Ab 1955 gab es auch Transistoren. Diese machten sich die Valenzelektronen zunutze.
Wenn ein Element, z.B. Germanium mit 4 Valenzelektronen,
”unter sich “ist, so kann ein stabiles Gitter aufgebaut werden, bei dem jedes Elektron einen Partner besitzt.
Wird dieses Gitter nun absichtlich mit Elementen anderer Wertigkeit verunreinigt (dotiert), so hat nicht jedes Elektron einen Partner.
Setzt man ein Element mit mehr Elektronen (z.B. Arsen) ein, so schwebt das Ubersch¨¨ ussige Valenzelektron frei umher – diese Gitter nennt man Elektronendonatoren und bilden denN-Halbleiter.
Dotiert man es stattdessen mit einem Element, das weniger Valenzelektronen besitzt (z.B. Indium), so entsteht ein
”Loch“im Gitter, das von umstehenden Elektronen immer nur zeitweise aufgef¨ullt werden kann, bevor sie zur¨uck an ihre alte Stelle schweben – diese Gitter nennt man Elektronenakzeptoren und bilden deP-Halbleiter.
F¨ugt man diese Halbleiter nun zusammen und legt den Pluspol eines Stromes an den P-Halbleiter (also fließen die Elektronen zuerst in den N-Halbleiter und dann in den P-Halbleiter), so werden die Elektronen im N-Halbleiter von den neuen Elektronen in den P-Halbleiter gestoßen und von dort vom Pluspol angezogen – es entsteht ein Strom in Durchlassrichtung.
Wird Der Pluspol stattdessen an den N-Halbleiter angeschlossen, werden die ¨ uber-sch¨ussigen Elektronen direkt vom Pluspol angezogen – es entsteht keine Spannung, da der Strom in Sperrrichtung angeschlossen ist.
Oft wird die Richtung auch durch ein Dreieck mit Strich an der Spitze dargestellt, wobei die Spitze in Durchlassrichtung zeigt.
Bei 100V oder h¨oher ist der Strom jedoch so stark, dass der auch in Sperrrichtung fließt – dann ist der Halbleiter kaputt.
Transistoren bestehen aus drei solcher Halbleiter-Gitter, die entsprechend NPN oder PNP Transistoren heißen. Das mittlere Gitter ist in beide F¨allen sehr d¨unn und nur schwach dotiert. Diese unterschiedlichen Gebiete werden auch Emitter-, Basis- und Kollektor-Zone genannt.
Das erste Bauteil (Beispiel NPN Transmitter) NP ist in Durchlassrichtung geschaltet, das zweite Bauteil (PN) ist in Sperrrichtung geschaltet. Wird der Strom nun angeschaltet, so werden die Elektronen aus dem ersten N-Bauteil durch die neuen Elektronen in den P-Teil verschoben, wo sie teilweise die
”L¨ocher“stopfen. Der Strom, der am zweiten N-Bauteil in Sperrrichtung angeschlossen ist, ist jedoch so stark, dass die Elektronen, die vom ersten N-Bauteil in das P-Gitter verschoben wurden, nun von dem starken Strom angezogen werden und weiter in das zweite N-Bauteil fließen. So fließt ein Strom, der durch Regelung des kleineren Stroms sogar Verst¨arkt werden kann.
Heutzutage werden allerdings anstelle dieser bipolar-Transistoren Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistoren (MOSFETs) verwendet. Hierbei sind zwei n-dotierte
Komponenten – Source und Drain – in einem p-dotierten Substrat und werden ¨uber ein Gate miteinander Verbunden. Wird das Gate unter positive Spannung gesetzt, so zieht es die Elektronen aus dem Substrat an, die daraufhin unter dem Gate liegen.
Durch diese vermehrte Anzahl an Elektronen im Substrat, k¨onnen die Elektronen in den n-dotierten Komponenten von Source nach Drain wandern.
2 Mikrocontroller und -prozessoren
Heutzutage ist all das nicht mehr in der Gr¨oße mehrerer Aktenschr¨anke, sondern sehr viel kleiner, z.B. in Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. Der Unterschied zwischen diesen beiden ist lediglich, dass ein Mikrocontroller alle n¨otigen Bausteine (z.B. Speicherbl¨ocke) bereits auf dem Chip hat, wohingegen ein Mikroprozessor lediglich das”Hirn ohne K¨orper“ist.
2.1 Prozessoranschl¨ usse
Ein Prozessor hat viele verschiedene Ein- und Ausg¨ange, die jeweils einen anderen Zweck erf¨ullen. Hier werden beispielhaft die Anschl¨usse des IntelRM8080A erkl¨art:
A0 bis A15 (Drei Zust¨ande – output)
Diese Pins werden verwendet, um ¨uber den Adressbus eine gewisse Speicherstelle oder einen I/O-Port auszuw¨ahlen. Sie k¨onnen eine niedrige oder hohe Spannung haben. Zus¨atzlich haben sie noch den Zustand
”Hochohmig“, der kein Signal durchl¨asst.
D0 bis D7 (Drei Zust¨ande – input / output)
Uber diese Verbindungen werden Daten auf den Datenbus geschrieben oder¨ davon gelesen (deswegen Bi-direktional), und zwar von / auf die Stelle, die zuvor auf dem Adressbus spezifiziert wurde. Auch hier gibt es die drei zust¨ande.
SYNC (output)
Diese Verbindung gibt zu Beginn jedes Maschinenzyklus ein Signal ab, mit dem sich andere Bauteile synchronisieren k¨onnen, damit sie im selben Takt arbeiten.
DBIN (output)
das Data Bus IN-Signal zeigt den externen Schaltkreisen an, dass sich der Datenbus im Eingabemodus befindet.
READY (input)
Dieses Signal gibt dem 8080 an, dass die Daten von der Adresse, die er zuvor auf den Adressbus gelegt hat, nun auf dem Datenbus vorhanden sind. Zwischen Ablegen und dem READY signal, ist der Prozessor im Wait-zustand.
WAIT (output)
Zeigt an, dass sich die CPU im Wait-Zustand befindet
WR# (output)
Das negierte Write-Signal, signalisiert im low-Zustand, dass die Daten auf dem Datenbus stabil vorliegen und nicht ver¨andert werden.
HOLD (input)
Der Prozessor soll im Hold-Zustand den Adress- und Datenbus freigeben, um einem anderen Ger¨at denDirectMediaAccess (DMA) zu erm¨oglichen.
HLDA (output)
Ist dieses Signal an, so best¨atigt der Prozessor die HOLD-Anfrage und versetzt all seine Adress- und Datenbusausg¨ange in den Hochohmigen Zustand, sodass er keine Befehle mehr darauf setzen kann.
INTE (output)
Ist das Interrupt-Enable-Signal an, so d¨urfen externe Schaltkreise einen Interrupt senden, ist es aus, so sind interrupts nicht erlaubt. Dies ist z.B. beim Hochfahren wichtig, da diese Routine nicht unterbrochen werden darf.
INT (input)
Wird diesem Signal strom zugef¨uhrt, so wird ein Interrupt angefragt. Ist der Prozessor gerade mit warten oder intern mit anderen interrupts besch¨aftigt ist, ignoriert er diese Anfragen.
RESET (input)
Wird ¨uber diesen Eingang Strom zugef¨uhrt, so werden INTE, HLDA und der Program counter gel¨oscht. Nach einem Reset startet das Programm bei der Adresse 0.
∅1,∅2
Uber diese Zug¨¨ ange kann ein externer Takt zugef¨uhrt werden.