Informatik Teil 1: Technologie

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1 Informatik Teil 1: Technologie Gymnasium Icking 2011 Jörg D. Becker, Starnberg Die Hardware eines Computers: Prinzipielle Komponenten Der Arbeitsspeicher, in den Daten und Programme geschrieben werden können. Heute ist dies meist ein Halbleiterspeicher, der seinen Inhalt verliert, wenn man den Computer ausschaltet. Daten, die erhalten werden sollen, müssen vorher z.b. auf der Festplatte gespeichert werden. Der Prozessor, der rechnen, vergleichen, aneinander fügen u.ä. kann. Der Bus, die "Drähte" zwischen den einzelnen Bausteinen des Computers, auf denen der Datentransport stattfindet. Die Kontrolleinheit, die Daten und Programme zwischen Speicher und Prozessor verschiebt. Die Input/Output-Controller, Steuereinheiten, die den Datenverkehr auf der Hauptplatine und mit peripheren Geräten abwickeln (Bildschirm, Festplatten, Drucker, Lautsprecher, Netzwerkanschluss usw.) PC-Konfiguration (Beispiel): Mainboard: AMD Athlon II X4 635 Prozessor (quad, 2,90 GHz, 512KB L2 Cache) 4 GB DDR2 Arbeitsspeicher 800 MHz Front Side Bus AMD Chipsatz (Controller) Peripherie: NVIDIA GeForce 315 Grafikkarte mit 512 MB Speicher 1000 GB S-ATA Festplatte Multiformat DL DVD Brenner Gigabit LAN HDMI-Ausgang Multi-in-1 Kartenleser HD (5.1) Audio Betriebssystem: Microsoft Windows 7 Home Premium 64-Bit

2 Die Software eines Computers Da der Arbeitsspeicher beim Einschalten leer ist, braucht man ein Bauteil mit einem permanenten Speicher, der ein Programm enthält, das das (meist) auf der Festplatte vorhandene Betriebssystem finden und in den Arbeitsspeicher laden kann. Dies ist das BIOS (Basic Input Output System). Das Betriebssystem enthält vor allem die Programme, die zum Ansteuern der Controller, zum Laden und Starten von Anwendungen und zum Öffnen von Dateien benötigt werden. Häufig benutzte Betriebssysteme sind Windows, Linux oder MacOS. Die Konsole ist ein textbasiertes Fenster, mit dem man das Betriebssystem steuern, also z.b. Programme starten und Dateien verschieben, kopieren oder löschen kann. So führt die Eingabe rm foto17.jpg bei Linux dazu, dass die Datei foto17.jpg von der Festplatte gelöscht wird (rm = remove). Heute wird aber meist eine graphische Oberfläche benutzt, auch wenn man von der Konsole aus bestimmte Aufgaben schneller erledigen kann. Die Graphische Oberfläche erlaubt es, das Betriebssystem von graphischen Fenstern aus mit der Maus zu steuern. Bei Windows sind Betriebssystem und graphische Oberfläche verschmolzen, während es zu Linux verschiedene, vom Betriebssystem getrennte graphische Oberflächen gibt (z.b. Gnome oder KDE). Das Löschen einer Datei erfolgt hier z.b. über die rechte Maustaste, mit der man auf das Symbol der Datei klickt, und dann mit der Auswahl "In den Mülleimer werfen" mit der linken Maustaste. Die "Anwendungen" sind Programme zur Erfüllung bestimmter Aufgaben. Mit WORD kann man Artikel, Berichte und Briefe schreiben, mit Audacity kann man Tonaufnahmen machen und bearbeiten usw. Grundlegende Operationen Beim Einschalten des Computers wird in der Regel automatisch das Betriebssystem geladen. Mit der linken Maustaste werden Operationen ausgelöst (z. B. eine Datei geöffnet oder ein Programm gestartet). Bei Windows muss man in der Regel einen "Doppelklick" anwenden, bei Linux genügt ein einfacher Klick. Die Doppelklickgeschwindigkeit kann man verändern, was z.b. bei Senioren wichtig ist. Mit der linken Maustaste kann man auch mehrere Objekte auswählen, indem man bei gedrückter Maustaste über die Objekte "zieht". Klickt man mit der rechten Maustaste auf ein Objekt oder eine Auswahl, so erscheint ein Menu mit den Operationen, die hier möglich sind (ausschneiden, umbenennen, kopieren nach, öffnen mit usw.). Mit der linken Maustaste kann man dann eine Operation auswählen. Elemente und Verbindungen Chemische Elemente sind Materialien, die als Atome vorliegen und sich chemisch nicht weiter zerlegen lassen. Beispiele sind Wasserstoff, Helium, Natrium, Chlor, Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Eisen usw. (Googel mal nach Periodisches System der Elemente.) Durch regelmäßige Bindungen zwischen Atomen entstehen Moleküle, wie H2O, oder Kristalle, wie Diamant. Unregelmäßig verteilte, verschiedene Atome nennt man Legierungen (Stahl = Eisen + Kohlenstoff).

3 Leiter, Nichtleiter, Halbleiter Ein elektrischer Strom ist die Bewegung von geladenen Teilchen. Ein Material kann deshalb nur dann Strom leiten, wenn es geladene Teilchen enthält, die beweglich sind. Zu den Leitern gehören insbesondere Metalle, wie Eisen, Kupfer, Gold usw. In Metallen sind die Bindungselektronen (d.h. die Elektronen, die die Atome zusammenhalten) frei beweglich. Legt man an den Enden eines Metalldrahtes eine elektrische Spannung an, so fließt ein Strom. In Salzlösungen, Säuren und Laugen sind es Ionen (also geladene Atome), die den Ladungstransport ermöglichen. Kochsalz ist Natriumchlorid, NaCl; jedes Natriumatom gibt ein Elektron an ein Chloratom ab, sodass in wässriger Lösung positiv geladene Natriumionen Na + und negativ geladene Chlorionen Cl - für den Strom zur Verfügung stehen. Isolatoren, also Nichtleiter, enthalten zwar auch Elektronen, diese sind aber fest an die Atome gebunden, sodass kein elektrischer Strom fließen kann. Aber auch Isolatoren können leitend werden, wenn man ihre Temperatur hinreichend erhöht. Die thermische Energie löst dabei Elektronen (bei manchen Materialien auch Ionen) aus ihrer Bindung. Der Begriff Halbleiter ist historisch entstanden. Heute bezeichnen wir damit Materialien, die im reinen Zustand und bei gemäßigten Temperaturen Isolatoren sind, in denen man aber leitfähige Gebiete herstellen kann, indem man dort Fremdatome in das Material einbringt. So ist reines Silizium bei Zimmertemperatur ein Isolator; bringt man aber Phosphoratome in das Material hinein (indem man z.b. Phosphorionen in das Silizium hineinschießt), so wird das Material an den betroffenen Stellen leitfähig. Die Abb. 1 zeigt - sehr schematisch - einen Siliziumkristall. Grün sind die Siliziumatome dargestellt, cyan = türkis die Bindungselektronen. (Natürlich haben Atome und Elektronen keine Farben; die Farben dienen hier nur der Markierung.) Jedes Siliziumatom hat vier Bindungsnachbarn. Jedes Atom besitzt vier Elektronen für die Bindung; jeweils ein Elektronenpaar erzeugt die Bindungskraft benachbarter Atome.

4 In Abb. 2 haben wir ein Phosphoratom (magenta = flieder markiert) in den Siliziumkristall eingebaut. Phosphor besitzt fünf Bindungselektronen, von denen aber nur vier für die Bindung im Kristall benötigt werden. Das fünfte (gelb markiert) löst sich leicht von seinem Mutteratom und kann durch den Kristall wandern; das Mutteratom ist nun positiv geladen, weil ihm ja ein Elektron fehlt. Auch wenn die fünften Elektronen nun beweglich sind, können sie sich von den positiv geladenen Mutteratomen nicht weit entfernen, weil entgegengesetzte Ladungen sich anziehen. In den nicht mit Phosphor besetzten Gebieten bleibt Silizium praktisch ein Isolator. Man kann daher die elektrischen Eigenschaften von Silizium lokal verändern, indem man gezielt Phosphoratome in den Kristall einbringt (z. B. durch Beschuss mit Phosphorionen). Bei sehr hoher Phosphorkonzentration erreicht man in Silizium eine Metallen vergleichbare Leitfähigkeit. Silizium - Baustoff der Halbleiterbranche Silizium ist das wichtigste Element der Halbleiterbranche. Nur für optisch aktive (d.h. lichtaussendende) Bauelemente (LEDs, Halbleiterlaser) ist es aus physikalischen Gründen nicht brauchbar; dafür benutzt man z.b. Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumnitrid (GaN). Speicher, Prozessoren, Controller, kurz: alle elektrisch aktiven Bausteine, wie auch Solarzellen, beruhen auf speziellen Eigenschaften des Siliziums. Wo kann man Silizium kaufen? In Burghausen. Die Wacker Chemie AG ist Weltmarktführer für Siliziumscheiben ("Wafer"). Im Englischen heißt Silizium übrigens "silicon"; leider wird diese Bezeichnung zunehmend auch im Deutschen benutzt, wo Silikon eigentlich kettenförmige Silizium-Sauerstoff-Verbindungen sind (im Englischen: silicone). Woher kommt das Silizium? Das gibt's wie Sand am Meer. Sand ist nämlich Siliziumdioxid (SiO 2 ).Silizium wird in großem Maß für die Stahlindustrie verwendet, die auch in ihren Hochöfen oder in Lichtbogenöfen SiO 2 zu Si reduzieren kann.

5 Was ist Stahl? Zunächst eine Legierung von Eisen und Kohlenstoff. Durch Zugabe von anderen Elementen können die Eigenschaften des Stahls verändert werden. Gibt man z.b. Chrom und Nickel dazu, erhält man rostfreien Stahl. Silizium verhindert die Oxidbildung im heißen Stahl und erhöht die Zugfestigkeit und Walzbarkeit. Nur 2% der Weltproduktion von Silizium wandern in die Halbleiterindustrie. Allerdings ist es, wenn man es aus dem Hochofen bekommt, mit vielen anderen Elementen verunreinigt, und bevor man Speicherbausteine und Prozessoren daraus machen kann, muss es aufwändig gereinigt, zu Einkristallen aus der Schmelze gezogen, gesägt und poliert werden. Das Prinzip des Transistors Um auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe einen Transistor herzustellen, bringt man zunächst an zwei Stellen Phosphor in die Scheibe ein. An diesen Stellen (die Source und Drain genannt werden) wird das Material also leitfähig, während es dazwischen isolierend ist. Legt man zwischen Source und Drain eine Spannung an, kann kein Strom fließen. Nun bringt man auf die Zone dazwischen Siliziumdioxid (also einen Isoaltor) auf und darauf eine Schicht Aluminium (ein Metall). Liegt an der Aluminiumschicht keine Spannung an, kann zwischen Source und Drain noch kein Strom fließen, weil es dazwischen keine beweglichen Elwektronen gibt. Wenn man nun aber an die Aluminiumschicht (genannt Gate) eine positive Spannung an, so saugt das Gate im Silizium Elektronen an die Oberfläche unter dem Gate, und es entsteht ein leitfähiger Kanal zwischen Source und Drain. Die Siliziumdioxidschicht verhindert, dass es zwischen Gate und Silizium einen Kurzschluss gibt.

6 Die physikalischen Details sind zwar wesentlich komplexer, aber das ändert am Prinzip nichts. Man kann nun Transistoren in verschiedener Weise verwenden. Ist der Strom zwischen Source und Drain proportional zur Gatespannung, wirkt der Transistor als Verstärker (z.b. in Stereoanlagen). Man kann den Transitor aber auch als steuerbaren Schalter verwenden, bei dem man nur zwei Zustände nutzt, nämlich an und aus, oder ON und OFF. Diese Zustände interpretiert man als 0 und 1 im binären Zahlensystem. Für die Informationstechnik hat dies den Vorteil, dass geringe Schwankungen in den Spannungen die Funktionsfähigkeit der Schaltungen nicht beeinträchtigen. (Wollte man im Dezimalsystem arbeiten, müsste man bei einem Transistor 10 verschiedene Zustände unterscheiden können. Den technischen Vorteil des Binärsystems erkannte schon sein Erfinder Leibnitz, der verschiedene mechanische Rechenmaschinen baute.) Aus Transistoren lassen sich nun leicht logische Verknüpfungen, wie UND, ODER oder NICHT, modellieren. (So ergeben zwei hintereinander geschaltete Transistoren eine leitfähige Verbindung, wenn der erste UND der zweite Transistor geöffnet sind.) Man kann nun zeigen, dass sich aus logischen Operationen arithmetische Operationen (Addition, Multiplikation, Division...) zusammensetzen lassen. Damit ist es möglich, mit Hilfe von Transistoren Computer, d.h. Rechner, zu bauen. Auf einem Prozessorchip befinden sich heute Millionen von Transistoren. Daraus sieht man schon, dass der einzelne Transistor sehr klein ist. Die Kanallänge beträgt gerade noch 20 nm (1 mm = 1 Million nm). Der Abstand zweier Atome im Siliziumkristall ist 0.5 nm, die Kanallänge ist also nur 40 Atomabstände lang. Noch dünner ist die Oxidschicht gerade mal 1.5 nm, also 3 Atomabstände; es ist ein Wunder, dass sie noch isoliert. Übrigens, nm ist die Abkürzung für Nanometer. Die Nano-Technologie hat daher ihren Namen. ٱ