Bis zum Volladdierer #2 Halbleiter, Diode, Transistor
So wir sind beim Halbleiter angekommen.
Wofür benötigen wir einen Halbleiter?
Ein Halbleiter ist heute nicht mehr wegzudenken, ohne ihn würde vieles in unserem modernen Leben nicht mehr funktionieren.
Vor allem heutige Computer würden ohne nicht funktionieren.
Ohne Transistoren würden unsere SSDs, der RAM, die CPU und vieles weitere nicht funktionieren.
Damit wir verstehen können was ein Transistor ist, müssen wir verstehen was eine Diode ist und um die Diode zu verstehen, was ein Halbleiter ist.
Was ein Elektron ist, sollte klar sein ansonsten: Elektron
Ich werde es vereinfachen, weil es sonst den Rahmen und meinen Kopf komplett sprengen würde. :D
Also dann kann es ja losgehen.
Ein Siliciumatom hat 4 Außenelektronen, diese können mit den anderen Siliciumatomen eine Verbindung eingehen.
Was wir hier sehen sind Siliciumatome gedruckt auf einen Wafer 2 und wir sehen wie die Verbindung aussieht.
Bei niedrigen Temperaturen ohne ausreichende Wärmeenergie ist Silizium nicht leitfähig.
Aus diesem Grund verunreinigt man das Silizium mit Phosphor und Bor.
Auf diesem Bild sieht man links Verunreinigungen mit Phosphor, welches 5 Außenelektronen besitzt.
Ein Elektron ist hier also Überschuss und ist dadurch Positiv geladen.
Diese Seite soll also einen N-Halbleiter darstellen.
Rechts auf dem Bild finden wir Verunreinigungen mit Bor, welches 3 Außenelektronen besitzt.
Also haben wir hier zu wenig Elektronen was bedeutet, dass diese Seite Negativ geladen ist.
Diese Seite soll also einen P-Halbleiter darstellen.
Die Spannungen versuchen sich auszugleichen an der Potentialbarriere (Orange in der Mitte), da durch lädt die Seite P Seite leicht Negativ auf und die N Seite leicht Positive auf.
Schlisst man eine Batterie an die enden an, N-Halbleiter an Minus und P-Halbleiter an Plus angeschlossen.
Dann bewegen sich die Elektronen nach außen zu den Anschlüssen wo die Batterie angeschlossen ist. (Geschlossen)
Wird N-Halbleiter an Plus und P-Halbleiter an Minus angeschlossen, dann bewegen sich die Elektronen nach rechts und bilden einen Stromkreis. (Offen)
In Minecraft ist eine Diode ein Redstone Repeater.
Als Nächstes bauen wir aus zwei Dioden, die wir wie folgt anordnen (N-Halbleiter-P-Halbleiter P-Halbleiter-N-Halbleiter) einen Bipolartransistor.
Wir sehen, wenn wir an der Batterie oben den Strom einschalten, dann bewegt der Strom sich vom Emitter nach oben zur Basis und nach rechts zum Kollektor.
Weil wir wie oben gezeigt die erste Diode öffnen N(Emitter)-P(Basis) und der Strom zu N(Kollektor) fließen kann.
Schalten wir den Strom aus sperren die Dioden(N-Halbleiter-P-Halbleiter) wieder und somit auch den Strom der unteren Batterie(Emitter zu Kollektor).
Man kann sich vorstellen, dass die P-Halbleiter der an der Basis ist wie ein Staudamm wirkt, der unter dem zusätzlichen Wasserdruck Wasser ablassen muss und dabei dann komplett überschwemmt wird.
Oder das diese Energie von der Batterie oben (Emitter zu Basis) dazu genutzt wird, um die Schranke (P-Halbleiter) anzuheben.
Der Strom kann auch Verstärkt werden mit einem Transistor und das ist auch Temperaturabhängig wie gut das funktioniert.
Hinweise:
Neben der Batterie oben links muss eigentlich noch ein widerstand sein. (Korrigiert)
Die N-Halbleiter Schicht ist in echt natürlich viel dünner.
Es gibt auch einen PNP Transistor 2, diese sind allerdings teurer und werden aus diesem Grund seltener eingesetzt.
In der Realität werden eher MOS-FET 2, FinFET 2 3 4 eingesetzt.
Ich bedanke mich bei allen die dran geblieben sind. :)
Falls ihr noch mehr wissen wollt oder eine andere Erklärung sucht, habe ich euch die Quellen verlinkt, mit denen ich auch gearbeitet habe.
Quellen:
Silicium Wikipedia
Silicium Lernhelfer
Halbleiter Grundlagen Lernhelfer
Halbleiter-Grundlagen mit N-Typ und P-Typ electronics-tutorials
Was sind Halbleiter? SIMPLECLUB.DE
Temperaturverhalten von Halbleitern elektronik-kompendium
Halbleiterphysik / Halbleitertechnik elektronik-kompendium
Diode - Wie funktioniert die? SIMPLECLUB
Transistor SIMPLECLUB
Der Transistor, Wie funktioniert er?
Bipolarer Transistor elektronik-kompendium