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Pinball Education Part 1: The Transistor

Logo des Pinballs "The Transistor"
The Transistor Table

Die Idee zu diesem Flippertisch entstand im Rahmen der Vorbereitung zum technischen Projekt II: Transistoren - Helden der digitalen Welt. Wir haben uns gefragt: Wie kann man Studierenden der ersten Semester oder auch Gästen etwas über die Geschichte und die Funktionsweise von Transistoren näher bringen? Es entstand die Idee einen virtuellen Flipper zu erstellen, in dem bestimmte Funktionen eines Transistors spielerisch entdeckt und die Zusammenhänge leichter verstanden werden können. Der erste Test mit einer frühen Version wurde im Rahmen des Technischen Projekts II im Jahr 2014 genutzt und hat bei den Studierenden sehr viel positive Resonanz hervorgerufen. Die finale Version kam erstmals bei der "Nacht, die Wissen schafft“ 2014 zum Einsatz.

Im Folgenden sollen der Pinball-Tisch und die zugehörigen Vorgänge im Transistor vorgestellt werden.

Erfindung des Transistors

Erfinder des Transistors
Triff die Bumper, um an die Erfinder des Transistors zu erinnern und zusätzliche Transistoren zu integrieren.

Der erste Transistor wurde am 23. Dezember 1947 in den Bell Laboratories demonstriert. Entwickelt wurde er von William B. Shockley, John Bardeen und Walter H. Brattain.

Das Moore'sche Gesetz

Gordon Moore sagte 1965 voraus, dass die Komplexität von integrierten Schaltungen sich jedes Jahr verdoppelt. Später korrigierte er den Zeitraum auf zwei Jahre.

Heutzutage versteht man unter dem Moore‘schen Gesetz: Die Anzahl der Transistoren pro Chip verdoppelt sich  alle 18 bis 24 Monate. Bei konstanter Chipfläche bedeutet dies, dass die Transistoren immer kleiner werden müssen.

Die Einhaltung des Moore‘schen Gesetzes ist bis heute die Triebkraft der Halbleiterelektronik.

Moore's Law
Triff die Schalter auf der rechten Seite des Tischs, um die Buchstaben LAW und somit das Moore'sche Gesetz zu aktivieren.
Linke Rampe
Erfülle anschließend das Gesetz durch einen Treffer der linken Rampe (unterer Pfeil blinkt)...
Technology Nodes
…und erreiche die nächste Technologiegeneration. Durch kleinere Strukturen lassen sich mehr Transistoren integrieren (Multiplikator).

Die Schwellspannung

Ein Transistor funktioniert in der einfachsten Betrachtung wie ein elektrischer Schalter.
Damit ein Strom fließen kann, muss zunächst eine Spannung am Gate angelegt werden. Die Schwellspannung bezeichnet den Zustand, bei dem der leitfähige (Inversions-) Kanal ausgebildet ist und ein Strom vom sogenannten Source- zum Drain-Kontakt fließen kann.

Schwellspannung
Triff die Druckplatte in der Mitte des Tischs, um die Gatespannung zu erhöhen. Bei Erreichen der Schwellspannung VT …
Inversionskanal
…wird der Kanal des Transistors in der linken oberen Ecke ausgebildet. Über die rechte Rampe ist nun der obere Bereich zugänglich.

Der Lawinendurchbruch

Ist die Gatespannung größer als die Schwellspannung und liegt zusätzlich eine sehr hohe Spannung zwischen dem Source- und Drain-Kontakt an, führen die resultierenden hohen elektrischen Felder zu einer starken Beschleunigung der freien Elektronen. Diese können beim Stoß mit anderen Elektronen Bindungen aufbrechen und weitere freie Ladungsträger erzeugen, wodurch der Strom schlagartig ansteigt.

Breakdown Voltage
Triff die nun freie obere Druckplatte in der Mitte des Tischs, um die Drainspannung zu erhöhen. Bei Erreichen der kritischen Spannung VBR…
Multi-Ball
…kommt es zum Durchbruch. Es werden viele Ladungsträger erzeugt (Multi-Ball). Alle Spannungen werden wieder auf 0 gesetzt.

Die tiefe Verarmung

Der Zustand der Verarmung bezeichnet die Abwesenheit von Majoritätsladungsträgern (Löcher in p-dotierten Gebieten, Elektronen in n-dotierten Gebieten).

Die tiefe Verarmung ist ein nicht stabiler Sonderfall, der durch eine schnelle Erhöhung der Spannung auf Werte bis über die Schwellspannung hinaus hervorgerufen werden kann. In diesem Fall bildet sich kein leitfähiger Inversionskanal aus.

Tiefe Verarmung kann zur dynamischen Ladungsspeicherung verwendet werden.

MOS-Speicher
Erzeuge das MOS-Speichersystem, indem du die Buchstaben MOS im oberen Teil des Tischs aktivierst.
Ramp Up
Anschließend müssen alle Rampen (angezeigt durch Blinken) einmal schnell durchlaufen werden (innerhalb 60 Sekunden).
Memory
Dieses schnelle Hoch-rampen erzeugt die tiefe Verarmung und die Ladung (Kugel) wird gespeichert.

Hätten Sie's gewusst?

Fun Facts
Triff den Eingang auf der rechten Seite des Tischs, um nacheinander die Buchstaben READY sowie das Wort FACT zu aktivieren. Nun wird ein interessantes Detail über den Transistor auf dem Punktebildschirm vorgestellt. In dieser Zeit können die Flipper nicht genutzt werden. Nach Ablauf der Zeit werden alle zum vorherigen Zeitpunkt aktiven Kugeln vom linken Rand aus zurück auf den Tisch geschossen.

Es gibt eine ganze Reihe witziger und interessanter Fakten zum Thema Transistoren. Einige können während des Spiels abgerufen werden.

Gewalt ist keine Lösung

Tilt
Erschütterungen des Tischs führen zu einer Veränderung der Bewegung der Kugel. Bei zu starken Erschütterungen werden die Flipper abgeschaltet und können erst nach Verlust der aktuellen Kugel wieder bewegt werden. Dies wird durch das leuchten der TILT Lampe signalisiert.

Ladungen reagieren empfindlich auf äußere Einflüsse wie elektrische Felder und lassen sich so in ihrer Bewegung beeinflussen.