E. Technologische Grundlagen E.1. Einordnung file- ein Elektron zuviel oder zuwenig auf der...

E-1 Technische Informatik 1, Sommer 2006, P. Schulthess & F. Hauck, ©VS Informatik, Ulm

E. Technologische Grundlagen

E.1. Einordnung

• Bisher: - Schaltungen auf logischer Ebene, - Implementierung vernachlässigt.

• Nun: - technische Realisierung,

- Dioden, Transistoren, ICs,

- typischerweise mit Halbleitern,

- mit (R, C, L ...)-Bauelementen,

- Ströme, Spannungen & Felder.

Rechnerarithmetik: - Zahlendarstellung, Operatoren, ..

Digitale Schaltungen: - mit/ohne Zustand, Zähler, ALU, logische Arrays, Optimierung

Digitale Logik: - Gatter, digitale Signale, Signalausbreitung ...

Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, Schaltkreisintegration

„Höhere Informatik“

Architektur

Digitaltechnik D

C

H

G

E

F

Systemprogrammierung J

K

I

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

http://www.pdffactory.com


Stromfluss

E.2. Halbleiterdiode

E.2.1 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, ...).




• 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:

Spannungs-quelle Lichtquelle,

Lastwiderstand




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.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):




• 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.

•




• P-Leitfähigkeit des Kristalls (positiv) - ein Elektron weniger auf der äußeren Schale - Elektronenmangel (dargestellt durch Loch auf der äußeren Schale) - Beispiel: Indium (In), „Akzeptor“




p: Elektronenmangel pn: neutrale Schicht (keine Leitung) n: Elektronenüberschuss

E.2.4 Aufbau und Funktion einer Halbleiterdiode

• Zwei Bereiche: n-leitend und p-leitend.

• Grenzbereich (PN-Übergang). - Gleichgewicht von Diffusions- und Driftstrom, - Raumladungszone.




• Durchlassrichtung - Elektronen der Spannungsquelle diffundieren in den N-Bereich, - Spannungsquelle zieht Elektronen aus dem P-Bereich ab, - PN-Übergangszone wird kleiner, - Strom kann fließen, - Animation:

• 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.

diode_ani.gif

p

n

p

n




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

• Einfaches UND-Gatter:

Y = A · B

+5 Volt

Y B

A

0 Volt

Y B

A

0 Volt

+5 Volt




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.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:

+

_ B

C

E Input

Output = ¬ Input




E.3.2 Interner Aufbau eines Transistors:

• drei Schichten, NPN.

• 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.

p n

n +




• Bipolare NPN- und PNP-Transistoren: - prinzipiell gleiche Funktionsweise, - umgekehrte Polung.

p n

n +

n p

p _




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.3.4 Multi-Emitter-Transistoren

• nur eine gemeinsame Basis- und Collector-Zone.

• mehrere Emitterzonen.




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: - alle A, B, C auf Vcc, - Transistor wird invers betrieben, - Transistor leitet, - X ~ Vcc.




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.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: - planare Transistorstrukturen, - Goldkontaktierung, - Substratkontakt, - Leiterbahnen.




• 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.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

TTL LS-TTL ALS-TTL F-TTL AS-TTL Bezeichnung 74xx 74LSxx 74ALSxx 74Fxx 74ASxx

Spannung 5V

Leistung pro Gatter 10 mW 2 mW 1 mW 4 mW 22 mW

Schaltzeit 10 ns 9 ns 4 ns 2,5 ns 1,5 ns

max. Frequenz 40 MHz 50 MHz 100 MHz 125 MHz 230 MHz




E.5. MOS-Feldeffekttransistor

• 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: - 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.

p n n

D

G S

B

+ + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _




• 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.5.1 CMOS-Schaltung = Complementary Metal Oxide Semiconductor.

• komplementär symmetrischer MOS-Halbleiter-Schaltkreis.

• Selbstsperrende n- und p-Kanal MOS-FETs

• Beispiel: Nicht-Gatter: - einer der Transistoren ist immer gesperrt, - kaum Stromfluss durch beide Transistoren, - Umladung parasitärer Kondensatoren, - niedrige Leistungsaufnahme.




• Versorgungsspannung: - kann in weiten Grenzen schwanken, - Niedrigvolt-Betrieb (0,8 Volt ...), - TTL-kompatible Pegel möglich:

• CMOS-Schaltungen sind empfindlich gegen Überspannungen: - Evtl. Schutzschaltungen an den Eingängen integrierter CMOS-Bausteine, - Destruktive Entladungen beim Handhaben der Schaltkreise, - Aufladungen durch Reibungselektrizität vermeiden, - Erdung und leitende Fussmatte, - Antistatische Verpackung ...

Unzulässiger Bereich



E. Technologische Grundlagen E.1. Einordnung file- ein Elektron zuviel oder zuwenig auf der...

Documents

Transcript of E. Technologische Grundlagen E.1. Einordnung file- ein Elektron zuviel oder zuwenig auf der...