Transistor und integrierte Schaltkreise – Computer und Hardware

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Aufbau des Transistors
• Halbleiter
• Anschluss eines Transistors
• Verwendung in verschiedenster Hardware
• Das Mainboard
• Der Prozessor und der Arbeitsspeicher

Aufbau des Transistors

Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil, das heute in nahezu jedem elektronischen Gerät verbaut ist. Ein bipolarer Transistor besteht ähnlich wie eine Diode aus unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten. Während eine Diode aus zwei Schichten besteht (pn), setzt sich ein Transistor aus drei dotierten Halbleiterschichten zusammen (pnp oder npn) und hat daher auch drei Anschlüsse. Diese werden als Basis (2), Kollektor (1) und Emitter (3) bezeichnet. Die Basis ist dabei stets die mittlere Schicht.

Halbleiter

Zur Herstellung eines bipolaren Transistors benötigt man unterschiedlich dotierte Halbleiter. Gewöhnlich greift man dabei auf Silizium zurück, da es billig und leicht herzustellen ist. Silizium bildet im festen Zustand eine Kristallstruktur mit vier Bindungen pro Atom aus. Um den Halbleiter nun zu dotieren, werden Fremdatome mit anderer Elektronenkonfiguration in den Kristall eingebracht. Phosphoratome besitzen beispielsweise fünf Außenelektronen. Ins vierwertige Kristallgitter eingebracht verbleibt folglich ein ungebundenes Elektron, welches als überschüssige negative Ladung verstanden werden kann. Ein mit Phosphor verunreinigter Siliziumkristall ist dann n-dotiert. Bringt man stattdessen Aluminium mit drei Außenelektronen in den Kristall ein, verbleibt eine positive Ladung und der Kristall ist p-dotiert. Fügt man nun drei unterschiedlich dotierte Schichten zusammen, bildet sich eine Raumladungszone aus.

Anschluss eines Transistors

Das Beispiel einer Diode veranschaulicht die Bedeutung der p- und n-Schicht. Je nach Einbaurichtung wird die Raumladungszone im Halbleiter durch die angelegte Spannung vergrößert (Sperrrichtung) oder aufgehoben (Durchlassrichtung). Eine Diode lässt also nur in eine Richtung einen Elektronenfluss (Strom) zu. Ein Transistor hingegen besteht aus drei Schichten. Mit Anschluss des Transistors werden zwei separate Schaltkreise verbunden. Der Basisstromkreis (links) wird an die Basis und den Emitter angeschlossen, der Kollektorstromkreis (rechts) an den Kollektor und Emitter.

Im unbelasteten Zustand ist beim Transistor, wie bei der Diode, die Kollektor-Emitter-Strecke nicht stromdurchlässig. Liegt an der Basis hingegen eine Spannung an, so wird die Raumladungszone aufgehoben und im Kollektorkreislauf kann Strom fließen. Ein Transistor fungiert hier wie ein Schalter. Da der Basisstrom relativ klein sein und einen großen Kollektorstrom steuern kann, wird ein Transistor auch als Verstärker verwendet. Dies nennt man den Transistoreffekt.

Verwendung in verschiedenster Hardware

Ein Transistor findet sowohl in der Analog- als auch in der Digitaltechnik Verwendung. Meist sind viele Transistoren zu Logikgattern oder Flipflop-Speichern zusammengeschaltet und bilden einen integrierten Schaltkreis bzw. einen Mikrochip. Heutzutage verwendet man häufig sogenannte MOSFETs (Metalloxid Halbleiter Feldeffekt Transistor), die sich mehrere 100 Mrd. mal pro Sekunde öffnen und schließen können und nur 22nm groß sind. Das ist etwa 4000 mal kleiner als ein Haar.

Da mithilfe von Transistoren bzw. Mikrochips Befehle verarbeitet sowie Daten und Ergebnisse berechnet und gespeichert werden können, sind sie Bestandteil in verschiedensten Hardwarekomponenten eines Computers.

Das Mainboard

Das Mainboard eines Computers besteht aus Kondensatoren, Spulen, Widerständen aber auch Anschlüssen für externe Hardware, wie Tastaturen und bildet die Grundlage für die Kommunikation aller Komponenten des Computers. Daher findet man auch auf dem Mainboard Mikrochips, die dafür sorgen, dass die Kommunikation reibungslos funktioniert.

Der Prozessor und der Arbeitsspeicher

Der Prozessor befindet sich auf dem Mainboard und ist im Grunde ein großer Mikrochips, der alle Befehle im von-Neumann-Zyklus verarbeitet. Jedes elektronische Gerät ist auf einen Prozessor angewiesen, um Maschinensprache in Elektronik zu übersetzten. Inzwischen ist es Standard, dass Computer mehrere Prozessoren besitzen (multicore), um Befehle nicht nur nacheinander, sondern parallel abzuarbeiten.

Der Arbeitsspeicher, auch Hauptspeicher oder RAM genannt, verwendet viele Flipflop-Speicher aus Transistoren, um Daten und Ergebnisse zwischenzuspeichern.