Halbleiterbauelemente ermöglichen logische Verknüpfungen

Halbleiterbauelemente ermöglichen logische Verknüpfungen

 

Die Leistungsfähigkeit eines Computers wird maßgeblich von integrierten Schaltungen beeinflusst. Mithilfe der Halbleitertechnologie werden auf diesen Schaltungen logische Verknüpfungen mit nichtlinearen Bauelementen realisiert. Ziel der Halbleitertechnologie ist es, diese Bauelemente so klein wie möglich auf Siliziumchips zu integrieren, um immer leistungsfähigere integrierte Schaltungen produzieren zu können.

 

 Halbleiter

 

Bei linearen Bauelementen wird der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom durch lineare Gleichungen beschrieben, z. B. das ohmsche Gesetz: Widerstand R = Spannung U/Stromstärke I. Dabei ist die Größe R zeitlich konstant und hängt nicht von anderen physikalischen Größen ab. Der ohmsche Widerstand nichtlinearer Bauelemente (Halbleiter), deren Leitfähigkeit zwischen der eines Isolators und eines Leiters liegt, ist dagegen temperaturabhängig.

 

Zwei wichtige Halbleiterbauelemente sind die Halbleiterdiode und der Transistor. Beide Bauelemente bestehen aus mehreren verunreinigten Halbleiterschichten, üblicherweise Silizium und Germanium. Diese Materialien sind chemisch vierwertig, d. h., vier Elektronen sind an chemischen Bindungen beteiligt. Bei tiefen Temperaturen sind die Elektronen in einem Kristallverbund eingebettet, wo sie bei höheren Temperaturen herausgerissen werden. Sie hinterlassen dann einen Überschuss an positiver Ladung (»Loch«) und bewegen sich frei im Material, bis sie wieder in ein »Loch« fallen. Legt man dann an diesem Material eine Spannung an, so können sich diese freien Elektronen in eine Richtung bewegen, wodurch ein Strom in einem bei tiefen Temperaturen nicht leitenden Material fließt. Verunreinigt man den vierwertigen Stoff durch ein Material, das fünfwertig ist, hat man in dem Kristallverbund einen Überschuss an Elektronen, das heißt einen Überschuss an negativer Ladung (n-Schicht). Analog dazu erhält man bei einer Verunreinigung durch einen dreiwertigen Stoff einen Überschuss an positiver Ladung (p-Schicht). Bei anliegender Spannung findet im ersten Fall eine Leitung durch Elektronen (n-Leitung) statt, und im zweiten Fall wirken die überzähligen Löcher so, als ob sich eine positive Ladung bewegt (p-Leitung).

 

 Halbleiterdiode und Transistor

 

Eine Halbleiterdiode ist aus einer n-Schicht und einer p-Schicht aufgebaut. An der Grenzschicht bewegen sich die Elektronen aus der n-Schicht in die überzähligen Löcher der p-Schicht (Diffusion), wodurch sich an der Grenzschicht eine Spannungsdifferenz aufbaut. Legt man eine Spannungsquelle mit dem negativen Pol an die p-Schicht und dem positiven Pol an die n-Schicht an, so entsteht am p-Material durch die hinzukommenden Elektronen ein großer Ladungsberg. Entsprechend werden dem n-Material keine Elektronen geliefert. Sowohl für Elektronen als auch für Löcher entspricht dies einer Zunahme der Spannungsdifferenz an der Grenzschicht, sodass nahezu keine Diffusion mehr stattfindet. Die Diode leitet schlecht. Polt man die Spannungsquelle um, so werden aus der p-Schicht Elektronen zusätzlich abgesogen, sodass sich die Elektronen aus der n-Schicht besser in die p-Schicht bewegen können. Die Diode leitet gut.

 

Der Transistor besteht aus drei hintereinander angeordneten Schichten, abwechselnd aus p- und n- Halbleitermaterial. Daher spricht man auch von pnp- oder npn-Transistoren. Die beiden äußeren Bereiche der gleichen Halbleiterschichten nennt man Emitter- und Kollektorzone, den mittleren Bereich Basiszone. Die angebrachten Elektroden werden als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Da beim Transistor zwei Ladungsarten beteiligt sind (n- und p-Ladung) spricht man auch von biopolaren Transistoren. Ein weiteres Bauelement ist der Unipolar- oder Feldeffekttransistor (FET), bei dem nur eine Ladung beteiligt ist.

 

Die Grundlage fast aller Vorgänge in digitalen Datenverarbeitungsanlagen bilden Halbleiterbauelemente, die als elektronische Schalter eingesetzt werden. Die wichtigsten Elemente sind die Transistoren (auch FETs). Ist die Polung der Emitter-Basis-Spannung und der Kollektor-Basis-Spannung bei einem pnp-Transistor entgegengesetzt, so sind beide p-n-Übergänge in Durchlassrichtung oder, bei Umkehrung, in Sperrrichtung gepolt, d. h., der Transistor wirkt als Schalter.

 

 Logische Grundschaltungen

 

Die logischen Grundschaltungen, meistens realisiert durch NAND- oder NOR-Gatter, werden durch verschiedene Techniken als logische Bausteine (»Familien«) realisiert. Die wichtigsten Familien sind: TTL (Transistor-Transistor-Logik), ECL (englisch emitter-coupled logic) und CMOS (englisch complementary metal oxide semiconductor). TTL-Schaltungen sind am weitesten verbreitet und können sehr klein hergestellt werden, ECL-Schaltungen haben eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und CMOS-Schaltungen weisen einen geringen Leistungsverbrauch auf.