Sexl Physik 7, Schulbuch

Untersuche, überlege, forsche: Moore’sches Gesetz 29.1 Der Prozessor INTEL386TM wurde 1985 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 INTEL486TM. Auf diesem Prozessor befanden sich 1 180 000 Transistoren. Be- stimme unter der Annahme exponentiellen Wachstums W 1 a) das Wachstumsgesetz! W 1 b) die Zeit, in der sich die Transistorzahl verdoppelt! 3.1 Was sind Halbleiter? Dioden, Transistoren und ICs sind sogenannte Halbleiterbauelemente . Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren (z. B. Hartgummi) und der von metallischen Leitern (z. B. Kupfer) liegt ( 29.2 ). Halblei- ter haben eine besondere Eigenschaft: Sie sind bei tiefen Temperaturen Isolatoren, ihre Leitfähigkeit nimmt – im Gegensatz zu Metallen – mit steigender Temperatur zu. Da die Leitfähigkeit der Kehrwert des spezifischen Widerstandes ist, nimmt daher der spezifische Widerstand bei steigender Temperatur ab. Der wichtigste reine Halbleiterstoff ist Silicium ( Si ). Im Kristallgitter hat jedes Si- liciumatom vier nächste Nachbarn, ihre Valenzelektronen bilden gemeinsame Elektronenpaare (Elektronenpaarbindung). Bei T = 0K gibt es keine frei bewegli- chen Elektronen. Mit zunehmender Temperatur werden durch die Schwingungen des Kristallgitters Elektronen aus ihrer Bindung gelöst und stehen als frei beweg- liche Leitungselektronen zur Verfügung. Durch Zugabe von Fremdatomen ( Dotierung ) kann die Leitfähigkeit von Halblei- terkristallen erhöht werden. Ersetzt man z. B. in einem Kristall einen kleinen Teil der Si-Atome (4. Hauptgruppe) durch Atome der 5. Hauptgruppe (z. B. Phosphor), so führt diese Dotierung zu einer Erhöhung der Zahl von frei beweglichen Elektro- nen. Dadurch wird die Leitfähigkeit wesentlich höher als bei reinen Halbleitern. Man spricht in diesem Fall von einem Elektronenüberschussleiter ( n-Leiter ) ( 29.3 ). Baut man dreiwertige Atome (z. B. Bor) in den Siliciumkristall ein, so fehlt den Boratomen jeweils ein Elektron, um die Bindung zu allen vier Silicium- nachbarn durch Elektronenpaare herzustellen. Die fehlenden Elektronen werden von umgebenden Siliciumatomen genommen – und damit fehlen diesen wieder Elektronen. Die entstandenen Leerstellen (so genannte „Elektronenlöcher“) verhal- ten sich wie positive Ladungsträger und tragen zur elektrischen Leitung bei. Man spricht von einem Elektronenmangelleiter ( p-Leiter ) ( 29.4 ). Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern . Dotiertes Silicium ist das hauptsächlich genutzte Ausgangsmaterial für Dioden und andere Halbleiterbauelemente. 3.2 Dioden und Transistoren Die Diode Dioden sind elektrische Bauelemente, die in der Mikroelektronik vielseitig einsetz- bar sind. Sie bestehen aus je einer Schicht von n- und p-leitendem Material, deren Kontaktfläche je nach Polung der angelegten Spannung den Strom steuert. Sie werden als Gleichrichter (Ventilwirkung), als Schutz bei Überspannung (in Sperr- richtung), zur Lichtemission (LED) und zur Lichtabsorption (Photodiode) einge- setzt. Dioden bestehen aus n-leitendem und p-leitendem Material. Sie können in Sperrrichtung oder in Durchlassrichtung geschaltet werden. Material spezifischer Widerstand ( Ω m) bei 20 °C Isolatoren Hartgummi 10 16 Quarzglas 10 14 Halbleiter reines Silicium 10 2 reines Germanium 1 dotiertes Silicium 10 –1 … 10 –3 Leiter Kupfer, Silber 10 –8 29.2 Typische spezifische Widerstände wichtiger Materialien. Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ P 5+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ 29.3 Das Phosphoratom ist mit vier Elektro- nen im Siliciumgitter gebunden. Das fünfte Valenzelektron wird durch die thermische Bewegung der Gitterionen abgelöst. Phosphor- atome sind sogenannte Donatoren. Silicium wird zum n-Leiter. Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ B 3+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ 29.4 Silicium wird durch die Dotierung mit Boratomen zum p-Leiter. Boratome sind soge- nannte Akzeptoren. 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 29.1 Das Moore’sche Gesetz ist ein Erfahrungsgesetz, das die Anzahl der Transistoren in einem Chip angibt. 29 | ERWEITERUNG Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv