Sexl Physik 7, Schulbuch

| 100 Ob mit Fotoapparat oder Handy, die digitale Aufnahme von Bildern und Filmen hat in den letzten Jahren die früher übliche analoge Fotografie fast gänzlich abgelöst. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass Digitalkameras an- statt eines Films einen elektronischen Bildsensor (CCD-Sensor) und ein digitales Speichermedium besitzen. CCD-Sensoren ( charge-coupled device , 100.4 ) sind lichtempfindliche elektroni- sche Bauelemente, die aus dotierten Halbleitern (Silicium) bestehen. Über dem Halb- leiter liegt eine durchsichtige, elektrisch isolierende Schicht auf der eine Matrix aus winzigen Fotodioden aufgebracht ist. Das einfallende Licht setzt Elektro- nen frei (innerer Photoeffekt), deren Anzahl proportional zur Lichtintensität ist (vgl. Funktionsweise Photodiode). Die Helligkeit eines Bildes lässt sich also aus der aufgebauten Spannung bestimmen. Der Bildsensor liefert demnach das Roh- material eines digitalen Bildes, die so genannten Pixel. Je nachdem, wie vie- le lichtempfindliche Dioden auf einem Sensor aufgebracht sind, wird das Bild 4.4 Miniaturisierung Antwort auf die Eingangsfrage Im Bereich der Halbleitertechnik spielt die Miniaturisierung eine große Rolle. Elektronische und mechanische Bauteile und Endgeräte werden von Jahr zu Jahr kleiner. Unterhalb einer bestimmten Größe aber, wo einzelne Schaltkreise nur mehr wenige Atome voneinander entfernt sind, beginnen so genannte Quanten- effekte (siehe auch Band 8) zu wirken. Eine nochmalige Verkleinerung wird da- durch unmöglich. Die Forschung in diesem Bereich wendet sich daher neuen Ma- terialien zu. Zurzeit forscht man z. B. an Nanodrähten, die nur etwa ein Fünftel so dick sind wie die Leiterbahnen der heutigen Computerchips, was eine enorme Ver- ringerung des Platzbedarfs bedeuten würde. Kleinste Magnetspeicher auf Viren- basis sollen in Zukunft Rechnerfestplatten kleiner und schneller machen – eine fantastische Symbiose von Biologie und Halbleitertechnik. „ Organische Halbleiter “ basieren nicht auf teurem Silicium, sondern auf kosten- günstigen ringförmigen Kohlenstoffverbindungen. Dieses Forschungsgebiet befin- det sich in rascher Entwicklung. Erste Produkte (organische LED = OLED ) werden bereits für Displays von Smartphones hergestellt. Rechenbeispiel: Moore’sches Gesetz 100.1 Der INTEL386 TM – Prozessor wurde 1984 auf den Markt gebracht. Mit ihm begann der Einzug der Computer in das Alltagsleben. Auf diesem Prozessor befanden sich 275 000 Transistoren. Bis zum Jahr 1989 wurde dieser Prozessor weiterentwickelt zum INTEL486 TM . Auf diesem Prozessor befanden sich 1 180 000 Transistoren. Bestimme un- ter der Annahme exponentiellen Wachstums a) das Wachstumsgesetz! b) die Zeit in der sich die Transistorzahl verdoppelt! c) Wie viele Transistoren sich daher etwa auf dem ersten IC befanden, den J ack k ilby 1958 baute. 100.2 Die Verdopplungszeit wird heute mit 18 Monaten angegeben. Auf modernen Pro- zessoren befanden sich im Jahr 2004 auf einer Fläche von nur wenig mehr als 1 cm 2 100 Millionen Prozessoren. a) Unter diesen Annahmen wird 2020 die Rechenleistung des menschlichen Gehirns er- reicht. Wie viele Transistoren befinden sich dann auf einem Chip? b) Die Dichte ist begrenzt durch die Ausdehnung der Atome. Wie viele Transistoren pas- sen auf einen Chip, wenn du von einem Atomdurchmesser von etwa 10 –10 m aus- gehst und die Chipgröße durch 1 cm 2 näherst? Lässt sich die Rechenleistung des Ge- hirns mit der im Moment gängigen Technik erreichen? 1970 1980 1990 2000 2010 10 10 10 10 10 10 10 10 10 9 8 7 6 5 4 3 4004 8008 8080 8088 286 386 486 Pentium AMD K5 PII AMD Barton P4 AMD K8 Itanium2 Anzahl der Transistoren/Chip Verdoppelung in 24 Monaten 100.1 Das Moore’sche Gesetz ist ein Erfah- rungsgesetz, das die Anzahl der Transistoren in einem Chip angibt. 100.2 USB-Sticks gibt es in vielen Ausfüh- rungen. Wie funktionieren sie – und wie viele Transistoren enthalten sie? 100.3 Der eingebaute Beschleunigungssensor ist ein Teil des erfolgreichen Bedienkonzepts moderner Handys. Digitalkameras: Fotografieren mit Sensor und Speicherkarte 100.4 Ein CCD-Sensor, wie er für astrono- mische Aufnahmen verwendet wird. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv