Computerhardware: Elektronik-Grundbegriffe
Elektronische Bauelemente sind Widerstände, Kondensatoren, Relais, Schalter, Leitungen, Transformatoren, Batterien, Dioden, Transistoren, LED und andere. Eine elektronische Schaltung besteht aus elektronischen Bauelementen, die zu einer sinnvollen Funktion verbunden sind, z. B. Blinkgeber, Dämmerungsschalter, Verstärker.
Leiterplatten
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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 1 – 2 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 (bei existierenden Innenlagen entsprechend mehrlagig). Die Platte 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 fertige elektronische Baugruppe entstanden, wie eine Hauptplatine oder ein Hauptspeichermodul.
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 schwarze Kleckse 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
[Bearbeiten]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. Durch Hinzufügen winzigster Mengen Fremdatome (das Impfen mit Fremdatomen nennt man „Dotieren“, übliche Dosierung: 1 bis 100 Fremdatome auf eine Milliarde Atome) kann die Leitfähigkeit erhöht werden und das Material wird so zum Halbleiter.
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 an der Berührungsfläche eine Grenzschicht. Die nach Elektronen hungernden p-Atomkerne saugen die Elektronen aus der benachbarten n-Schicht. Wenn alle freien Ladungsträger (Elektronen) abgewandert sind, kann kein Strom mehr fließen. Die Grenzschicht wird zur Sperrschicht. 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
[Bearbeiten]Das wichtigste Halbleiterbauelement ist der Transistor. Er 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.