Grundlagen der Datenverarbeitung

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1 Grundlagen der Datenverarbeitung Bauelemente Mag. Christian Gürtler 5. Oktober 2014 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

2 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 / 34

3 Inhaltsverzeichnis II Halbaddierer Addition zweier Bits (0 und 1) Volladdierer Kombination 2er Halbaddierer Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

4 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 / 34

5 Halbleiter Festkörper kristallin keine metallische Bindung geringere Leitfähigkeit als Metalle Leitfähigkeit temperaturabhängig Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

6 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 Halbleiter Leiter Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

7 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 / 34

8 Dotierung I Leitfähigkeit erhöht durch Fremdatome Störstellenleitfähigkeit Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

9 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 / 34

10 Dotierung III Dotierung mit Atomen mit 3 Elektronen (B) Si Si Si Si B 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 Si Si Si p-dotiert (p-halbleiter) Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

11 pn-übergang meisten Halbleiterelemente basieren auf pn-übergängen Dioden, Transistoren Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

12 Dioden n Sperrrichtung p Durchlassrichtung 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. Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

13 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 / 34

14 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 / 34

15 Transistor besteht aus 2 pn oder np-übergängen (ergibt npn oder pnp) in diesem Zustand nicht-leitend (sperrend) + n p n } Sperrschicht - Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

16 Transistor Spannung zwischen B (Basis) und E (Emitter) Elektronen werden durch dünne p-schicht geschoben leitend C B + - n 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 / 34

17 Transistor Sonderformen FET (Feld-Effekt-Transistor) hier kein Strom an der Basis, sondern spezielle elektr. Felder - + S n - + G n D MOS-FET (Metall-Oxid-Semiconductor) p Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

18 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 / 34

19 RS-Flip-Flop Kombination von 2 Transistoren A B normal nicht-leitend (an beiden Basen kein Strom) T1 S R T2 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 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

20 Logische Schaltung NOR Spannung A E1 E2 E1 E2 A Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

21 Logische Schaltung OR E1 E2 A E1 E2 A Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

22 Logische Schaltung NOT A E E A Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

23 Logische Schaltung NAND E1 A E2 E1 E2 A Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

24 Logische Schaltung AND E1 E2 A E1 E2 A Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

25 Schaltsymbole & 2 & 2 1 Q Q 1 AND 1 NAND 1 OR 1 Q NOT =1 2 = Q Q Q 1 NOR 1 ExOR 1 ExNOR Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

26 Komparator I Beide Eingänge 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

27 Komparator II Beide Eingänge 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

28 Komparator III Eingänge 0 und 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

29 Komparator IV Eingänge 1 und 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

30 Halbaddierer I Eingänge 1 und 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

31 Halbaddierer II Eingänge 0 und 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

32 Halbaddierer III Eingänge 1 und 1 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

33 Halbaddierer IV Eingänge 0 und 0 Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

34 Volladdierer Mag. Christian Gürtler Grundlagen der Datenverarbeitung 5. Oktober / 34

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