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Grundlagen der Rechnerarchitektur [CS3100.010] Wintersemester 2014/15 Tobias Scheinert / (Heiko Falk) Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme.

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Präsentation zum Thema: "Grundlagen der Rechnerarchitektur [CS3100.010] Wintersemester 2014/15 Tobias Scheinert / (Heiko Falk) Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme."—  Präsentation transkript:

1 Grundlagen der Rechnerarchitektur [CS ] Wintersemester 2014/15 Tobias Scheinert / (Heiko Falk) Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme Ingenieurwissenschaften und Informatik Universität Ulm

2 Kapitel 4 Technologische Grundlagen Zusatz: Grundlagen Halbleiter

3 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 3/25 Nicht klausurrelevant! 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) Inhalte der Vorlesung 1.Einführung 2.Kombinatorische Logik 3.Sequentielle Logik 4.Technologische Grundlagen 5.Rechnerarithmetik 6.Grundlagen der Rechnerarchitektur 7.Speicher-Hardware 8.Ein-/Ausgabe

4 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 4/25 Nicht klausurrelevant! 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) Inhalte des Kapitels (1) 4.Technologische Grundlagen –Halbleiter-Bauelemente –Halbleiterdiode ← –Halbleiter ← –Digitale Diodenschaltungen ← –Transistor –Aufbau ← –Digitale Transistorschaltungen –TTL –MOS-Feldeffekttransistor –Aufbau –CMOS-Schaltungen –...

5 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 5/25 Nicht klausurrelevant! Warum das ganze? 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

6 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 6/25 Nicht klausurrelevant! Leiter oder Isolator? (1) Leiter –Freie Elektronen können fließen Isolator –Keine freien Elektronen Halbleiter –Material, das mal leitend, mal isolierend sein kann –z.B. Germanium (Ge) oder Silizium (Si) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

7 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 7/25 Nicht klausurrelevant! Leiter oder Isolator? (2) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) –Leitungsband Elektronen im Leitungsband sind nicht an das Atom gebunden und stehen somit für den Ladungstransport zur Verfügung. –Valenzband Elektronen im Valenzband sind an das Atom gebunden und können somit keine Ladung transportieren. Durch Energiezufuhr können Elektronen in das Leitungsband wechseln.

8 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 8/25 Nicht klausurrelevant! Elektronenkonfiguration (1) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

9 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 9/25 Nicht klausurrelevant! Elektronenkonfiguration (2) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) –Antimon: fünf Elektronen auf der äußersten Schale –Indium: drei Elektronen auf der äußersten Schale Elektron Atomkern

10 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 10/25 Nicht klausurrelevant! Atombindungen 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

11 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 11/25 Nicht klausurrelevant! Halbleiter (1) Elektronenanordnung bei Halbleiterkristallen –Je vier Elektronen auf äußerster Schale –Stabiler Zustand durch Verzahnung der Schalen benachbarter Atome –Gelegentliche Verunreinigungen –Ein Elektron zu viel oder zu wenig auf der äußeren Bahn –Geringer Stromfluss möglich (Halbleiter) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

12 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 12/25 Nicht klausurrelevant! 4 - Technologische Grundlagen Halbleiter (2) Dotieren der Halbleiter mit anderen Materialien –Dotieren = Einbringen gezielter Verunreinigungen –Beispiel: Antimon (Sb) –Ein Elektron mehr auf der äußeren Schale  Elektronenüberschuss  N-Leitfähigkeit des Kristalls (negativ)

13 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 13/25 Nicht klausurrelevant! 4 - Technologische Grundlagen Halbleiter (3) –Beispiel: Indium (In) –Ein Elektron weniger auf der äußeren Schale  Elektronenmangel (dargestellt durch Loch auf der äußeren Schale)  P-Leitfähigkeit des Kristalls (positiv)

14 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 14/25 Nicht klausurrelevant! Das elektrische Feld / Coulombsches Gesetz 4 - Technologische Grundlagen –Das elektrische Feld zeigt von der positiven Ladung zur negativen Ladung (Pfeilrichtung). –Gleichnamige (++ oder --) Ladungen stoßen sich ab, verschiedennamige (+- oder -+) Ladungen ziehen sich an. Dieses Verhalten wird als Coulombsches Gesetz bezeichnet.

15 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 15/25 Nicht klausurrelevant! Aufbau der Halbleiterdiode (1) Aufbau mit N- und P-leitfähigem Bereich Grenzbereich (PN-Übergang) –Freie Elektronen füllen Löcher 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

16 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 16/25 Nicht klausurrelevant! Aufbau der Halbleiterdiode (2) Grenzschicht Ruhezustand 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

17 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 17/25 Nicht klausurrelevant! Aufbau der Halbleiterdiode (2) Durchlassrichtung  PN-Übergang wird kleiner  Strom kann fließen 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

18 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 18/25 Nicht klausurrelevant! Sperrrichtung  PN-Übergang wird größer  Strom kann nicht fließen Aufbau der Halbleiterdiode (2) Grenzschicht 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

19 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 19/25 Nicht klausurrelevant! Abbildung der Wahrheitswerte (positive Logik) –1: Stromfluss / positive Spannung –0: kein Stromfluss / keine Spannung Aufbau einfacher Gatter Digitale Diodenschaltungen (Live-Demo) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

20 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 20/25 Nicht klausurrelevant! Halbleiterbauteil mit drei Anschlüssen (bipolare Transistoren) –Zwischen Basis und Emitter sowie zwischen Basis und Kollektor wirkt Transistor wie eine Diode –Zwischen Emitter und Kollektor fließt zunächst kein Strom –Durch geringen Strom an der Basis wird Transistor zwischen Kollektor und Emitter leitend Transistor (1) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

21 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 21/25 Nicht klausurrelevant! Transistor als Schalter und Verstärker –Kleiner Schaltstrom an der Basis –Großer Ausgangsstrom zwischen Kollektor und Emitter –Verstärkung zwischen Basis- und Kollektor-Kreis Transistor (2) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

22 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 22/25 Nicht klausurrelevant! Interner Aufbau –Drei Schichten: NPN –Ruhezustand: PN-Übergänge –Geringer Basisstrom –Verringerung des PN-Übergangs zwischen Emitter und Basis –Verringerung des PN-Übergangs zwischen Basis und Kollektor Transistor (3) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter)

23 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 23/25 Nicht klausurrelevant! P N Transistor (4) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) + - Grenzschicht N + Kollektor Basis Emitter

24 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 24/25 Nicht klausurrelevant! N P N Transistor (4) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) + - Grenzschicht Kollektor Basis Emitter Grenzschicht wird größer.

25 Grundlagen der Rechnerarchitektur (GdRA) WS 2014/15 Folie 25/25 Nicht klausurrelevant! N P N Transistor (4) 4 - Technologische Grundlagen (Zusatz: Grundlagen Halbleiter) + - Grenzschicht Kollektor Basis Emitter Elektronenfluss 99% 1%


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