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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
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