E Technologische Grundlagen
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- Götz Gehrig
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1 1 Einordnung E Technologische Grundlagen Ebene 6 Ebene 5 Ebene 4 Ebene 3 Ebene 2 Ebene 1 Ebene 0 roblemorientierte Sprache Assemblersprache etriebssystem ISA (Instruction Set Architecture) Mikroarchitektur Digitale Logik hysik , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.2 1 Einordnung (2) isher Schaltungen auf logischer Ebene Implementierung vernachlässigt un Einblick in die technische Realisierung elektronischer Schaltungen 2 Halbleiterdiode Grundlage: elektrische Schaltungen Spannungsquelle Lichquelle Strom fließt bei geschlossenem Stromkreis konzeptionell: Strom fließt von lus nach Minus physikalisch: Elektronen fließen von Minus nach lus , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.4
2 2 Halbleiterdiode (2) Diode spezielles auteil mit zwei Anschlüssen Diode Durchlassrichtung Sperrrichtung Strom kann nur in eine Richtung durch die Diode fließen. Aufbau früher Röhrendiode Glaskolben mit Vakuum 2 Halbleiterdiode (3) Aufbau heute Halbleiterdiode Leiter freie Elektronen können fließen Isolator keine freien Elektronen Halbleiter zwischen Leiter und Isolator z.. rmanium (), Silizium (Si) , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E Halbleiter 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 ahn geringer Stromfluss möglich (Halbleiter) 2.1 Halbleiter (2) Dotieren der Halbleiter mit anderen Materialien gezielte Verunreinigungen eispiel: Antimon (Sb) Sb ein Elektron mehr auf der äußeren Schale Elektronenüberschuss Leitfähigkeit des Kristalls (negativ) Sb Sb Sb , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.8
3 2.1 Halbleiter (3) eispiel: Indium (In) In In In ein Elektron weniger auf der äußeren Schale Elektronenmangel (dargestellt durch Loch auf der äußeren Schale) Leitfähigkeit des Kristalls (positiv) In 2.2 Aufbau der Halbleiterdiode Aufbau mit und ereich Grenzbereich (Übergang) freie Elektronen füllen Löcher Elektronenüberschuss Elektronenmangel neutrale Schicht (keine Leitung) , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E Aufbau der Halbleiterdiode (2) Durchlassrichtung 2.2 Aufbau der Halbleiterdiode (3) Sperrrichtung Elektronen der Spannungsquelle drücken in den ereich Spannungsquelle zieht Elektronen aus dem ereich ab Übergang wird kleiner Strom kann fließen Elektronen der Spannungsquelle drücken in den ereich und füllen Löcher auf Spannungsquelle zieht Elektronen aus dem ereich ab Übergang wird größer Strom kann nicht fließen , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.12
4 2.3 Digitale Diodenschaltungen 3 Transistor Abbildung der Wahrheitswerte (positive Logik) 1: Stromfluss/positive Spannung 0: kein Stromfluss/keine Spannung Aufbau einfacher Gatter A Y = A Y = A Y A Y Halbleiterbauteil mit drei Anschlüssen (bipolare Transistoren) asis ollector Emitter zwischen asis und Emitter sowie zwischen asis und ollector wirkt Transistor wie eine Diode zwischen Emitter und ollector fließt zunächst kein Strom durch geringen Strom an der asis wird Transistor zwischen ollector und Emitter leitend , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.14 3 Transistor (2) 3 Transistor (3) Transistor als Schalter und Verstärker Eingang kleiner Schaltstrom an der asis großer Ausgangsstrom zwischen ollector und Emitter Verstärkung zwischen asis und ollectorkreis Interner Aufbau E Elektronenfluss drei Schichten: Ruhezustand: Übergänge geringer asisstrom Verringerung des Übergangs zwischen Emitter und asis Verringerung des Übergangs zwischen asis und ollector , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.16
5 3 Transistor (4) 3.1 Digitale Transistorschaltungen und Transistoren ollector ollector Einfacher Inverter asis asis Emitter Emitter Eingang Ausgang prinzipiell gleiche Funktionsweise verschiedene olung liegt Masse (0) am Eingang an sperrt Transistor am Ausgang liegt fast vollständige Versorgungsspannung (1) liegt Versorgungsspannung (1) am Eingang schaltet Transistor durch am Ausgang liegt nur geringe Spannung an (0) , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E Digitale Transistorschaltungen (2) 3.2 TTL MultiEmitterTransistoren je eine asis und ollectorzone mehrere Emitterzonen ADGatter mit MultiEmitterTransistor E 1 E 2 E 3 TransistorTransistorLogic (TTL) Gatteraufbau nur mit bipolaren Transistoren egelbereiche V Eingang Ausgang 5 Transistor schaltet durch einer von A,, auf Masse X hat nur geringe Spannung alle A,, auf X hat hohe Spannung A 4kΩ 10kΩ X 1kΩ 2,8 2,4 0,8 0,4 verbotener egelbereich , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.20
6 3.2 TTL (2) 3.2 TTL (3) TTLSchaltkreise eispiel: austein 74LS74 meist als DualinLinehäuse eispiel: austein vier ADGatter mit je zwei Eingängen RE LR D Q D Q LR Q RE Q zwei positivflankengetriggerte DFlipFlops LR = explizites asynchr. Rücksetzen RE = explizites asynchr. Setzen lick auf das Siliziumsubstrat , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E TTL (4) TTLFamilien roblem TTL LSTTL ALSTTL FTTL ASTTL ezeichnung 74xx 74LSxx 74ALSxx 74Fxx 74ASxx Spannung 5V Leistung pro Gatter 10mW 2mW 1mW 4mW 22mW Schaltzeit 10ns 9ns 4ns 2,5ns 1,5ns max. Frequenz 40MHz 50MHz 100MHz 125MHz 230MHz Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit führt zu höherer Leistungsaufnahme. spezielle Lowpower Transistoren und Schaltungen im Einsatz 4 MOSFeldeffekttransistor MOSFET (MetalOxideSemiconductor, MetallOxidHalbleiter) Elektrisches Feld steuert Leitfähigkeit im Halbleiterkristall Schaltbild Drain selbstsperrender nkanal MOSFET ulk Gate Source ulk (Substrat) üblicherweise mit Source verbunden Aufbau S G D Siliziumoxid (Isolator) Substrat , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.24
7 4 Feldeffekttransistor (2) 4 Feldeffekttransistor (3) Funktionsweise Typen zunächst Transistor gesperrt zwischen Drain und Source hoher Widerstand, kein Stromfluss (selbstsperrend) positive Spannung zwischen Gate und Source elektrisches Feld sorgt für Leitfähigkeit zwischen Source und Drain, Stromfluss Vorteil elektrisches Feld benötigt keinen Stromfluss (nur Spannung) leistungsloser etrieb lediglich Umschalten erfordert Wechsel der Ladungszustände (kostet Energie) Leistungsaufnahme von Umschaltfrequenz abhängig nkanal MOS FET selbstsperrend (GateSourceSpannung schaltet durch) selbstleitend (GateSourceSpannung sperrt) pkanal MOS FET selbstsperrend selbstleitend selbstsperrend selbstleitend selbstsperrend selbstleitend , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E MOSSchaltung MOS (omplementary SymmetryMetal Oxide Semiconductor) komplementär symmetrischer MOSHalbleiter Einsatz selbstsperrender n und pkanal MOSFETs eispiel: ichtgatter A X einer der Transistoren ist immer gesperrt niedrige Leistungsaufnahme kaum Stromfluss durch beide Transistoren , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E MOSSchaltung (2) Versorgungsspannung kann in weiten Grenzen schwanken TTLkompatible egel möglich eispiel V Eingang Ausgang ,99 V 0,01 V verbotener egelbereich Schaltungen empflindlich gegen Überspannungen (Entladungen) Schutzschaltungen an den Eingängen integrierter austeine , Franz J. Hauck, Verteilte Systeme, Univ. Ulm, [2007sTI1ETech.fm, ] E.28
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