Aufbau und Funktionsweise

Mikrochips (auch integrierte Schaltungen, engl. integrated circuit, kurz IC) stecken in Form von Prozessoren, Mikrocontrollern oder Speicherbausteinen in praktisch jedem Computer und anderen elektronischen Geräten.

Auf einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern enthalten moderne Chips mehrere Milliarden winzige elektronische Schalter, die Transistoren.

Das folgende Video zeigt, wie Transistoren funktionieren und wie daraus Mikrochips aufgebaut sind:

Der Transistor – ein elektronischer Schalter

Der Grundbaustein jedes Mikrochips ist der Transistor. Er funktioniert wie ein elektrisch gesteuerter Schalter: Je nach Spannung an einem Steueranschluss lässt der Transistor Strom durch oder sperrt ihn. Er kennt also genau zwei Zustände – leitend (1) und nicht leitend (0). Wie klein solche Transistoren sind, zeigt der nächste Abschnitt.

Grössenordnungen

Ein Nanometer (nm) ist ein Millionstel Millimeter. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ca. 80'000 nm dick.

Objekt	Grösse
DNA (Durchmesser)	ca. 2 nm
Struktur eines modernen Transistors	ca. 10–50 nm
Virus	ca. 100 nm
Staubkorn	ca. 10'000 nm
Menschliches Haar (Durchmesser)	ca. 80'000 nm

Transistoren gehören zu den kleinsten Strukturen, die Menschen überhaupt herstellen können. Die Abmessungen eines modernen Transistors liegen im Bereich von etwa 10 bis 50 Nanometern.

Achtung: Wenn ein Chip als «5-nm-Chip» oder «3-nm-Chip» bezeichnet wird, dann gibt diese Zahl nicht die Grösse der Transistoren an. Solche Zahlen bezeichnen den Herstellungsprozess (die Technologiegeneration) und sind reine Marketingnamen. Bis in die späten 1990er-Jahre entsprach die Zahl ungefähr der kleinsten Strukturgrösse auf dem Chip, seither hat sie keinen direkten Bezug mehr zu einer konkreten Bauteilabmessung. Die tatsächlichen Strukturen eines «3-nm-Chips» sind ein Mehrfaches von 3 nm gross.

Vom Transistor zum Chip

Transistoren werden nie einzeln verwendet, sondern miteinander verschaltet. Aus wenigen Transistoren entstehen logische Gatter (AND, OR, NOT), aus Gattern Funktionsbausteine wie Addierer und Speicherzellen, und aus vielen Funktionsbausteinen schliesslich ein ganzer Chip. Wie Gatter funktionieren, lernen Sie im Kapitel Digitale Logik kennen.

Ebene	Bauelement	Anzahl Transistoren (typisch)
1	Transistor	1
2	Gatter	2–8
3	Funktionsbaustein (Addierer, Speicher)	Dutzende bis Tausende
4	Chip (z. B. Prozessor)	Milliarden

Wie aus Milliarden von Transistoren ein Prozessor wird, der Programme ausführen kann, ist Thema des Kapitels Rechnerarchitektur.

Silizium – der Rohstoff

Transistoren werden aus Silizium hergestellt (engl. silicon, daher der Name «Silicon Valley»). Silizium ist ein Halbleiter: Es leitet Strom nur unter bestimmten Bedingungen. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) lässt sich die Leitfähigkeit genau steuern – erst dadurch entsteht der Schalter-Effekt des Transistors.

Gewonnen wird Silizium aus Quarzsand, einem der häufigsten Rohstoffe der Erde.