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In diesem Telephone befinden sich fast 100 Millionen Transistoren, in diesem Computer hat es über
eine Billion. Der Transistor befindet sich in beinahe jedem elektronischen Gerät: TV's, Radios,
Tamagotchis.
Aber wie funktioniert er?
Also das grundlegende Prinzip ist überraschend einfach. Er funktioniert wie dieser Schalter, der
den Fluss des elektrischen Stroms regelt.
Er kann ab, also könnte man dies den Nullzustand nennen oder er könnte an sein, der Einszustand.
Und so wird alle unsere Information gespeichert und verarbeitet, in Einsen und Nullen,
kleine Bits des elektrischen Stroms. Aber anders wie dieser Schalter, hat ein Transistor keine
sich bewegende Teile. Und er braucht auch keine menschliche Hilfe. Ausserdem kann er
viel viel schneller an- und abgeschaltet werden, als ich diesen Schalter betätigen kann. Am wichtigsten aber
ist, dass er so unglaublich klein ist. Dies ist nur dem Wunder der Halbleiter zu verdanken.
oder besser sollte ich sagen der Wissenschaft der Halbleiter.
Reines Silizium ist ein Halbleiter, das heisst es leitet den elektrischen Strom besser als Nichtleiter
aber nicht so gut wie ein Metall. Dies kommt dadurch Zustande, dass ein Atom Silizium vier
Elektronen in seiner äussersten Schale oder Valenzschale besitzt. Dadurch kann es sich mit vier seiner
nächsten Nachbarn verbinden,
Hallo du da! Grüezi
Was loos, man!?
Somit formt es einen tetraeder Kristall.
Aber da alle Elektronen in Verbindungen gefangen sind, werden nur wenige je genug Energie kriegen
von ihrer Verbindung zu flüchten und durch das Kristallgitter zu wandern. Durch diese geringe Anzahl von mobilen Ladungen
ist Silizium ein Halbleiter.
Nun wäre dies alles gar nicht nützlich ohne die geheime Waffe eines Halbleiters -- Doping.
Du hast wahrscheinlich schon Mal von Doping gehört, wenn man eine fremde Substanz einnimmt
um die Leistung zu steigern.
Yeah es funktioniert ziemlich genau so, einfach auf einer atomaren Ebene.
Es gibt zwei Arten von Doping, der n-Typus und der p-Typus. Um einen n-Typ Halbleiter herzustellen,
muss man dem reinem Silizium ein bisschen von einem Element, das fünf Valenzelektronen besitzt, einspritzen.
wie Phosphor.
Dies ist nützlich, weil Phosphor Silizium genug ähnlich ist, damit es ins
Kristallgitter passt, aber mit sich trägt es ein weiters Elektron. Somit hat der Halbleiter mehrere
mobile Ladungen und so kann er den elektrischen Strom besser leiten.
Im p-Type Doping wird ein Element, dass nur drei Valenzelektronen besitzt hinzugefügt.
Wie Bor. Nun dies kreiert ein 'Loch' - ein Ort, wo ein Elektron sein sollte, aber
keines ist. Doch dies steigert dennoch die Leitfähigkeit
Halbleiters Silizium weil ein Elektron dort reinrücken kann.
Obwohl es die Elektronen sind, die sich herumbewegen, sprechen wir oft von Löchern die sich herumbewegen
-- weil es viel weniger von denen gibt. Da ein Loch die Absenz eines Elektrons darstellt,
gibt es eine positive Ladung. Und deshelb heisst der p-Typus
auch p-Typus. Das p steht für positive - es sind positive Ladungen, eben die Löcher, die sich bewegen
und den Strom leiten.
Nun ist es aber ein häufiger Irrtum, dass n-Typ Halbleiter negative geladen sind und
p-Typ Halbleiter positiv. Das stimmt nicht, sie sind beide neutral, weil
sie die gleiche Anzahl Protonen wie Elektronen besitzen.
Das n und p zeigen nur die Ladung die sich darin bewegen kann.
Also in n-Typus sind es die negativen Elektronen die sich bewegen, und in p-Typus
die positiven Löcher. Aber sie sind beide neutral!
Ein Transistor wir sowohl mit n-Typ wie auch p-Typ Halbleitern hergestellt. Eine gewöhnliche Konfiguration
hat n an den Enden und p in der Mitte. Sowie der Schalter hat auch der Transistor
einen elektrischen Kontakt an beiden Enden und sie werden Quelle und Senke genannt. Aber anstatt einem mechanischen
Schalter, gibt es einen dritten elektrischen Kontakt, genannt Gatter, der vom Halbleiter
durch eine Oxidschicht isoliert ist.
Wenn ein Transistor hergestellt wurde, behalten sich die n- und p-Typen nicht für sich selbst -- Elektronen
diffusieren vom n-Typus, wo es mehr davon hat, in den p-Typus
um die Löcher zu füllen.
Dies kreiert etwas, dass Verarmungsschicht genannt wird. Was wurde verarmt? Ladungen
die sich bewegen können. Es gibt keine freie Elektronen mehr im n-Typus
-- warum? Weil sie die Löcher im p-Typus gefüllt haben.
Nun wird der p-Typus negativ geladen dank den hinzugefügten Elektronen. Und das ist wichtig,
weil der p-Typus nun die Elektronen, die versuchen vom n-Typus durchzugelangen, abstosst.
So ist nun die Verarmungsschicht als eine Art Barriere tätig, im dem sie den Fluss des elektrischen Stroms
durch den Transistoren verhindert. Also ist in diesem Moment der Transistor ab, wie ein offener Schalter, er ist
im Nullzustand.
Um ihn anzuschalten, muss man eine geringe positive Spannung an das Gate legen. Dadurch werden die Elektronen angezogen.
und sie überwinden die Abstossung der Verarmung. Es verkleinert eigentlich die Verarmungsschicht
damit die Elektronen passieren und einen leitenden Kanal bilden können.
Somit ist der Transistor an: im Einszustand.
Dies ist unglaublich, weil nur dadurch, dass wir die Eigenschaften eines Kristalles nutzten, war es möglich,
einen Schalter zu kreieren, der keine sich bewegende Teile hat, der aber sehr schnell an- und abgestellt
werden kann nur durch eine Spannung, und noch wichtiger, er ist unheimlich klein.
Heutzutage sind Transistoren nur etwa 22 nm breit, das heisst etwa 50 Atome lang.
Aber um mit dem Moor'schen Gesetz übereinstimmen zu können, müssen sie noch viel kleiner werden. Das Moor'sche Gesetz
besagt, dass die Anzahl der Transistoren auf einem Prozessor alle zwei Jahre sich verdoppeln sollte.
Und es gibt einen Grenzwert, wenn diese Terminals immer näher zusammen rücken, werden quantum Effekte
immer bedeutender und Elektronen können von der einen Seite auf die andere durchtunneln.
Also kann man keine genug hohe Barriere kreieren, die den Fluss der Elektronen verhindern kann.
Nun wird dies ein echtes Problem sein in der Zukunft der Transistoren, aber man wird dieses Problem erst
in etwa zehn Jahren zu Gesicht kriegen. Also bis dann werden Transistoren, so wie wir sie kennen,
immer besser werden.
Wenn man, sagen wir, 300 von diesen Qubits haben, dann hat man zwei hoch
dreihundert herkömmliche Bits. Das sind so viele Teilchen wie es
im Universum gibt.