Mikrocontroller 1

Sollten Sie Verbindung zum Internet haben, schauen Sie sich das Periodensystem der Elemente an, dann wissen Sie, dass die meisten Elemente Metalle sind und die sich durch freie Elektronen, also elektrische Leitfähigkeit, auszeichnen. Das hat man auch eine ganze Zeit so genutzt, bis diejenigen Elemente am Rand der Metalle wichtig wurden, die sogenannten Halbleiter.

Sie verfügen über weniger freie Ladungsträger, was jedoch änderbar ist, und zwar in unwahrscheinlich kurzen Zeiten. Man kann durch Temperatur, Druck und Licht deren Leitfähigkeit beeinflussen. Außerdem kann man Fremdstoffe einbringen (dotieren), die, wenn sie mehr als die benötigten Elektronen auf der äußersten Schale haben, z.B. Silizium, den wohl wichtigsten Halbleiter, leitend machen.

Umgekehrt bewirkt Dotierung durch ein Element mit weniger als den benötigten vier Elektronen auf der äußersten Schale eine positive Leitfähigkeit. Im ersten Fall bewegen sich tatsächlich Elektronen durch das Kristallgitter, im zweiten Fall werden die fehlenden Stellen (Löcher) weitergegeben. Insgesamt wird die Leitfähigkeit von Silizium durch Dotieren enorm erhöht.

Für die weitere Verfolgung des Themas Elektronik sind beide Dotierungsarten in einem Silizium-Halbleiter wichtig. Die zur Häufung von Elektronen führende Schicht wird jetzt als n(egativ) und die mit den zu wenigen Elektronen als p(ositiv) dotiert bezeichnet, denn Elektronen sind negativ geladen. Wichtig noch zu erwähnen, dass sich die dotierten Schichten in die nicht dotierten erweitern können.

Das passiert z.B., wenn man den p-Bereich an den positiven und den n-Bereich an den negativen Pol einer Spannungsquelle anschließt. Beide Bereiche werden in den undotierten Bereich hinein größer. Kein Stromfluss ist möglich, außer bei sehr hohen, sogenannten Durchbruchspannungen. Polt man um, verschwindet die Sperrschicht und der Stromfluss ist gewährleistet.

Besonders wichtig ist die Schnelligkeit, mit der so ein Halbleiter auf die Steuerung reagiert. Existiert eine Sperrschicht ohne die Möglichkeit, Spannung an den dotierten Schichten anzulegen, so finden wir eine solche Situation in Dioden. Je nach Polung an deren beiden Anschlüssen schrumpft oder vergrößert sich die Sperrschicht. Zenerdioden werden oberhalb der Durchbruchspannung betrieben und halten trotz 12 Volt Bordspannung exakt 5 oder z.B. nur 3,3 Volt für Subsysteme ein.

Kann an die dotierten Stellen zusätzlich Spannung angelegt werden, kommt ein Anschluss hinzu. Jetzt ist aus der Diode ein Transistor geworden. Solche Bauteile werden im Gegensatz zu Ohmschen Widerständen oder Kondensatoren aktive Bauteile genannt. Das gilt auch für Halbleiterwiderstände, die wir als temperaturempfindliche Heißleiter (Negative Temperature Coefficient) und Kaltleiter (Positive Temperature Coefficient) kennen.

Es ist nur ein Anschluss, den man 'Basis' nennt. Bei einem Positiv Negativ Positiv-Transistor kennzeichnen die erste und die letzte Bezeichnung den Emitter und den Kollektor, also die beiden verbleibenden Anschlüsse. Hat also die Basis das volle negative und der Emitter das volle positive Potential, schaltet der Transistor zwischen Emitter und Kollektor durch.

Wird der Potentialunterschied zwischen Emitter und Kollektor kleiner, wächst der Widerstand auf der anderen Strecke. Bei einem PNP-Transistor muss also die Basis negativ und bei einem NPN-Transistor positiv sein, damit beide durchschalten. Ist die Basis bei PNP positiv und bei NPN negativ, sperrt der Transistor. Für die Computertechnik werden nur diese beiden Zustände gebraucht.