Computerhardware: Elektronik-Grundbegriffe

Schnitt durch eine mehrlagige Platine.

Elektronische Bauelemente sind Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Transistoren, Schaltkreise (Chips), LED und andere. Relais, Schalter, Leitungen, Steckverbinder, Sicherungen, Transformatoren, Spulen, Batterien und Lautsprecher zählen zu den elektrischen Bauelementen.

Eine elektronische Schaltung besteht aus elektronischen Bauelementen und plus ergänzende elektrische Teile, die zu einer sinnvollen Funktion verbunden sind, z. B. Blinkgeber, Dämmerungsschalter, Verstärker.

Leiterplatten

Leiterplatte mit Bauelementen

Elektronische Bauelemente werden auf Leiterplatten montiert. Eine Leiterplatte (auch Platine, Board oder PCB von printed circuit board (engl.): gedruckte Schaltung) besteht im Regelfall aus einer ungefähr 1 mm dicken Trägerplatte aus Isoliermaterial, häufig mit stabilisierenden Glasfasern. Auf der Oberfläche und oft auch innerhalb der Platte sind Leiterzüge aus Kupfer angeordnet. Zum Schutz vor Oxidation während des Herstellungsprozesses wird das Kupfer häufig verzinnt, versilbert oder sogar vergoldet und mit einer Isolationsschicht überzogen. Dies gibt der Leiterplatte das typisch grüne Aussehen. Wenn die Trägerplatte auf beiden Seiten Leiterzüge hat, wird die Leiterplatte zweilagig genannt. Klebt man mehrere Leiterplatten übereinander, nennt man sie mehrlagig. Hauptplatinen in Computern sind oft 8-lagig, in Mobiltelefonen 12-lagig. Die Leiterplatte wird gebohrt und die Bohrlöcher werden innen metallisiert, um die Leiterebenen miteinander zu verbinden. Zum Schluss werden Widerstände, Kondensatoren und weitere elektronische Bauelemente in die Bohrungen gesteckt und verlötet. Damit ist eine Platine entstanden - so nennt man eine Leiterplatte, die mit Bauteilen bestückt ist.

Leiterplatte mit SMD-Bauelementen

Die Microchips in den Abbildungen haben „Beinchen“ (engl.: pin oder lead). Früher hatten alle Microchips „Beinchen“, heute findet man auch Lötkugeln (wie im Schnittbild rechts) oder auf Platinen, wo die Microchips direkt mit der Leiterplatte verbunden sind. Die Industrie bevorzugt Chips mit SMD-Kontakten (Surface Mounted Device, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement), weil dadurch Bohrungen wegfallen und aufgrund der kleineren Anschlussflächen mehr Bauteile untergebracht werden können.

Halbleiter

Nach der elektrischen Leitfähigkeit unterscheidet man Isolatoren (z. B. Porzellan, Gummi, Kunststoff) und Leiter (z. B. Metalle). In hochreinen Silizium- und Germaniumkristallen gibt es bei niedrigen Temperaturen keine freien Elektronen für den Ladungstransport, sie sind dadurch sehr schlechte Leiter.

Hochrein bedeutet: Höchstens ein Fremdatom unter einer Milliarde Atome. Stellen Sie sich ein Bundesliga-Fußballfeld vor, auf dessen gesamter Fläche eine Milliarde Ziegelsteine gestapelt sind: 220000 Stück in 4500 Lagen übereinander ergeben einen 270 Meter hohen Stapel, in dem höchstens ein einziger Ziegelstein kaputt sein darf! Derart hochreines Material wird durch Hinzufügen winzigster Mengen Fremdatome, das „Dotieren“, zum Halbleiter. Die übliche Dotierung: 1 bis 100 Fremdatome auf eine Milliarde Atome. Wie das hochreine Halbleitermaterial hergestellt wird, können Sie unter eifert.net/hwg01 nachlesen.

Außerdem kann man den Stromfluss erhöhen

• durch Erhöhung der Temperatur,
• durch Bestrahlung mit Licht und
• durch elektrische Felder.

Ein n-Halbleiter wird durch Dotieren mit z. B. Phosphor hergestellt. Weil Phosphor leicht Elektronen (die negativ geladen sind) abgibt, entsteht ein winziger Elektronenüberschuss. Dadurch wird ein Stromfluss, also Ladungstransport, möglich. Weil dieser von der Dotierung abhängt und auch um Größenordnungen geringer sein kann als in Metallen, wird das Material als Halbleiter bezeichnet. Durch Dotierung mit z. B. Indium, welches gierig Elektronen „aufsaugt“, entsteht ein Überschuss an positiv geladenen Atomkernen (quasi ein Elektronenmangel) und man erhält einen p-Halbleiter.

Fügt man p- und n-Halbleiter zusammen, entsteht eine Diode. Die Berührungsfläche bezeichnet man als Grenzschicht. Die nach Elektronen hungernden p-Atomkerne saugen die Elektronen aus der benachbarten n-Schicht. So entsteht eine Zone ohne freie Ladungsträger, die sogenannte Sperrschicht.Wenn alle freien Ladungsträger (Elektronen) abgewandert sind, kann kein Strom mehr fließen. Doch wenn man den p-Halbleiter mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbindet und den n-Halbleiter mit dem Minuspol, fließen massenhaft Ladungen in den Kristall. Die Grenzschicht wird mit Ladungsträgern überschwemmt, und dadurch kann Strom fließen.

Polt man die Spannungsquelle um, werden die Ladungsträger abgesaugt. Die Sperrschicht wird größer als im spannungslosen Zustand. Es kann kein Strom fließen.

Ein Bauteil, welches den Strom nur in einer Richtung durchlässt, nennt man Diode oder Gleichrichter.

Transistoren

Das wichtigste Halbleiterbauelement ist der Transistor. Nichts in der Welt wird in so großen Stückzahlen produziert wie Transistoren. Millionen oder Milliarden davon stecken in einem Prozessor. Mit zwei davon (plus einige weitere für die Ansteuerung) kann man ein „Flip-Flop“ bauen (einen Speicher für ein Bit). Mit einigen Transistoren kann man ein einfaches Radio oder einen Verstärker bauen. Einzelne Transistoren kommen heute kaum noch zum Einsatz, meist werden viele davon in ein gemeinsames Gehäuse (den Chip) gesteckt.

Ein Transistor besteht aus drei Lagen unterschiedlicher Halbleiterschichten. Je nach Reihenfolge der Schichten gibt es pnp- oder npn-Transistoren. Die äußeren Schichten heißen Emitter und Kollektor, die dünnere Sperrschicht zwischen ihnen (unterschiedlich, bis zu wenigen Atomen, dick) heißt Basis. Im stromlosen Transistor „saugen“ Kollektor und Emitter die Ladungsträger aus der Basis heraus und die Basis wird zur Sperrschicht. Der Transistor ist „gesperrt“, und zwischen Emitter und Kollektor fließt nur ein winziger „Reststrom“.

Es wird nur ein sehr kleiner Basisstrom benötigt, um die Basisschicht mit Elektronen zu füllen, denn weniger als ein Millionstel der Atome „hungern“ nach einem Elektron. Sobald ein kleiner Eingangsstrom in den Basis-Anschluss geleitet wird, entsteht dort ein Ladungsträgerüberschuss, der die Basisschicht zum Leiter macht („öffnet“). Dadurch kann ein wesentlich größerer Ausgangsstrom zwischen Emitter und Kollektor fließen. Das Verhältnis vom Ausgangsstrom zum Basis-Steuerstrom ist der „Stromverstärkungsfaktor“, der meist größer als 100 ist.

Anfangs konnte auf jedem Stück Halbleiter nur ein Transistor untergebracht werden. Später gelang es, Widerstände und Kondensatoren aus Halbleitermaterial zu fertigen und zusammen mit dem Transistor auf dem Halbleiterstück unterzubringen. Weitere Miniaturisierung ermöglichte eine wachsende Anzahl von Bauelementen pro Halbleiter.

Ein integrierter Schaltkreis (Mikrochip, engl. integrated circuit, abgekürzt IC) ist eine elektronische Schaltung, die auf einem einzelnen Halbleiterstück untergebracht ist. Weil Halbleiter empfindlich auf Sauerstoff, Licht und Schmutz reagieren und die Anschlüsse an die Pins extrem empfindlich sind, werden sie in einem vergossenen Gehäuse untergebracht.

Ein Prozessor ist ein integrierter Schaltkreis, der einige hundert Millionen Transistoren enthält.