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Wie Transistoren funktionieren - Gokul J. Krishnan

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    Moderne Computer
    revolutionieren unser Leben.
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    Sie erledigen Aufgaben, die man noch
    vor Jahrzehnten für unmöglich hielt.
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    Das wurde durch viele verschiedene
    Erfindungen möglich gemacht,
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    aber es gibt eine fundamentale Erfindung
    von der fast alles abhängt:
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    Der Transistor.
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    Was ist das
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    und wie macht dieses Gerät all die tollen
    Dinge möglich, die ein Computer kann?
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    Im Innersten sind alle Computer das,
    was der Name andeutet:
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    Maschinen, die mathematische
    Operationen durchführen.
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    Die ersten Computer waren Geräte
    zur manuellen Zählung wie der Abakus,
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    während man für neuere
    mechanische Teile einsetzte.
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    Was sie zu Computern machte,
    war die Fähigkeit, Zahlen zu verkörpern,
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    und ein System, um diese zu handhaben.
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    Elektronische Computer
    funktionieren genauso,
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    aber statt in physischer Anordnung
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    werden die Zahlen mithilfe von
    elektrischer Spannung dargestellt.
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    Die meisten Computer
    nutzen die Boolesche Logik,
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    die nur zwei mögliche Werte hat:
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    die logischen Zustände richtig und falsch,
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    die man mit den Binärzahlen
    Eins und Null bezeichnet.
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    Sie werden durch hohe
    und niedrige Spannungen verkörpert.
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    Gleichungen, die durch logische
    Torschaltungen umgesetzt werden,
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    geben eine Eins oder Null aus,
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    je nachdem, ob der Input
    bestimmte logische Bedingungen erfüllt.
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    Diese Torschaltungen führen
    3 logische Operationen aus,
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    Konjunktion, Disjunktion und Negation.
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    Die Verknüpfung funktioniert
    als "UND-Gatter"
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    und hat nur einen Hochspannungsausgang,
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    wenn zwei hohe Spannungen
    an den Eingängen anliegen.
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    Die anderen Gatter funktionieren
    aufgrund ähnlicher Grundlagen.
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    Schaltungen können kombiniert werden,
    um komplexe Operationen
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    wie Addition und Subtraktion auszuführen.
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    Computerprogramme beruhen auf Befehlen,
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    die diese Operationen
    elektronisch durchführen.
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    Dieses System benötigt
    eine zuverlässige und genaue Methode,
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    den elektrischen Strom zu steuern.
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    Frühe elektronische Computer wie der ENIAC
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    benutzten ein Gerät namens Vakuumröhre.
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    Ihre Frühform, die Diode,
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    besteht aus zwei Elektroden
    in einem luftleerem Glasbehälter.
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    Das Anlegen einer Spannung
    an die Kathode erhitzt sie
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    und setzt Elektronen frei.
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    Wenn die Anode eine etwas höhere
    positive Spannung hat,
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    werden die Elektronen von ihr angezogen
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    und der Stromkreis schließt sich.
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    Dieser einfachgerichtete Stromfluss
    könnte durch Verändern der Spannung
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    an der Kathode gesteuert werden,
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    wodurch mehr oder weniger
    Elektronen freigesetzt werden.
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    Die nächste Stufe war die Triode,
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    die eine dritte Elektrode,
    das "Gitter", einsetzt.
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    Das ist ein Drahtgitter
    zwischen der Kathode und Anode
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    durch das Elektronen durchfließen.
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    Die Veränderung der Spannung
    lässt die Elektronen,
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    die die Kathode freisetzt,
    entweder abstoßen oder anziehen.
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    Damit wird die schnelle Umschaltung
    des Stroms möglich.
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    Auch die Fähigkeit, Signale zu verstärken,
    macht die Triode für das Radio
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    und die Fernkommunikation sehr wichtig.
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    Aber trotz dieser Fortschritte
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    waren Vakuumröhren
    unzuverlässig und sperrig.
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    Mit 18 000 Trioden hatte ENIAC
    etwa die Größe eines Tennisplatzes
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    und wog 30 Tonnen.
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    Jeden 2. Tag versagten Röhren
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    und in einer Stunde verbrauchte er
    den Strom für 15 Häuser an einem Tag.
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    Die Lösung war der Transistor.
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    Statt Elektroden benutzt er
    einen Halbleiter wie Silizium,
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    das mit verschiedenen Elementen
    behandelt wird,
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    um einen elektronenfreisetzenden N-Typ
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    und einen P-Typ, der Elektronen
    absorbiert, zu erzeugen.
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    Diese sind auf drei Schichten,
    die sich abwechseln, verteilt
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    und jede hat eine Anschlussklemme.
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    Der Emitter, die Basis und der Kollektor.
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    Bei diesem typischen N-P-N-Transistor,
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    bildet sich infolge gewisser Phänomene
    an der P-N-Schnittstelle
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    ein spezielles Gebiet namens P-N-Übergang
    zwischen dem Emitter und der Basis.
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    Nur es leitet Elektrizität,
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    wenn eine Spannung angelegt wird,
    die eine gewisse Schwelle überschreitet.
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    Andernfalls bleibt er abgeschaltet.
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    Auf diese Weise können kleine Änderungen
    der Eingangsspannung eingesetzt werden,
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    um schnell zwischen hohen und niedrigen
    Ausgangsstromstärken zu wechseln.
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    Der Vorteil des Transistors liegt in
    seiner Leistungsfähigkeit und Kompaktheit.
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    Weil sie kein Anwärmen benötigen, sind sie
    haltbarer und brauchen weniger Strom.
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    Die Funktionalität von ENIAC kann heute
    durch einen fingernagelgroßen Mikrochip
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    mit Milliarden Transistoren
    übertroffen werden.
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    Durch Millionen und Abermillionen
    Berechnungen pro Sekunde
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    erscheinen heutige Computer so,
    als würden sie Wunder vollbringen.
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    aber unter all dem,
    ist jede einzelne Operation
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    immer noch so einfach
    wie das Umlegen eines Schalters.
Title:
Wie Transistoren funktionieren - Gokul J. Krishnan
Description:

Die ganze Lektion unter: http://ed.ted.com/lessons/how-transistors-work-gokul-j-krishnan

Moderne Computer revolutionieren unser Leben und erledigen Aufgaben, die nur Jahrzehnte zuvor unvorstellbar waren. Das wurde durch eine lange Reihe von Neuerungen möglich, aber es gibt eine grundlegende Erfindung, auf der fast alles aufbaut: den Transistor. Gokul J. Krishnan beschreibt, was ein Transistor ist und wie dieses kleine Gerät alle erstaunlichen Dinge, die Computer anstellen können, möglich macht.

Lektion von Gokul J. Krishna, Animation von Augenblick Studios.
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Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TED-Ed
Duration:
04:54

German subtitles

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