
- mit/ohne Zustand, Zähler, ALU, logische Arrays, Optimierung
C
Digitale Logik:
- Gatter, digitale Signale, Signalausbreitung ...
Elektronik:
- Strom & Spannung, Transistoren, Schaltkreisintegration
E-1
F
E
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D
E.2.
E.2.1
Halbleiterdiode
Ladung, Strom, Spannung
 Elektrische Ladung [Coulomb]:
-
Eigenschaft von Elementarteilchen,
Positive oder negative Ladung möglich,
Elektronen tragen eine negative Ladung,
Gleiche Ladungen stossen sich ab.
 Elektrischer Strom [Ampère, Coulomb/sec]:
-
Transport elektrischer Ladung durch einen Querschnitt =>
im Vakuum oder durch einen Leiter (Draht),
Bewegung positiver Ladungsträger ist positiv,
Elektronen bewegen sich entgegen der Stromrichtung.
 Materialien:
- Isolator: keine freien Elektronen,
- Leiter: viele freie Elektronen können fließen,
- Halbleiter: wenig freie Elektronen (Ge, Si, ...).
E-2
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 Batterie und Spannung [Volt]:
-
Am Minuspol besteht ein negativer Ladungsüberschuss,
Am Pluspol besteht ein positiver Ladungsüberschuss,
konzeptionell: Strom fließt von „Plus“ nach „Minus“
physikalisch: Elektronen fließen von „Minus“ nach „Plus“
 Stromkreis:
- Ein Strom fließt nur bei geschlossenem Stromkreis:
Spannungsquelle
E-3
Lichtquelle,
Lastwiderstand
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E.2.2
-
Diode als Bauteil
spezielles Bauteil mit zwei Anschlüssen (Di-ode),
Strom kann nur in eine Richtung durch die Diode fließen,
Aufbau früher als Röhrendiode: Glaskolben mit Vakuum,
Aufbau heute als Halbleiterdiode.
 Durchlassrichtung:
 Sperr-Richtung:
E-4
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E.2.3
Stromleitung in Halbleitern
 Elektronenanordnung bei Halbleiterkristallen
- je vier Elektronen auf äußerster Schale
- stabiler Zustand durch Verzahnung der Schalen benachbarter Atome
 gelegentliche Verunreinigungen:
- ein Elektron zuviel oder zuwenig auf der äußeren Bahn
- geringer Stromfluss möglich (Halbleiter):
E-5
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 Dotieren der Halbleiter mit anderen Materialien
- gezieltes Verunreinigen
- Beispiel: Antimon (Sb), „Donatoren“.
 N-Leitfähigkeit des Kristalls (negativ)
- ein Elektron mehr auf der äußeren Schale,
- Elektronenüberschuss.

E-6
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 P-Leitfähigkeit des Kristalls (positiv)
- ein Elektron weniger auf der äußeren Schale
- Elektronenmangel (dargestellt durch Loch auf der äußeren Schale)
- Beispiel: Indium (In), „Akzeptor“
E-7
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E.2.4
Aufbau und Funktion einer Halbleiterdiode
 Zwei Bereiche: n-leitend und p-leitend.
 Grenzbereich (PN-Übergang).
- Gleichgewicht von Diffusions- und Driftstrom,
- Raumladungszone.
p: Elektronenmangel
pn: neutrale Schicht (keine Leitung)
n: Elektronenüberschuss
E-8
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 Durchlassrichtung
-
Elektronen der Spannungsquelle diffundieren in den N-Bereich,
Spannungsquelle zieht Elektronen aus dem P-Bereich ab,
PN-Übergangszone wird kleiner,
Strom kann fließen,
p
Animation:
n
diode_ani.gif
 Sperr-Richtung:
-
Elektronen der Spannungsquelle drücken in P-Bereich und füllen Löcher auf,
Spannungsquelle zieht Elektronen aus dem N-Bereich ab,
PN-Übergangszone wird größer,
Strom kann nicht fließen.
p
n
E-9
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E.2.5
Digitale Diodenschaltungen
 Abbildung der Wahrheitswerte (positive Logik)
1: positive Spannung (z.B. +5 Volt)
0: keine Spannung
 Einfaches ODER-Gatter:
Y=A+B
+5 Volt
A
Y
B
0 Volt
 Einfaches UND-Gatter:
+5 Volt
Y=A·B
A
Y
B
0 Volt
E-10
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E.3.
Transistor
 Halbleiterbauteil mit drei Anschlüssen (z.B. bipolare Transistoren):
- Vorerst wirkt ein Transistor wie zwei entgegengesetzt gepolte Dioden und sperrt.
- durch geringen Basis-Strom wird Transistor zwischen Collector & Emitter leitend.
E-11
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E.3.1
Transistor als Schalter und Verstärker
 Diodengatter können nicht beliebig tief geschachtelt werden.
 Eine Transistorstufe bietet jedoch eine zusätzliche Verstärkung:
-
Nur das logische „Signal“ wird verstärkt, die Energie kommt aus der Batterie.
Invertierung des logischen Signals (NOT) am Lastwiderstand,
großer Ausgangsstrom zwischen Collector und Emitter,
Verstärkung zwischen Basis- und Collector-Kreis,
Kleiner Schaltstrom an der Basis:
+
Output = ¬ Input
C
Input
E-12
B
E
_
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E.3.2
Interner Aufbau eines Transistors:
 drei Schichten, NPN.
n
p
n
+
 Transistorschalter ausgeschaltet:
- Kein Basisstrom, kein Collector-Emitterstrom.
 Transistorschalter eingeschaltet:
- Basisstrom z.B. 1 mA, ca. 100-facher Collector-Emitterstrom (100mA),
- Stromverstärkung ß zwischen 10 und 1000.
E-13
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 Bipolare NPN- und PNP-Transistoren:
- prinzipiell gleiche Funktionsweise,
- umgekehrte Polung.
n
p
n
p
n
p
E-14
+
_
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E.3.3
Einfacher Inverter (wichtig!)
 Transistor aus:
- liegt Masse (logisch 0) am Eingang an, so sperrt der Transistor,
- am Ausgang liegt fast vollständige Versorgungsspannung VCC (logisch 1).
 Transistor ein:
- liegt Versorgungsspannung (logisch 1) am Eingang schaltet Transistor durch
- am Ausgang liegt nur geringe Spannung an (logisch 0)
E-15
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E.3.4
Multi-Emitter-Transistoren
 nur eine gemeinsame Basis- und Collector-Zone.
 mehrere Emitterzonen.
E-16
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E.3.5
AND-Gatter mit Multi-Emitter-Transistor
 Logische Pegel:
~ 0 Volt entspreche „Logisch 1“ (Ground / Erde / Masse),
~ 5 Volt entspreche „Logisch 0“ (Vcc).
 Schaltfunktion: X = A ٠ B ٠ C.
 Fall 1, X=1, 0 Volt:
- Ein Signal aus A, B, C auf Masse,
- Transistor schaltet durch bzw. leitet,
- X ~ Masse.
 Fall 2, X=0, Vcc Volt:
-
E-17
alle A, B, C auf Vcc,
Transistor wird invers betrieben,
Transistor leitet,
X ~ Vcc.
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E.4.
TTL
 Transistor-Transistor-Logic (TTL)
- Gatteraufbau nur mit bipolaren Transistoren,
- Multi-Emittertransistoren ...
 Eingangspegel:
- 0-0,8 Volt logisch 1,
- 2,4-5,0 Volt logisch 0,
- 0,8 – 2,4 Volt unzulässig.
 Ausgangspegel:
- 0-0,4 Volt logisch 1,
- 2,8-5,0 Volt logisch 0,
- 0,4 – 2,8 Volt unzulässig.
E-18
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E.4.1
TTL-Schaltkreise
 Beispiel: Baustein 7400
- vier NAND-Gatter mit je 2 Eingängen,
- Sicht von oben auf Schaltkreis,
- 5 Volt Stromversorgung.
 Blick auf das Siliziumsubstrat:
-
E-19
planare Transistorstrukturen,
Goldkontaktierung,
Substratkontakt,
Leiterbahnen.
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 Beispiel: Baustein 74LS74
- zwei positiv-flankengetriggerte D-Flip-Flops,
- CLR = explizites asynchrones Rücksetzen,
- PRE = explizites asynchrones Setzen.
 Meist als Dual-in-Line-Gehäuse:
- Kerbe als Markierung,
- hier Tri-State Buffers,
- keine Flip Flops.
E-20
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E.4.2
TTL-Familien
 TTL Schaltkreise sind normalerweise robust & unempfindlich.
 Problem:
- Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit führt zu höherer Leistungsaufnahme.
- spezielle „Low-power“ Transistoren und Schaltungen im Einsatz
Bezeichnung
Spannung
Leistung pro Gatter
Schaltzeit
max. Frequenz
E-21
TTL
LS-TTL
ALS-TTL
F-TTL
AS-TTL
74xx
74LSxx
74ALSxx
74Fxx
74ASxx
10 mW
2 mW
1 mW
4 mW
22 mW
10 ns
9 ns
4 ns
2,5 ns
1,5 ns
40 MHz
50 MHz
100 MHz
125 MHz
230 MHz
5V
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E.5.
MOS-Feldeffekttransistor
 Unterscheiden vom bipolaren Transistor.
 MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter):
G - Gate als Steuerelektrode
B – Bulk als Substratanschluss,
D – Drain, Abfluss für Ladungsträger,
S – Source, Quelle von negativen Ladungsträgern
P – Halbleitersubstrat meistens mit Source verbunden.
gelb - Siliziumoxid als Isolator zw. Gate & Substrat.
 Funktionsweise:
-
E-22
wegen isolierter Gate-Elektrode fliesst kein Basisstrom,
MOS-Transistor zunächst gesperrt (selbstsperrend),
zwischen Drain und Source hoher Widerstand,
Positive Gate-Spannung holt Ladungsträger,
Dadurch entsteht ein leitender Kanal.
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 Vorteile:
-
leistungsloser Betrieb,
nur das Umschalten kostet Energie,
Leistungsaufnahme von Umschaltfrequenz abhängig,
elektrisches Feld besteht ohne Stromfluss (nur Spannung),
lediglich Umschalten erfordert Wechsel der Ladungszustände.
 Schaltsymbole für n-Kanal MOS-FET:
- selbstsperrend, selbstleitend:
 Schaltsymbole für p-Kanal MOS-FET:
- selbstsperrend, selbstleitend:
E-23
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E.5.1
CMOS-Schaltung
= Complementary Metal Oxide Semiconductor.
 komplementär symmetrischer MOS-Halbleiter-Schaltkreis.
 Selbstsperrende n- und p-Kanal MOS-FETs
 Beispiel: Nicht-Gatter:
-
E-24
einer der Transistoren ist immer gesperrt,
kaum Stromfluss durch beide Transistoren,
Umladung parasitärer Kondensatoren,
niedrige Leistungsaufnahme.
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 Versorgungsspannung:
- kann in weiten Grenzen schwanken,
- Niedrigvolt-Betrieb (0,8 Volt ...),
- TTL-kompatible Pegel möglich:
Unzulässiger
Bereich
 CMOS-Schaltungen sind empfindlich gegen Überspannungen:
-
E-25
Evtl. Schutzschaltungen an den Eingängen integrierter CMOS-Bausteine,
Destruktive Entladungen beim Handhaben der Schaltkreise,
Aufladungen durch Reibungselektrizität vermeiden,
Erdung und leitende Fussmatte,
Antistatische Verpackung ...
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