Halbleiter vs. Isolatoren

● Lücke kann durch thermische Bewegung übersprungen werden

● Fermi-Statistik

● Halbleiter: Bei Raumtemperatur geringeEigenleitung▪ Ge-Draht mit 1mm²

Querschnitt hat 0,5MW/m

▪ Widerstand sinkt bei steigender Temperatur

Si (Silizium)

● 4. Hauptgruppe

● Tetraeder-Struktur

Ge: Auch

4-wertiger

Halbleiter

N-dotiere Halbleiter

● Ersetze Anteil an Si-Atomen mit fünfwertigen Atom („Dotierung“)

● 1 ungepaartes Elektron

● Festkörper nicht elektrisch geladen

● Aber: „freie“ Landungsträger bei Raumtemperatur

-

Si Si

Si As

Si

Si

Si Si Si

+

P-dotierte Halbleiter

● Dotiere Si (oder Ge) mit 3-wertigen Atomen

● Ungepaartes Elektron am benachbarten Si-Atom

● Wirkt als Akzeptor

● Elektronen werden hier eingefangen

● Konzept der „Löcher“

Teil 2: Integrierte Schaltungen

2b: Dioden & Transistoren

Diode

• Bringen P- und N-

Halbleiter

zusammen

• Freie e- „fallen“ in

die Löcher

Diode

● Es bildet sich Verarmungszone aus

● Nicht mehr el. Neutral (E-Feld)

● Potentialdifferenz

● Diffusionsspannung 0,1-0,8 V

Diode

● Anlegen einer Spannung:

● + an N und – and P

● Freie Ladungsträger werden angezogen

● Verarmungszone wird größer

● Diode sperrt

● - an N und + and P

● Freie Ladungsträger werden in die Veramungszone gedrückt

● Verarmungszone wird kleiner

● Diode leitet

Diode

● „Einbahnstraße“

● Schaltzeichen

● Leitet: (technische Stromrichtung)

● Sperrt:

+ -

+-

● Anwendung:Gleichrichter

LED‘s

● Durch Rekombination der Löcher + Elektronen:

▪ Lichtaussendung:

● Schaltzeichen:

● Wichtig: Vorwiderstand

Bipolarer Transistor

● Bringe Diodenpaar als Sandwich zusammen

● 2 Typen:

▪ NPN und PNP

● 3 Pole:

▪ Kollektor

▪ Basis

▪ EmitterBasis muss sehr schmal sein

NPN-Transistor

● Spannung an Basis-Kollektor

● Sperrichtung

● D.h. + an N und – an P

Transistor schaltet

● Legen nun Spannung mit positiver Polarität an Basis-Emitter an

● Teildiode in Durchlassrichtung

● Ladungsträger fließen weiter zum Kollektor

● Elektronen fließen vom Emitter zum Kollektor

● Basisstrom klein (Basis schmale Schicht)

Transistor als Verstärker

● Einige Elektronen fallen in die Basis-Löcher

● Ladung muss abgesaugt werden

● Kleiner Basis-Emitter-Strom

● Aber: Emitter-Kollektor-Strom ca. 100 mal größer

● Normale Anwendung: Emitter-Kollektor-Spannung konstant

● Basis-Potential regelt

Ziel: Müssen mit Transistoren und Dioden

NICHT, UND, ODER bauen

(oder NAND)

Definitionen

3,3 V-

Logik

Störabstand

● Spannungspegel:

▪ 5V als „1“

▪ 0V als „0“

• Positive Logik

▪ 5V als „0“, 0V als „1“

• Negative Logik

● Eingangsbereich toleranter als Ausgangsbereich

● Gatterlaufzeiten

Eingang AusgangAusgangEingang

Inverter

UE=0V R=∞

UA=5V

● Potential an Basis UE=0V

▪ CE-Widerstand sehr groß

▪ Spannungsteiler liefert UA=5V

● Potential an Basis UE=5V

▪ CE-Widerstand gering

▪ Spannungsteiler liefert UA=0V

● Brauchen nur noch UND/ODER

UE=5V R=0

UA=0V

Diodenlogik

● UND-Gatter

▪ Einer der beiden Eingänge U1,2=0V

▪ Strom fließt

▪ Spannungsabfall an R maximal

▪ Ua≈0V

● ODER-Gatter

▪ Einer der beiden Eingänge U1,2=5V

▪ Strom fließt

▪ Spannungsabfall an R maximal

▪ Ua≈5V

U1=5V

U2=0VU2=5V

U1=5V

U2=0V

U1=0V

DTL – Dioden-Transistor-Logik

● Problem bei Diodenlogik:

▪ Spannungsteiler

▪ Für jedes Gatter sinkt Pegel… (bei 5V)

▪ …bzw. steigt Pegel (bei 0V)

● Lösung: Inverter-Verstärker-Stufe

● Bsp: DTL-NAND-Gatter

TTL

● Ersetze Dioden durch Multi-Emitter-Transistor

● Schneller als DTL (10ns)

● Geschwindigkeit: kleine RC-Zeit▪ Kleiner Widerstand am

Ausgang

▪ Resultat: Hohe Leistungsaufnahme

TTL

● Gegentakt-Endstufe:

● T2 sperrt

▪ UX=5V

▪ T3 leitet, T4 sperrt

● T2 leitet

▪ UX=0V

▪ T3 sperrt, T4 leitet

● Einer der beiden Transistoren T3,4 leitet

▪ Gatter kann Strom aufnehmen und abgeben

UX

Falsche geschaltete Ausgänge

● Treibende Ausgänge nicht zusammenschalten

● Zerstörung des Bauteils

Tristate

E

● Zusätzlicher Enable-Eingang:

● E=0

● T2 sperrt und damit T4

● Über Diode wird Basis von T3 auf niedriges Potential gezogen

● T3 sperrt

● Ausgang hochohmig

Beispiel: Bus mit Geräten

Bus

Gerät 1 Gerät 3Gerät 2

Arbiter

RE

Q1

AC

K1

RE

Q2

AC

K2

RE

Q3

AC

K3

● Alle Geräte hochohmig

● Enable =1 nur wenn ACK=1

Pull-Up/Down-Widerstände

● (Ausgeschalteter) Tri-State-Ausgang ist hochohmig

● Bsp: Kontroll (Request)-Leitungen für mehrere Endgeräte

● Alle Endgeräte aus: Leitung ist offen („floating“)

● Abhilfe: Pull (Up/Down) Widerstand

Open Collector

● „Pull-Up“ Teil der Gegentaktstufe fehlt

● Nur „Pull-Down“ möglich

● Externer Pull-Up-Widerstand

Open Collector

● Realisierung eines „wired-AND“ (pos. Logik) oder „wired-OR“ (neg. Logik)

● Bsp: Ein Endgerät löst Interrupt/Fehler aus

Standard Logic

● Logisch 0/1 (Strong)

● Open-Collector(falls getrieben)

● Pull-Up/Down (Weak)

● Tri-State („Z“)

Stä

rke

Zusammenfassung

● Halbleiter: Leiten effektiv nur bei Dotierung

● Diode: Einbahnstraße der Elektronik

● Transistor: Elektronischer Schalter/Verstärker

● Schaltungen mit bipolaren Transistoren

▪ TTL

● Nachteile/Grenzen von Schaltungen mit bipolaren Transistoren

▪ Große Fläche auf Chip

▪ Bipolare Transistoren sind stromgesteuert

▪ Höherer Aufwand bei integrierter Technik