Halbleiter im PC
Wozu braucht man Halbleiter im PC?
5 Antworten
Hallo silentxPaintx,
Im Gegensatz zu dem was Commodore schreibt, liegen Halbleiter doch genau zwischen Leitern und Nichtleitern. Halbleiter in ihrer reinsten Form gibt es viele: Silizium Germanium Gallium Selen. Und viele andere, auch Verbindungen wie Galliumarsenid und andere.
Was die Halbleiter in unserer Elektronik so wichtig macht, ist die Tatsache, dass man aus ihnen, durch gezielte Verunreinigung Bauteile mit sehr vielfältigem Verhalten machen kann. Eine Diode z. B. Leitet den Strom nur in einer Richtung, ein Transistor kann als Schalter oder Verstärker verwendet werden. Um nur einmal die wichtigsten zu nennen.
Im Computer finden Halbleiter mit sehr vielen Funktionen Verwendung: Transistoren als Schalter werden im Netzteil genauso verwendet wie in der Recheneinheit. In der Zentralrecheneinheit (CPU) sind mehrere Milliarden Transistoren als Schalter angeordnet, die die Befehle abarbeiten. Aber auch als Speicher (In der CPU Register genannt) oder als Cache Speicher. Weil die Strukturen in der CPU so klein sind, dass selbst kleinste statische Aufladungen die Recheneinheit zerstören könnten, sind auch Überspannungssicherungen im Halbleiter realisiert, um die CPU zu schützen. Nicht zu vergessen der RAM, als o Arbeitsspeicher oder in einer SSD oder im Speichrstick als Flashspeicher. Die Signale, die von der Festplatte gelesen werden, müssen verstärkt werden. Die komplette WLAN-Sende- und Empfangseinheit wird heute durch wenige Halbleiterbauelemente realisiert.
Dioden richten die Netzspannung gleich und machen daraus Gleichstrom. In der Soundkarte und im Monitor sind Verstärker eingebaut. Um eine konstante Spannungsversorgung der CPU auch bei unterschiedlichen Lastfällen zu garantieren, wird ein Spannungsregler direkt bei der CPU eingebaut. Dieser ist auch ein Halbleiter.
Die Leuchtenden Teile am Computer sind in der Regel Leuchtdioden, also Dioden die durch den Stromfluss Licht in unterschiedlichen Farben erzeugen. An manchen Eingängen am Computer werden die ankommenden und abgehenden Signale durch Optokoppler isoliert. Optokoppler sind auf der Sendeseite Leuchtdioden mit einem lichtempflindlichen -Transistor als Empfänger.
Die Temperaturabhängige Leitfähigkeit einer Diode steuert die Drehzahl des Kühllüfters.
Du siehst, wie im Computer übernehmen Halbleiter die vielfältigsten Aufgaben in der Elektronik. Oben habe ich nur ein paar genannt. Es gibt noch viele weitere Funktionen, die Halbleiter im Computer erfüllen. Öffne einfach einmal das Gehäuse eines Computers. Jedeal auf eine Platine gelötete Bauteil, das mehr als 2 Kontakte hat ist ein Halbleiter, mit ausnahme der Dioden, die haben auch immer nur zwei Kontakte. Nimm einfach einmal eine Computerplatine zur Hand. Die miesten bautile darauf sind Halbleiter.
Halbleiter gehören weder zur Gruppe der Leiter noch zur Gruppe der Nichtleiter. Nicht weil die "irgendwie dazwischen" sind, sondern weil die je nach Umständen mal ein Leiter sein können und mal nicht.
Ein unbehandelter Halbleiter leitet nur durch Energiezufuhr wie z.B. Licht, Radioanktivität und vor allem Wärme. Das nutzt man um Lichtsensoren (auch Digitalkameras) und Thermometer zu bauen.
Durch "Tricks" kann man einen Halbleiter auch elektrisch gesteuert zu einem guten Nichtleiter oder zu einem guten Leiter zu machen. Dadurch kann man dann Strom durch Strom steuern, nur so kann der Computer zwischen Nullen und Einsen unterschieden und das zusammenführen von Nullen und Einsen führt dann zu mathematischen Ergebnissen. Je nachdem wie man die Ansteuerungen der Halbleiter zusammenschaltet kann man bestimmen ob sich einsen und Nullen addieren oder nur dann eine Eins raus kommt wenn beide oder genau eine Eins vorliegt.
Ein Computer muß nicht auf Halbleitern basieren, der allererste funktionierende binärrechner der voll programmierbar war (von Konrad Zuse) basierte auf Relais die sich gegenseitig geschaltet haben und so Informationen verarbeitet haben. Da Relais langsam sind hatten dann spätere Computer Radioröhren drin die bis zu einer Million mal pro Sekunde schalten konnten. Erst in den 60ern wurden TRansistoren so zuverlässig und schnell, dass die die Radioröhren in Computern verdrängt haben.
Derzeit gibt es halt nichts was man so klein und schnell machen kann um hunderte Millionen Digitalschaltkreise in einen Computer unterzubringen die mit GHz Daten verarbeiten und leicht genug sind so dass der Tisch auf dem der Computer steht nicht zusammen bricht.
Der Trick ist halt das ausnutzen von SPerrschichten die durch unterschiedliche Dotierungsbereiche entstehen die man dann elektrisch kontrollieren kann. Das wäre jetzt "zu hoch" gewesen alles auf einmal.
Binäre Rechenmaschinen gibt es in der Tat schon sehr lange, die Grundlagen haben Pascal und Bool der Welt schon vor sehr langer Zeit erklärt. Digital gesteuerte Geräte (vor allem Webstühle), digitale Datenspeicher *) und Zählmaschinen (Hollerith) gibt es schon länger als Computer. Aber ein richtiger Computer ist eine Maschine die nicht nur rechnen oder Zählen kann, das ist eine Maschine die rechnen und zählen kann und daten durch ein flexibles, elektronisch hinterlegtes Programm verarbeiten kann.
Die Z3 von Zuse war die allererste Maschine die zuverlässig das konnte was ein richtiger Computer können muß. Zuse bot die der Luftwaffe an, die hatten aber abgelehnt. Als der Krieg ausbrach versteckte Zuse seinen Computer.
Der ENIAC war gar kein richtiger Computer, dem fehlte ein Programmspeicher, der wurde immer vor jeder Aufgabe fest verdrahtet diese Aufgabe zu erledigen, es gab keine Programme die man einfach so einspielen und ausführen konnte, man musste sozusagen den Rechner immer wieder sehr aufwändig umbauen. Außerdem lief der im Dezimalsystem. Und der Kolossus war auch kein Computer, das war eine Maschine die Lochstreifen von einem Fernsschreiber im unglaublicher GEschwindigkeit hunderte male hintereinander durchlaufen lies und verschiedene mathematische verknüpfungen der Fernschreiberdaten durchführte und die Ergebnisse aufaddierte. Heraus kamen dann Zahlen die Wahrscheinlichkeiten des Verschlüsselungscodes repräsentierten. Im Kolossus steckte die Technik die man für hochgeschwindigkeits Binärrechner braucht, das Ding war aber kein Computer im modernen Sinne.
Das beeindruckenste am Z3 war, dass Zuse die Arbeiten von Pascal und Bool nicht kannte. Wenn man sich den Z3 genau anguckt merkt man schnell, dass der nicht wie moderne Computer einfache Mathematische Verknüpfungen nach Bool bzw. Pascal durchführt sondern technisch einfache Verknüpfungen die "hintenrum" dann auf das selbe Ergebnis kommen. Der Z3 lebt von Äquivalenz und Antivalenz Logikverknüpfungen, KEINE halbleiter CPU die ich kenne beherrscht beide Verknüpfungen, muss die ja auch nicht weil Transistoren im Gegensatz zu Relais keine "Wechsler" haben und somit entfällt der geniale Vorteil in der Halbleitertechnik.
*) Hollerrith hat sich von Webstühlen und Zugtickets inspirieren lassen. Damals waren Zugtickets personalisiert, da waren Felder drauf wie "Schwarzer", "Weißer", "Mann", "Frau", "elegant gekleidet", "schmuddelig", usw. die dann mit einer Lochzange codiert wurden. Einfach damit ein schmuddeliger Penner nicht einfach einem reichen Fahrgast das Ticket klauen und nutzen konnte.
die aufklärung kannst du dir sparen ich hab den mist von der pieke auf gelernt... und zwar nicht nur im übergeordneten sinne. sondern halbleiterdesigne sowie smd mikro und digitalelektronik, leistungselektronik, kontaktprogrammierte schaltungen und speicherprogrammierte schaltunge, signal-trennschaltungen usw... also ich kenne mich echt aus. und ich weiß was wie wo wann mal konzipiert wurde und ergründet wurde. und das halbleiters beruht auf dem termischen leiter bzw nichtleiter und ruht auf dem fuße des heißleiterprinzips. ferner gibt es keine sperrschichten im eigentlichen sinne, sondern viel mehr verschiedene dotierungen wie du schon sagtest die unterschiedlich hohe spezifische eigen oder innenwiderstände aufweisen. ist die durchbruchsspannung groß genung, brennt sie sich mittels flug oder funkenentladung durch die pisoaltorschicht und übersättigt das leitungsband. der schalter oder auch transfer resistor ist somit permernent drain. um einen absoluten nichtleiter zu erzeugen, wäre auch bei einem organischen halbleiterderifat wie silicium-hafnium legierung selbst im oxidalen zustand eine raumtemperatur von nahezu 0 kelvin nötig.^^ die nötigen spannungen und ströme, die man braucht im diese durchbruchschwelle zu erreichen erzeugt man aber nicht mit ttl oder mos logikpegeln. jedenfalls nicht so ohne weiteres. ferner werden die logikpegel ja immer weiter reduziert und verfeinert. soviel dann zum transisto näch^^ und den rest auch..... wir hätten uns auch gern über die dahinter stehende festkörperphysik und die quantenebene unterhalten können. aber ich glaube da das thema hier eh abgeschlossen ist bin ich somit ganz raus.
die aufklärung kannst du dir sparen ich hab den mist von der pieke auf gelernt...
Aber Du nist nicht der einzige der das hier liest, und dem Fragesteller nützt Dein Wissen auch nicht wenn Du das nicht teilst oder für den Laien verständlich rüber bringst.
Ich bin Systemprogrammierer und Schaltungsentwickler aber auch Mechaniker, mir brauchst Du das nicht alles hypergenau erklären, das weiß ich selber.
Halbleiter ist kein Begriff, den du dir als "halb leitend" oder "halbierter Leiter" vorstellen kannst.
Als Halbleiter werden Materialien bezeichnet, deren elektrischer Widerstand zwischen den von Metallen und den von Nichtmetallen liegt. Silizium und Selen sind typische Halbleiter. Werden in das Kristallgitter eines Halbleiter Fremdatome eingebaut, [ nennt sich dotieren] [...] so wird der Halbleiter bei anlegen einer Spannung leitend. [...] Das einfachste Halbleiter-Bauteil ist eine Diode, [...]. Transistoren hingegen besitzen 3 unterschiedlich dotierte Schichten,[...]. Computer- Chips bestehen aus einer Vielzahl von Transistoren.
Viel leichter läßt es sich glaub ich nicht mehr umschreiben.
Ach ja, das bekommst du in der 10. Klasse Physik, glaub ich
Zur Signalweiterleitung (mehr bitte auf de.wikipedia.org lesen)...
Halbleiter sind unteranderem in CPU, GPU und Ram im Einsatz...
ok... fang doch am besten mal an bei helbleitern und nichtmetallen! das ist ja grausam, du weißt ja garnix!
wie stellst du dir bitte vor das ich dir die grundlagen sowie die sich dahinter verbergende quanten und elementarphysik die man braucht um das zu verstehen in 3 sätzen und 60 sek beibringen kann? :D
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Sei nicht so Faul und lies den Artikel auf Wikipedia.
das bringt ihm doch garnix wenn ihm schon das grundlegenste und rudimentärste wissen aus der fachrichtung fehlt. er müsste bei 0 anfangen und ohne hilfe und lehrer wird das kaum was^^
o.O was ne frage! also das sage ich ja echt zum ersten mal hier aber google doch bitte mal advanced von neumann computer, nt systemarchitektur, transistorschaltung, und digitale datenverarbeitung eva systemarchitekur. ._. oh backe
ach und halbleiterdesigne wäre auch ganz passig.... vllt noch die elementare atomare und quantenmechanische physik hinter den genutzten phänomenen
Jo danke aber mit googlen bin ich noch nicht so wirklich schlauer geworden!
ja sorry aber ich denke dir fehlt massiv das rudimentäre fachliche grundwissen. aber ganz brutal! ich meine weißt du was der darlington transistor macht? weißt du was ein operationsverstärker ist oder ein rc band und filterpass? was eine ttl signalglättung ist? was ist ein transistorstufenbandfilter? wozu braucht man spannungsteiler und was sind sie? wie arbeiten komplementäre logiken und was sind nand nor xor gatter? was sind zeitverzögerungsglieder und für was wird ein systemtaktgeber benötigt? was sind pizoeffektkristalle und wie können diese durch druck signale geben? wieso nutzt man für eine clock gerne einen geschliffenen quarzkristall und wieso schwingt der bei einer bestimmten spannung? und und und und. was ist der gate 2 gate effekt? was ist der offset und wie kommt er zustande? wieso haben signallaufpfade immer einen timedelay? was ist potential und valenz und wie kann ich mir die den ausgleich oder wandereffekt von potentialen zunutze machen? was ist ein gate und was ein floating gate. ach und so weiter. das könnte ich noch 4 std so tippen!
Ja aber in der Zeit hättest du mir einfach auch eine vernünftige Antwort auf meine Frage geben können ;) Anscheinend habe ich diese Fachkenntnisse nicht und eigentlich wollte ich mir jene Hier aneignen.
ja das geht aber nicht. weißt du wie groß das themenfeld ist? das kann man 20 jahre studieren und weiß nicht alles. halbleiter sind ein wissenschatfsfeld für sich, das ganze universitätssääle füllt und über jahre studsiert oder angelernt werden muss um zu verstehen was sich dahinter verbirgt. und die frage "wieso halbleiter?!" ist eher nimm es mir nicht übel...doof!
sgen wir es so, weil mechanische schaltstrukturen nicht annähernd so klein sein können. weil der flutungseffekt zwischen anode und kathode über das dielektrikum hinaus um das milionenfache bis miliardenfache schneller schalten und vonstatten gehen kann als bei mechanishcen schaltgliedern. weil diese um das mrd fache kleiner sein können. weil diese keinen elektromagnetismus brauchen um zu schalten und somit nicht kleben können, und viel weniger strom brauchen. weil die vallenzbänder viel geringer sein können und dürfen. weil halbleiter ptc zustandsgebunden sind und mit stigender temperatur leitfähiger werden. halbleiter haben einen nichtleitenden und einen leitenden grenzpunkt. bei absolutem oder nahe dem vollständigen nullpunkt sind halbleiter absolute nichtleiter und haben einen nahezu unendlichhohen eigenwiderstand. bei raumtemperatur oder mehr werden sie gut leitfähig. aber hitze kann die feinen strukturen auch schäden, da die meist konvalenten kirstallstrukturen durch die temperatur gestört werden können. bla bla bla.
Danke dafür, ich dachte es wäre einfacher aber das habe ich verstanden.
da ist garnix eifnaches hinter. das ist extrem komplexe materie.
naja trick? eher physikalischer effekt. transistoren sowohl uni wie auch bipolare sind ja nichts weiter als transfer resistoren die mittels einer kollecotr und einer emitter stufe welche durch eine basisplatte welche in ihrer leitfähigkeit stark von ihrer elektrischen sättigung abhängt getrennt werden... also basis oder auch gate. da ändert sich dann nur das vallenzband gegenüber dem leiterband im dielektrikum.
und was den binärcomputer angeht, da streitet sich die fachwelt seit jahrzehnten drum. schon in dwer antike oder auch der renaissance wurden hinweise auf mechanische aperaturen gefunden und sogar aperaturen selber, die durch das eingreifen von lochmusterplatten oder schieben mittels raststiften ein binäres ergebniss erzeugt haben. wann also der erste richtige computer soweit lief, ist vollkommen ungeklärt und ein streitthema das schon ganze seminarräume voll hochqualifzierter wissenschaftler dazu gebracht hat sich fast die köpfe einzukloppen^^
aber egal. vllt hat er deine erklärung ja besser verstanden. alles in allem sollte er sich mal massiv dahinter setzen, sich das wissen selber anzulesen und anzueignen. weil so wird das alles auf dauer nich gehen.