44 28 Mikroelektronik Bei vielen Anwendungen der Halbleitertechnik führt die moderne Technologie zu einer Verkleinerung der Bauteile. Anfang der 1960er Jahre kam man auf die Idee, mehrere Transistoren, Dioden und Widerstände samt ihren elektrischen Verbindungen auf eine einzige Siliziumkristallplatte aufzubringen. So entstand die erste integrierte Schaltung – kurz IC (integrated circuit) genannt. Heute werden integrierte Schaltungen mikroskopisch klein hergestellt (Abb. 28.1). Auf einem ca. 100mm² großen Siliziumplättchen – dem Chip – können bis zu 30 Millionen Bauelemente zu Schaltkreisen zusammengeschlossen werden. Besondere Schaltkreise sind die Gatter (gates). Ihre wichtigsten Bestandteile sind Transistoren. Ein Transistor in seiner Funktion als Schalter kann einen elektrischen Strom sperren oder durchlassen. Daher ist es möglich, auf den beiden Schaltzuständen solcher Gatter (EIN oder AUS, dargestellt durch die Zahlen 1 oder 0) die Sprache der elektronischen Datenverarbeitung (EDV) aufzubauen. Vereinfacht kann man dies mit Hilfe von zwei Schaltern zeigen: Versuch: Baue nach Abb. 28.2 zwei Schaltkreise auf. Stelle fest, bei welchen Schalterstellungen das Lämpchen jeweils leuchtet. Das Lämpchen in der Schaltung mit dem UND-Gatter (Abb. 28.2a) leuchtet nur dann, wenn sowohl Schalter 1 als auch Schalter 2 geschlossen sind. Das Lämpchen in der Schaltung mit dem ODER-Gatter (Abb. 28.2b) leuchtet dann, wenn entweder Schalter 1 oder Schalter 2 geschlossen ist oder beide Schalter geschlossen sind. Wurde ein Chip anfänglich nur für eine einzige Aufgabe konstruiert, wie z. B. zur Steuerung einer Waschmaschine, so entwickelte man in den 1970er Jahren die ersten Mikroprozessoren. Das sind Chips, die erst durch Programmierung – ohne Änderung der Schaltung – ihrem Verwendungszweck angepasst werden. Sie sind u. a. das „Gehirn“ von Computersystemen, die heute in den meisten elektronischen Anwendungen des täglichen Lebens zu finden sind. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 28.1 Begründe, warum ein Mikrochip schneller als eine aus Einzelteilen zusammengebaute Schaltung arbeitet. 28.2 Recherchiere nach Beispielen für die Anwendung der Mikroelektronik. Erstellt in eurer Klasse eine Mindmap. Reichen „0“ und „1“ zum Rechnen aus? 28.1 Oben: Ein Micro-Chip (Microprozessor-Chip CPU1) im Größenvergleich Unten: Jeder Chip wird mit Anschlussdrähten versehen und in ein dichtes Kunststoffgehäuse eingeschlossen. 28.2 a) UND-Gatter durch Serienschaltung zweier Schalter („ “ … mathematisches Zeichen für „und“) b) ODER-Gatter durch Parallelschaltung zweier Schalter („ “ … mathematisches Zeichen für „oder“) X = 0 X = 1 Y = 0 Y = 1 X = 0 X = 1 Y = 0 Y = 0 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S1 S1 S2 S2 S2 S2 Integrierte Schaltungen (ICs) sind Anordnungen von sehr kleinen elektronischen Bauelementen. Ein Chip ist ein Siliziumplättchen, das eine integrierte Schaltung enthält. Ein Mikroprozessor ist ein programmierter Chip. 1 CPU … (engl.) central processing unit (zentrale Recheneinheit) a) Serienschaltung b) Prallelschaltung S1 S2 S1 ? S2 S1 = S2 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 Nur zu Prüfzweck n – Eigentum des Verlags öbv
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