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Halbleiter in der modernen Technik — vom Chip zum Smartphone

Zehn Aufgaben vom einzelnen Transistor bis zum fertigen Smartphone-Chip mit Milliarden solcher winzigen, unsichtbaren Bauteile darauf. Mit ausführlichem Lösungsweg zu jeder einzelnen Aufgabe.

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Übungsaufgaben

Alle Übungen fortlaufend nummeriert — zuerst die interaktiven Übungen zum Klicken, Ziehen und Knobeln, danach die Rechen- und Textaufgaben. Jede Übung gibt dir sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen dir die gestuften Tipps.

A1
Transistor, Gatter, Chip
AFB I

Welche Aussagen über Halbleiterbauteile im Smartphone stimmen?

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Der Transistor steuert ohne bewegliche Teile — nur über die Leitfähigkeit des Siliziums. Die Nanometerangabe meint die kleinste Struktur, der Chip selbst ist millimetergroß. Und das Laden des Akkus regelt eine eigene Halbleiterschaltung.
A2
Stimmt's? — Fünferserie
AFB I

Fünf Behauptungen rund um Transistoren, Chips und Größenordnungen.

Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Zwei Dinge halten die Serie zusammen: Der Transistor ist Schalter und Verstärker, und die Größenangaben mm → µm → nm gehen jeweils um den Faktor 1000 auseinander.
A3
Lückentext mit Wortbank
AFB I

Setze die Fachbegriffe an die richtige Stelle — ein Wort bleibt übrig.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Das kleinste steuerbare Schaltelement der Mikroelektronik heißt . Mehrere davon bilden ein , das mit Nullen und Einsen rechnet. Milliarden solcher Schaltungen sitzen auf einem einzigen . Licht in elektrische Ladung wandelt der um. Die kleinsten Strukturen darauf misst man in .

Die Diode bleibt übrig: Sie lässt Strom nur in eine Richtung durch, lässt sich aber nicht von außen steuern. Steuern kann nur der Transistor — darum ist er der Baustein der Logik.
A4
Wo steckt was im Smartphone?
AFB I

Sortiert wird nach der Aufgabe, die das Halbleiterbauteil im Gerät übernimmt.

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Rechnen und Speichern
2Licht und Bild
3Energie steuern
Alle acht Bauteile bestehen aus Halbleitern. Unterschiedlich ist nur, ob Information verarbeitet, Licht gewandelt oder Energie geregelt wird.
A5
Blitzrechnung
AFB I

Ein Prozessorchip trägt 16 Milliarden Transistoren auf einer Fläche von 100 mm². Wie viele Transistoren sitzen im Mittel auf einem Quadratmillimeter? Gib das Ergebnis in Millionen an.

Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
16 Milliarden : 100 = 160 Millionen. Trick: Durch 100 teilen heißt zwei Nullen streichen — aus 16 000 Millionen werden 160 Millionen.
A6
Vom Bauteil zum Gerät
AFB II

Bringe die Ebenen der Mikroelektronik vom kleinsten Baustein bis zum fertigen Gerät in die richtige Reihenfolge.

Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Dotiertes Silizium bildet einen einzelnen Transistor.
2Mehrere Transistoren werden zu einem Logikgatter verschaltet.
3Millionen Gatter ergeben ein Rechenwerk.
4Rechenwerk, Speicher und Steuerung sitzen zusammen auf einem Chip.
5Der Chip wird mit Display, Kamera und Akku zum Smartphone verbaut.
Am häufigsten rutscht der Chip vor das Logikgatter. Der Chip ist aber das Ergebnis der Verschaltung, nicht ihr Baustein.
A7
Rechenkette
AFB II

Eine Speicherzelle belegt ein Quadrat von 100 nm Kantenlänge. Der Speicherchip ist quadratisch mit 10 mm Kantenlänge.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. Wie viele Nanometer sind 10 mm? nm
  2. Wie viele Zellen passen in eine Reihe von 10 mm Länge? Zellen
  3. Wie viele Zellen passen insgesamt auf den Chip? Gib die Zahl in Milliarden an. Milliarden
  4. Die Kantenlänge der Zelle wird auf 50 nm halbiert. Um welchen Faktor steigt die Zahl der Zellen? mal so viele
Die Kette zeigt den Kern der Miniaturisierung: Die Zellzahl wächst mit dem Quadrat. Halbe Kantenlänge bedeutet nicht doppelt, sondern viermal so viele Zellen.
A8
Bauteil und Aufgabe
AFB II

Verbinde jedes Halbleiterbauteil des Smartphones mit seiner Aufgabe.

Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Frage dich bei jedem Bauteil, was hier ineinander umgewandelt wird: Licht in Ladung, Ladung in Licht, Ladung in Information oder Energie in geregelten Strom.
A9
Fehlersuche im Schulheft
AFB II

Sechs Sätze aus einem Schulheft — drei davon sind falsch. Finde sie.

In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
In Klassenarbeiten kostet vor allem Zeile 6 Punkte: Beim Teilen großer Zehnerpotenzen verrutscht schnell eine Stelle. Schreibe solche Zahlen als Potenz, dann kannst du die Exponenten einfach subtrahieren.
A10
Mehr oder weniger Transistoren?
AFB III

Verändert wird jeweils nur eine Größe am Chip. Schätze für jede Zeile ein, wie sich die Gesamtzahl der Transistoren ändert — ohne zu rechnen.

Wähle für jede Zeile eine Stufe: 1 = viel weniger, 2 = etwas weniger, 3 = unverändert, 4 = etwas mehr, 5 = viel mehr. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = viel weniger5 = viel mehr
Derselbe Chip wird in einem anderen Werk gefertigt, Fläche und Strukturgröße bleiben gleich.
Die Strukturgröße wird von 10 nm auf 5 nm halbiert, die Fläche bleibt gleich.
20 % der Chipfläche werden für Kühlstrukturen freigehalten.
Die Chipfläche wird auf ein Zehntel verkleinert.
Die Chipfläche wird um 30 % vergrößert.
Flächenänderungen wirken einfach, Strukturgrößen quadratisch. Deshalb bringt eine halbierte Strukturgröße viermal so viel wie 30 % mehr Fläche — das siehst du schneller durch Überlegen als durch Rechnen.