Chips und Schaltkreise

Weiß jemand von euch wie der Halbleiter Silicium in den Chips funktioniert? Wan leitet Silicium Strom, und wann nicht?
Wie funktioniert der Rechenvorgang im Binärcode?
Wie ist ein solcher Schaltkreis aufgebaut?
Für was sind Kondensatoren nötig?
Wie funktionieren diese?
Gibt es einen Unterschied zwischen Kondensatoren und Transistoren?

Zitat:

Weiß jemand von euch wie der Halbleiter Silicium in den Chips funktioniert?

Solange Du nicht zu sehr in die Details gehst, ja :-)

Zitat:

Wan leitet Silicium Strom, und wann nicht?

Reines Silizium leitet Strom, wenn es warm genug ist :-) Allerdings wird diese Tatsache außer für Wärmesensoren normalerweise nicht angewendet. Das Silizium in den Chips wird "dotiert", d.h. gezielt mit Fremdatomen (also Atomen, die kein Silizium sind) "verunreinigt". Diese Atome haben entweder zuviele Elektronen (dann nennt man den Halbleiter n-dotiert, n wie negativ, weil Elektronen negative Ladung haben), oder aber zuwenig davon (dann nennt man den Halbleiter p-dotiert; die "fehlenden Elektronen" verhalten sich dann wie positiv geladene Teilchen, die man Löcher nennt). Diese Elektronen und Löcher sind im Halbleiter frei beweglich und lassen daher Stromleitung zu. Damit kann man die Leitfähigkeit von Silizium ziemlich frei manipulieren. Was dann genau wie passiert, hängt dan vom einzelnen Halbleiterelement ab.

Das einfachste, was man mit solchen Halbleitern machen kann, ist eine Diode. Für die wird einfach ein p-dotierter Halbleiter an einen n-dotierten Halbleiter angesetzt (bzw. die eine Hälfte wird n-dotiert, die andere p-dotiert). Dann "fallen" an der Grenzschicht die Elektronen des n-Halbleiters in die Löcher des p-Halbleiters, weshalb in der Nähe der Grenzschicht keine freien Ladungsträger mehr sind und deshalb kein Strom mehr fließen kann (der Strom wird dann quasi abgesperrt, deshalb nennt man die Schicht "Sperrschicht"). Wenn man nun eine Spannung so anlegt, daß am p-Halbleiter die negative Spannung anliegt und am n-Halbleiter die positive, dann werden die jeweiligen Ladungsträger durch die Spannung noch von der Grenzschicht weggezogen und es kann erst recht kein Strom fließen. Wenn man hingegen den Minuspol an den n-Halbleiter anschließt und den Pluspol an den p-Halbleiter, dann drückt man die jeweiligen Ladungsträger zur Grenzschicht hin, und Strom kann fließen.

Das wichtigste Bauteil für elektronische Schaltungen ist der Transistor; wie der genau funktioniert, hängt auch von der jeweiligen Bauform ab (ein MOSFET funktioniert im Detail anders als ein klassischer pnp-Transistor), aber im Wesentlichen ist ein Transistor ein Bauteil mit drei Anschlüssen, wobei zwischen den beiden "äußeren" Anschlüssen nur dann Strom fließen kann, wenn am "mittleren" Anschluß eine Spannung anliegt (die Höhe der Spannung bestimmt, wie gut der Strom fließen kann). Vereinfacht gesagt kann man sagen, es handelt sich um einen elektrisch einstellbaren elektrischen Widerstand.

Ok, ich werde jetzt mal die Reihenfolge der Fragen etwas umstellen, weil das vom logischen Aufbau günstiger ist.

Zitat:

Für was sind Kondensatoren nötig?
Wie funktionieren diese?

Ein Kondensator ist im Prinzip etwas ziemlich einfaches. Ein Plattenkondensator sind einfach zwei Metallplatten nebeneinander. Die Kondensatoren im Computer sind im Detail wesentlich komplizierter aufgebaut (einfach zwei Metallplatten ergeben nicht sonderlich viel Kapazität [s.u.] und sind außerden ziemlich sperrig), aber im Grunde machen sie auch nichts anderes als die beiden Metallplatten.

Wenn man an die beiden Platten des Kondensators eine Spannung anlegt, dann fließt Ladung auf die Platten (bzw. von den Platten runter). Die Platte am Pluspol wird dadurch positiv aufgeladen, die Platte am Minuspol negativ. Die Kapazität eines Kondensators gibt dabei an, wieviel Ladung bei einer bestimmten Spannung auf den Kondensator paßt.

Daraus ergibt sich schon eine wichtige Anwendung von (kleinen) Kondensatoren im Computer: Im DRAM werden sie dazu benutzt, Information zu speichern. Ein geladener Kondensator kennzeichnet dabei eine 1, ein ungeladener eine 0 (vielleicht auch umgekehrt). Das Problem dabei ist, daß man einen Kondensator nicht perfekt isolieren kann, so daß er sich mit der Zeit entlädt; deshalb muß DRAM regelmäßig "refreshed" werden, wenn er den Speicherinhalt nicht verlieren soll (und weil das beim ausgeschalteten Rechner nicht passiert, sind nach dem Ausschalten alle Daten weg).

Eine andere Anwendung ist das Glätten von Spannungen. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Ladung gilt nämlich auch umgekehrt: Wenn eine bestimmte Spannung am Kondensator anliegt, dann hat er auch eine bestimmte Spannung. Nehmen wir nun an, wir haben einen Gleichrichter, der aus Wechselstrom Gleichstrom macht. Der Wechselstrom geht regelmäßig durch Null, und deshalb wird der generierte Gleichstrom zunächst ebenfalls regelmäßig auf Null absinken. Wenn man jetzt aber einen fetten Kondensator hinbaut, dann wird der sich zunächst einmal aufladen, und dann die Schwankung zum Teil ausgleichen: Wenn der Gleichrichter gerade besonders viel Spannung liefert, dann wird der Kondensator einen Teil davon verwenden, um sich weiter aufzuladen, und wenn der Gleichrichter gerade ein Spannungstief hat, dann wird er einen Teil der Ladung wieder abgeben. Auf diese Weise wird der Gleichstrom wesentlich gleichmäßiger (letztlich wird er zu etwas, was man mit gutem Gewissen "Gleichstrom" nennen kann!).

Weitere Anwendungen sind Schwingkreise und Frequenzfilter, aber die gehören eher in die Radiotechnik als in den Computer (und der Beitrag ist auch so schon lang genug :-))

Zitat:

Gibt es einen Unterschied zwischen Kondensatoren und Transistoren?

Diese Frage dürfte sich nach obigem bereits von selbst beantworten: Transistoren regeln den Stromfluß, Kondensatoren speichern Ladung. Sie sind also etwas völlig verschiedenes. Außerdem haben Transistoren drei, Kondensatoren aber nur zwei Anschlüsse :-)

Zitat:

Wie funktioniert der Rechenvorgang im Binärcode?

Normalerweise rechnen wir im Dezimalsystem. Das heißt, wir haben zehn Ziffern, und bei mehrstelligen Zahlen hat jede Stelle weiter links einen zehnmal so hohen Wert (also z.B. 123 = (1*10+2)*10+3). Nun sind zehn Ziffern etwas unhandlich, wenn man Schaltungen aufbauen will. Wesentlich einfacher ist es, wenn man nur zwei Zustände unterscheiden muß (z.B. Strom an, Strom aus). Das erreicht man im Binärsystem,beispielsweise ist die fünf dann 101 = (1*2+0)*2+1. Vor allem aber ist das Rechnen im Binärsystem besonders einfach: Das kleine Einmaleins macht nämlich seinem Namen alle Ehre, es ist wirklich klein: "0*0 = 0, 0*1 = 0, 1*0 = 0, 1*1 = 1". Oder kurz: Das Produkt ist genau dann 1, wenn der erste und der zweite Faktor 1 sind. "Und" ist aber eine logische Operation. Genau da liegt der Trick: Die binäre Arithmetik läßt sich auf logische Operationen hinunterkochen.

Die logischen Operationen wiederum lassen sich gut mit Hilfe von Transistoren abbilden. Erinnern wir uns: Durch einen Transistor kann genau dann Strom fließen, wenn am "Kontroll-Eingang" (der sogenannten Basis oder engl. Base) eine Spannung anliegt. Wenn wir nun einen Strom durch zwei Transistoren laufen lassen wollen, dann funktioiert das nur, wenn der erste und der zweite Transistor "durchlässig" sind. Sprich, indem wir einfach zwei Transistoren in Reihe schalten, haben wir ein "Und-Gatter", und somit eine Ein-Bit-Multiplikationsschaltung gebaut! (In der Realtät sind die Schaltungen etwas komplizierter, weil ja auch noch nach vielen Einzeloperationen noch klar unterscheidbare Resultate herauskommen sollen, aber im Prinzip steckt da nicht mehr dahinter). Sprich, wir können aus Transistoren sogenannte Logik-Gatter aufbauen, und aus diesen wiederum Schaltungen für Operationen wie Addition und Multiplikation. Außerdem kann man aus Transistoren auch sogenannte Kippstufen aufbauen, die eine Art Speicher bilden und z.B. für Prozessorregister verwendet werden (fürs RAM werden sie nicht verwendet, weil das einfach zu groß und zu teuer wäre).

Kondensatoren sind dann praktisch wie Batterien, die sich schnell entladen. Wie funktioniert das mit den Platten, dass sich diese Positiv und Negativ aufladen? Sind da bestimmte umstände nötig?
Oder könnte man an einem "echten" 230 V - Steckdosenkabel am +-Pol und --Pol Platten befestigen, und diese würden sich dann aufladen?

Und wie funktioniert eine Batterie? Ähnliches Prinzip?

Also, im prinzip laden sich die Kondensatorblatten immer auf, wenn man eine Spannung anlegt. Beim 230V-Steckdosenkabel fließt allerdings Wechselstrom, d.h. die Spannung dreht sich regelmäßig (100 mal pro Sekunde) um (also das, was vorher Pluspol war, ist nachher Minuspol und umgekehrt). 100 mal, weil der Haushaltsstrom 50 Hertz hat, d.h. 50 Schwingungen pro Sekunde; eine volle Schwingung sind zwei Polaritätswechsel, weil die Schwingung erst voll ist, wenn der Ausgangszustand wieder erreicht ist. Für den Kondensator bedeutet das, daß er ständig aufgeladen, wieder entladen, umgekehrt aufgeladen und wieder entladen wird.

Die Funktion des Kondensators kann man sich ungefähr so vorstellen: Die Spannung versucht, (negativ geladene) Elektronen vom Minuspol zum Pluspol zu drücken (die fließenden Elektronen sind der Strom). Nun kann der Strom beim Kondensator aber nicht durchfließen, d.h. auf der einen Platte sammeln sich die Elektronen, während auf der anderen Platte Elektronen "abgesaugt" werden. Nun stoßen sich Elektronen gegenseitig ab, und die positiv geladenen Atomrümpfe im Metall versuchen, die Ladung zu sich zu ziehen, und dadurch ergibt sich eine Spannung des Kondensators (der Kondensator versucht seinerseits, die Elektronen aus der negativen Platte wieder in die Leitung zu schieben und Elektronen aus der Leitung in die positive Platte zu bekommen). Nun sind allerdings die Platten nahe beieinander, und da ist der Trick: Die positive Platte zieht nämlich auch die Elektronen von der negativen Platte an, und die negative Platte stößt die Elektronen von der positiven Platte ab. Dadurch bringt man mit derselben Spannung mehr Elektronen auf die Platten (je kürzer dier Abstand zwischen den Platten ist, desto mehr Elektonen bekommt man drauf). Größere Platten helfen natürlich auch. Die Kapazität eines Kondensators sagt, welche Ladung (wieviele Elektronen) man bei einer bestimmten Spannung auf den Kondensator bringt (wenn man eine höhere Spannung anlegt, also die Elektronen "stärker hineindrückt", dann bekommt man natürlich auch mehr Ladung drauf). Bei der Ladung eines Kondensators meint man die Ladung einer Platte; insgesamt ist der Kondensator bei normaler Verwendung ungeladen (so viele Elektronen, wie auf der einen Platte "zuviel" sind, "fehlen" auf der anderen Platte).

Eine Batterie funktioniert anders: Hier sind es chemische Reaktionen, die die Elektronen erst freisetzen bzw. verbrauchen und dadurch eine Spannung erzeugen. Deshalb kann man auch viel mehr Ladung in einer Baterie unterbringen als im Kondensator, da hier die Ladung (genauer: die Ladungstrennung) zum großen Teil gar nicht real vorhanden ist, sondern erst bei Bedarf chemisch erzeugt wird. Deshalb bleibt auch die Spannung bis zum Ende relativ konstant, während die Spannung eines Kondensators beim Entladen entsprechend der Ladung abnimmt.

Den Unterschied kann man sich vielleicht grob so vorstellen (Vorsicht: Analogien nicht zu wörtlich nehmen!): Der Kondensator ist wie ein mit einer elastischen Membran in der Mitte geteilter Wasserbehälter, dessen beide Teilvolumen unterschiedlich stark gefüllt (und damit unterschiedlich groß) sind, so daß die Membran versucht, das Wasser aus volleren Behälterteil zu drücken und in den leereren zu ziehen). Die Batterie hingegen ist eher wie ein Behälter, der auf der einen Seite Salzwasser, auf der anderen Süßwasser hat, mit einer halbdurchlässigen Membran dazuwischen, die zwar das Wasser, nicht aber das Salz durchlässt. Der osmotische Druck zieht dann das Wasser aus dem Süßwasserteil in den Salzwasserteil, was dann den Wasserkreislauf antreibt. Der Effekt ist derselbe (Wasser fließt aus der einen Seite des Behälters in die andere), der Mechanismus ist ein anderer.

Hallo Micheal, Timeout, Maximilian und Gebhard
ich liebe Euch.
Wie langweilig wäre diese Forum ohne Eure Komik und ohne Eure Späße.
Ich bin Euch so dankbar.
Besonders dieser Thread "Fish and Chips" ist wunderbar und sooo witzig.
Macht weiter so, Ihr seid unbezahlbar, besonders jetzt in dieser trüben Jahreszeit.