От песка к компьютеру. Часть 1. Атомы и транзисторы

  • Tutorial
Все мы еще с уроков информатики знаем, что информация внутри компьютера передаётся при помощи нулей и единиц, но оказалось, что большинство айтишников, с которыми я общаюсь (и довольно хороших!) слабо представляют, как же, все-таки, устроен компьютер.

Как заставить песок делать то, чего мы от него хотим?

Для большинства людей познания устройства компьютера оканчиваются на уровне его составных элементов — процессор, видеокарта, оперативная память… Но что именно происходит внутри этих чёрных прямоугольничков после подачи питания — магия. В этой статье (скорей всего, даже серии статей) я постараюсь простым языком объяснить, как же устроены эти таинственные прямоугольнички.

Собираем компьютер из атомов


Путь познания мы начнем почти с самого низкого уровня абстракции — с уровня атомов. Все мы знаем, что почти вся электроника основана на кремнии, но почему же именно кремний?
По-хорошему нужно пройти полный курс полупроводниковых приборов, но я изложу принципиальные моменты, которые позволят увидеть более структурированную и ясную картину происходящего.

Орбитали и энергетические уровни


Для примера возьмем простейший атом — водород. Ядро водорода состоит из одного протона и он имеет всего один электрон, который (упростим для понятности изложения) вращается по круговой орбите.

Вернее будет сказать, что орбита не круговая, а сферическая, то есть, электрон создает вокруг ядра оболочку. Согласно Принципу Паули, по одной такой орбите в атоме может вращаться не более двух электронов. Орбитали бывают не только сферической формы (так называемые S-орбитали), но и, например, гантелеобразной формы (P-орбитали).

Орбитали образуют подуровни: например, две S-орбитали образуют S-подуровень, который может вместить два электрона; три P-орбитали образуют P-подуровень, он уже может уместить 6 электронов за счет взаимно перпендикулярного расположения орбиталей в пространстве. На подуровнях орбиталей более сложной формы можно разместить уже большее число электронов (D, F, G, H, I — подуровни вмещают соответственно 10, 14, 18, 22, 26 электронов).
Чем сложнее форма оболочки и чем дальше электрон от ядра, тем большую он имеет энергию. На картинке справа изображён пример энергетических уровней, которые может занимать электрон в отдельном атоме.

Последние два слова выделены не просто так: когда появляются соседние атомы, картина меняется. Например, если мы начнем сближать два атома водорода, то система, как известно, будет стремиться к минимуму энергии. Поэтому для объединения двух отдельных атомов водорода в молекулу H2 это должно быть энергетически выгодно! 

И, действительно, энергетические уровни электронов каждого атома расщепляются, образуя два подуровня — верхний и нижний, которые становятся общими для теперь уже молекулы водорода. Как можно заметить, нижний подуровень обладает меньшей энергией, чем в отдельном атоме водорода, поэтому электроны его занимают и образуют молекулу, стягивая ядра, словно ремнями.

Атомы в кристалле


Если продолжать увеличивать число соседних атомов, то внутри крайних значений энергии расщеплённых уровней у двух соседних атомов появятся новые энергетические состояния (в виде дополнительной тонкой структуры). При достаточно большом количестве соседних атомов (то есть в кристалле вещества) дискретные разрешенные состояния сливаются в «полосы» — это знакомые многим валентная зона, зона проводимости и запрещенная зона.

Носители заряда и проводимость


Электроны, имеющие энергию в валентной зоне, не участвуют в переносе заряда по кристаллу: они прочно «сидят» в связях, а для того, чтобы электрон мог перемещаться по кристаллу, ему нужно занять более высокий энергетический уровень. Это можно сделать, сообщив ему энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. При этом разрывается ковалентная связь, и в валентной зоне остается вакантное место — положительно заряженная «дырка».

Кремнию достаточно комнатной температуры, чтобы тепловые колебания кристалла разрывали ковалентные связи, образуя свободные носители заряда — дырки и электроны.

Полупроводники и диэлектрики


Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.

Полупроводники p- и n-типа


Все это увлекательно, но было бы достаточно бесполезно без легирования примесями.

Если атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заместить пятивалентным атомом элемента V группы таблицы Менделеева, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Пятый электрон не участвует в формировании ковалентных связей, он слабо связан с ядром и поэтому легко может перейти в зону проводимости и стать свободным носителем заряда, оставляя при этом неподвижный, положительно заряженный ион. Такая примесь называется донорной, а получившийся полупроводник — полупроводником n-типа (negative).

Если же атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заменить трехвалентным элементом, он сможет образовать лишь 3 из 4 ковалентных связей в решетке, так как для образования четвертой ему потребуется электрон из другой ковалентной связи. В такой комбинации образуется вакантное место — подвижная положительно заряженная дырка, и при этом остается неподвижный отрицательно заряженный ион примеси. Такая примесь называется акцепторной, а получившийся полупроводник — полупроводником p-типа (positive).

Обращаю внимание, что собственный полупроводник, полупроводник n-типа или p-типа являются электрически нейтральными и имеют равное количество положительных и отрицательных зарядов. Разница лишь в том, что у легированных полупроводников «зеркальные» электронам и дыркам заряды — это неподвижные ионы примеси, прочно сидящие в кристаллической решетке. В нелегированном полупроводнике количество свободных электронов равно количеству дырок, в легированном же (например, донорном) количество электронов превышает количество дырок, так как большая часть из них заменена на неподвижные ионы примеси.

Диод


Если соединить теперь полупроводник n-типа с полупроводником p-типа, мы получим диод. Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.

Рассмотрим, что же происходит на границе полупроводников. В n-полупроводнике высокая концентрация электронов, а в p-полупроводнике — низкая. Электроны, подобно газу, начнут перемещаться (диффундировать) из области с высокой концентрацией в область с более низкой.

Аналогично будут поступать и дырки из p-полупроводника.

Вследствие перемещений возникает диффузионный ток, обусловленный градиентом концентрации носителей заряда. Переходя через границу, подвижные носители заряда обнажают неподвижные ионы примеси, которые создают «останавливающее», противоположно направленное поле или, иначе, компенсирующий дрейфовый ток.

В отсутствие внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. Если внешнее поле приложено по направлению, оно компенсирует поле неподвижных ионов и открывает заслонку для диффузионного тока.

Если поле приложено в противоположном направлении, оно усиливает лишь дрейфовый ток, ничтожно малый, по сравнению с диффузионным.

Таким образом мы получаем элемент, который проводит ток в одну сторону и не проводит в другую.

Резисторно-диодная логика


Раз уж мы говорим о цифровой технике, отметим, что при помощи диода уже можно реализовать логические элементы И и ИЛИ:



Но для создания функционально полной системы логических функций, на основе которой можно получить любую логическую функцию, нам не обойтись без элемента НЕ.



Для создания этого элемента нам потребуется транзистор.

Транзистор



По сути, транзистор — это схема из двух диодов, включенных встречно. В отсутствие напряжения на среднем электроде (базе) ток между другими электродами не течет.

Создав разность потенциалов между эмиттером (электродом с повышенной концентрацией носителей заряда) и тонкой базой, мы создаем поток неосновных носителей заряда из эмиттера в базу, а в случае pnp-транзистора — дырки.

Так как концентрация дырок в эмиттере повышена, а база тонкая, ее объем заполняется дырками, и она превращается из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, соединяя между собой эмиттер и коллектор.

Инвертор


Подключив npn-транзистор следующим образом, мы получаем инвертор: при наличии лог 1 на базе транзистор открывается и соединяет выход с землей — лог 0. При лог 0 на базе — транзистор заперт и выход подтянут к питанию — лог 1.


Таким образом мы получаем управляемый напряжением электронный ключ, который позволяет создать логический элемент НЕ, а, следовательно, и функционально полную систему логических функций.

На этой ноте заканчиваем с физикой, электронами и дырками: мы имеем всё необходимое для создания вычислительного устройства.

Как заставить логические элементы что-либо вычислять, запоминать и выполнять инструкции — в следующей статье.


Черная пятница 2017 — VDS в Москве и Амстердаме
VDS.SH 91,01
Компания
Поделиться публикацией
Комментарии 82
  • +6
    напомнило
    image
    • +1
      Мое дилетантское спасибо. Очень познавательно.
      • +3
        На самом деле — самое интересное будет дальше — это вводная часть, пропустить ее не позволил долг перед миром) — а то у людей такая каша в головах по этой части
        • +1
          К сожалению, даже после прочтения вашей, без сомнения подробной статьи, в моей гуманитарной головушке все равно нет окончательного понимания как работает магия транзисторов и диодов. Хотя некоторые вещи стали более понятны. Спасибо!
          • +2
            так для этого и есть комментарии на хабре, где можно узнать больше, чем из статьи) задавайте свои ответы
            • 0
              Потерял нить при переходе от того как это работает к резисторно-диодной логике.
              • 0
                Ну вот смотрите: есть логика вообще, и двоичная логика в частности. Она нам говорит, что мы можем делать с абстрактными логическими понятиями «0» и «1», с помощью логических операций типа «И», «ИЛИ» и «НЕ».
                А дальше, показав, что мы можем делать с реальными физическими процессами (электрическим током) с помощью полупроводников, мы переходим к тому, как «изобразить» логические понятия «0» и «1» в виде тока или напряжения, и какие электрические схемы мы можем построить, чтобы оперировать с ними по нашим законам логики с помощью заявленных выше операций.
                • 0
                  Да это в принципе понятно, не понятны схемы и уравнения которые всю эту богодельню описывают) еще было бы интересно, как начинается процесс считывания всего дерева этой логики.

                  «Осенью она разбрасывает семена по улицам, лежащим под ней. А когда приходит весна, ее дети встают на службу Конклаву»
            • +1
              Книга «Код. Тайный язык информатики» Петцольда. Он не опускается к атомарному уровню, но это must-read для гуманитария, который хочет понять, что такое процессор и информатика.
              • 0
                Ага, спасибо, будем читать.
        • –2
          С сожалению, приходится констатировать, что человечество неминуемо движется к технологической сингулярности. Вскоре не останется никого, кто бы имел представление, как работает электроника и компьютерная технология. Машины начнут самовоспроизводство.
          И если произойдет какой-то катаклизм, человечество деградирует до уровня пещерной цивилизации, потому что никто не будет банально даже знать, как добыть огонь. Через тысячелетия потомки найдут после нас примитивные орудия труда и сделают вывод: наши предки обладали зачатками разума.
          • +1
            Вскоре не останется никого, кто бы имел представление, как работает электроника и компьютерная технология. Машины начнут самовоспроизводство.

            Спросим у машин, как у них там что работает.
            • 0
              Вскоре не останется никого, кто бы имел представление, как работает электроника и компьютерная технология.

              Да ладно? Этот прогноз навеян фантастикой. Главное, создавать документацию во славу Бога-Машины.

              • 0

                Причём второй раз воспроизвести линию технического прогресса у человечества может и не получиться: легкодоступные запасы угля, нефти и руды уже будут все использованы, а сразу стартовать с атомной энергии примитивная технология не позволит.

                • 0

                  Ветряки/ГЭС, мне кажется, относительно просты для реализации. Надо только набрать немного металлолома и топлива для переплавки. А потом энергия будет.

              • +1
                На схемах элементов И и ИЛИ кроме 2-х входов x1 и x2 есть ещё по одному входу. Для чего они? На схеме элемента НЕ так же непонятные дополнительные «клеммы» на входе и на выходе.
                • +2

                  Это плюс и минус (земля) питания схем :)

                  • 0
                    Кстати, смех-смехом, но у автора явно не хватает двух совершенно необходимых элементов: источника нуля и источника единицы.
                    • 0

                      Ну по крайней мере схема И действительно немного сбивает с толку, если не держать в уме что входы вот так в воздухе не висят и на них обязательно должны быть или 0 или 1 :)

                    • +1
                      Спасибо, огромное. И за дополненные схемы ниже. Понемногу начинает приходить понимание.
                  • +3
                    Более лаконичного перехода от энергетических уровней к булевой логике мне встречать не приходилось
                    • 0
                      да — согласен, добавлю сейчас пояснения)
                      • 0
                        подзатянулась физическая часть(несмотря на все мои старания ее упростить и укоротить) — хотелось поскорее уже перейти к логике — здесь то на мой взгляд и происходит магия главная
                        • 0
                          Надо же от чего-то отталкиваться.
                          В схожей ситуации я рисовал НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ элементы на полярных транзисторах — «тут 0 и тут 0, поэтому тут 1 и т.д.» уж очень хочется перейти поскорее к «магии»… :)
                      • +1

                        Спасибо за статью (надеюсь на продолжение), т.к. буквально на днях надумал наконец-то заполнить у себя этот пробел и убрать из головы кусочек магии.


                        А можно, для тех кто в танке не знаком с обозначениями на схемах (типа меня), добавить описания и что там происходит? Например, я не понял разницу в схемах И и ИЛИ, почему в одном случае там X1+X2, а в другом – X1*X2?

                        • +1
                          image
                          Дополню статью — смотрите -выход Y подключен через сопротивление R к нулю — если на X1 и X2 при этом тоже нули — ток нигде не течет так как все точки схемы находятся под одинаковым потенциалом
                          Подадим теперь положительное напряжение U на X1 — тогда от плюса к минусу через диод и сопротивление R потечет ток, и напряжение со входа переместится на резистор — то есть на выходе будет единица, второй диод не пропустит напряжение на X2, поэтому имеем комбинацию X1 = 1, X2 = 0 Y = 1, что соответствует логическому ИЛИ. Аналогично рассуждая можно получить таблицу истинности для И
                          • 0

                            В схеме "И", грубо говоря, если хотя бы один из диодов открыт (когда на нём 0), то напряжение будет через него "утекать" и не попадать на выход Y, так? А когда оба закрыты (1), то напряжение со входа +U пойдёт на Y и там получится 1?

                            • 0
                              логическое И соответствует арифметическому умножению, а ИЛИ сложению
                          • +6

                            Вот, дополнил немного картинки :)
                            image
                            image

                            • +5
                              Здорово — не против если я их в статью вставлю?
                              • +5

                                Да пожалуйста, конечно :)

                                • 0

                                  Спасибо. Вот бы ещё и транзистор так же понятно нарисовать.

                                  • +1

                                    Если очень сильно упрощенно, то транзистор можно представить так:
                                    image
                                    Подаваемый на базу ток (логическая единица) открывает (замыкает накоротко) диод коллектора (1) и ток с коллектора на эмиттер начинает течь беспрепятственно, то есть коллектор получается замкнут на землю через диод эмиттера. Но это очень упрощенно, только для понимания работы инвертора :)
                                    ЗЫ: ток, подаваемый на базу, тоже стекает на эмиттер.

                                    • 0
                                      Извините, вы коллектор с эмиттером в описании не перепутали? По моему работает он так: Диоды нарисованы верно, но коллекторный переход (диод) смещен в обратном направлении, закрыт. И вот чтобы открыть транзистор, надо (сместить прямо) открыть эмиттерный переход. Через него начинает течь ток. За счет того что базовый слой в транзисторах очень тонкий, носители заряда, попадающие в него, почти все попадают в область обратносмещенного коллекторного перехода и улетают в коллектор, а оставшиеся образуют ток базы, который в сотни раз меньше тока коллектора. Вот когда за счет протекающего тока потенциал на коллекторе приблизится к потенциалу эмиттера — тогда откроется и коллекторный переход — наступит насыщение — запрещенные зоны обоих переходов исчезли за счет толпы электронов, текущих через транзистор.
                                      • 0

                                        Я не пытался объяснить правильную работу транзистора с точки зрения физики, а только с точки зрения логики его работы в ключевых режимах в логических микросхемах :)
                                        Я вообще хотел сначала "водопроводную" аналогию привести :)

                                  • 0

                                    А не мог бы кто-нибудь нарисовать эти схемы в circuits.io? Это такой онлайн симулятор электроники и ардуино, так как на ардуино там идет упор.
                                    Я как-то год назад пытался там сделать все эти основные элементы И, ИЛИ, НЕ из обычных компонентов, и вроде бы даже что-то получилось…
                                    https://circuits.io/circuits/3549054-logical-elements-on-bipolar-transistors
                                    Но объединить эти элементы иерархически уже не получается
                                    https://circuits.io/circuits/3548034-hierarhical-and-elements
                                    Но я думаю, что не получается, так как мои познания в электронике околонулевые, и я толком не понимаю что делаю, и поэтому там какая-то ошибка.


                                    UPD: оказывается circuits.io переезжает на tinkercad.com с тем же функционалом

                                • 0

                                  Ага, примерно так я и понял, спасибо! "И" с обрезаной схемой сначала было как-то совсем неясно :)

                                  • 0

                                    Да, И не совсем понятна с первого взгляда с висящими входами, на первый взгляд кажется, что у нее всегда на выходе должна быть 1 кроме случая нулей на обоих входах :)

                                  • 0
                                    Не хочу показаться профаном, но… Почему «единица» на выходе только на последней картинке, а не на всех четырёх последних? Что мешает току разветвляться и идти как сквозь открытые диоды, так и на выход схемы «И» во всех случаях? Сопротивление от последующих элементов, навешанных на выход?
                                    • 0
                                      сопротивление — диодов на землю почти 0, а к питанию — резистор большой, соотв что там по стрелке не важно — оно через диод уже фактически заземлено
                                      • +2
                                        Я понимаю, что обратно к питанию (через резистор) ток не пойдёт. :) Я про то — почему бы кроме как на землю (через диоды) ему не идти одновременно ещё и на выход? Хотя… прошу прощения, кажется дошло. :)
                                        • +2

                                          Считайте, что диоды тут — прямые соединения, т.к. в прямом направлении у диода сопротивление можно считать нулевым (это не совсем так, но тут такое допущение уместно), так что если один из них (или оба) сидят на земле, то и выход, соответственно, тоже практически сидит на земле :)

                                • +2
                                  В логике (в интегральных схемах) используются полевые транзисторы, а не биполярные (как в статье) — об этом будет в следующих частях?
                                  • +1
                                    и биполярные тоже — процессоры современные конечно на полевых. Биполярный тут с целью продемонстрировать принципиальную значимость такого элемента, а не вдаваться в новые принципы, которые в итоге приведут к тому же. Дальше уже физики не будет — будем делать логические микросхемы из этого всего и их объединять. Из отдельных элементов соберем функциональные блоки и поймем для чего они нужны. Пока можете посмотреть мою старую статью по ПЛИС habrahabr.ru/post/157863
                                    • +2
                                      Вот именно потому, что дальше физики уже не будет можно было бы и полевые описать, как другой вариант решения проблемы инвертирования сигнала.
                                      Тем более, что принцип работы полевого транзистора даже проще, чем биполярного.
                                      • 0

                                        Здесь это не принципиально.

                                    • 0
                                      Ну здрасте… Это только MOS-логика, как следует из названия, на полевых с изолированным затвором. Пусть и менее распространенные сегодня TTL или, скажем, ECL, — вполне себе биполярные.
                                    • 0
                                      Почему кремнию нет аналогов в электронике? Реально ли сделать процессор из железа например или из алюминия?
                                      • +2
                                        Арсенид Галлия вроде доводили до состояния «можно делать некоторые микросхемы», а так — список полупроводников весьма обширен, но реально взрывное развитие электроника получила когда вышла из военных дел на массовое коммерческое применение, т.е. важнейшую роль стала играть себестоимость всей цепочки технологических процессов «от песка до впаянного чипа» при массовом супер-крупносерийном производстве (а чипы производятся сотнями миллионов штук даже всякая мелочь (таких крупных тиражей сложных изделий Человечество раньше не знало даже близко)), а не только принципиальная возможность штучно изготовить.
                                      • 0

                                        Из железа нельзя, но можно из других металлов. Собственно когда-то они такими и были, на основе электровакуумных приборов (ламп) — никаких полупроводников, стекло и металл. Энергопотребление и габариты правда совсем другие :)

                                        • +1
                                          Если говорить именно о полупроводниковых процессорах (потому что например арифмометр можно назвать процессором из железа или алюминия), то полупроводников-то есть много разных. Например на упомянутом выше арсениде галлия (GaAs) давно и массово делают СВЧ-микросхемы. Это потому, что у GaAs намного более высокая подвижность электронов, за счет чего транзисторы на нем способны работать на много более высоких частотах по сравнению с кремниевыми (десятки-сотни ГГц против единиц ГГц). Но это только в линейном режиме такие высокие частоты. Линейный режим — это когда транзистор никогда полностью не открывается и не закрывается, а колеблется где-то в промежуточном состоянии. Из-за этого через него постоянно течет ток, много энергии теряется зря. КПД лучших современных СВЧ (больше 10ГГц) усилителей приближается к 50%. Недавно вышли в массовое производство силовые транзисторы на нитриде галлия (GaN). По сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами они требуют намного меньше энергии на переключение. Возможно, еще лет через 5 мы увидим на них процессоры с частотами около 10ГГц, если квантовая технология не захватит рынок.
                                          • 0
                                            Обеспечить реализацию четкой логики можно без потери производительности же только 0 и 1, иначе будут потери на отбраковку результатов и их пригодность, соответственно прирост всех этих гигагерцев уйдет в 0. Основная проблема реализации нечеткой логики на аналогичных кристаллах да и вообще в разработке систем — количество ошибок, их коррекция и стоимость разработки софта под конкретную систему.
                                          • 0

                                            В основе всей современной электроники лежит понятие вентиля. Это структура, которая в одну сторону ток проводит, а в другую нет. Если вентиль сделать управляемым, т.е. менять его сопротивление под воздействием внешнего чего-либо, то можно управлять протеканием тока через схему, т.е. формировать сигнал необходимой формы.
                                            Сначала придумали лампу, в которой поток электронов течёт от анода к катоду, а обратно нет. Поставив на пути потока сетку и подавая на неё напряжение, можно регулировать поток электронов.
                                            Потом полупроводники. В статье описано как, совместив ПП с разным типом проводимости сделать вентиль (диод). Ключевое слово тут — разный тип проводимости.
                                            В металлах проводимость одна — свободные электроны. Поэтому этот принцип на металлах реализовать не получится. Но можно совместить металл и полупроводник. Получится барьер Шоттки, обладающий свойством вентиля
                                            https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BE%D0%B4_%D0%A8%D0%BE%D1%82%D1%82%D0%BA%D0%B8


                                            Кстати, транзистор неправильно рассматривать как пару диодов. Хоть он и прозванивается как два диода, физика там другая.
                                            Почитайте: Р. Сворень, "Электроника шаг за шагом". Там "на пальцах" разобраны и лампа, и транзистор. И ещё много чего.

                                            • 0
                                              как осуществляется управление вентилем? Как выглядят эти руки?! я же когда сижу за компом и туплю в браузер или побеждаю злые орды нежити, не задумываюсь над тем как открыть/закрыть вентиль. Как происходит этот процесс на самом глубоком уровне? Как открываются первые вентили и как они регулируют открытие/закрытие всех нижележащих за ними вентилей, как происходит переход от механики (наличие/отсутствие напряжения) к логике ( 1/0 )?????
                                              • 0

                                                Современные ОС и программы как раз и придуманы чтобы абстрагироваться от всего… вообще от всего. Просто сидишь и постишь в контактик :)
                                                Касаемо вентиля. Если кратко, то:


                                                1. При приложении напряжения в прямом направлении основные носители заряда начинают двигаться в сторону барьера (PN-перехода). Если напряжение достаточно высоко, носителям сообщается достаточная энергия чтобы барьер преодолеть и они начинают прямо течь! Создавая электрический ток.
                                                2. Если напряжение приложить в обратном направлении, то носители будут расползаться в стороны от перехода к электродам. И в районе перехода подвижных носителей заряда станет совсем мало. И переносить заряд через переход станет некому, а значит и ток невозможен. Возникает как бы зона диэлектрика.

                                                Это что касается диода. С транзисторами и тиристорами немного сложнее. Рекомендую полистать "Электроника шаг за шагом". Там довольно популярно, для школьников самых маленьких.
                                                Или го на ютупчик. Там даже ничего читать не надо, там прям мультики на тему.

                                                • +1
                                                  Спасибо за пояснения, но суть вопроса к сожалению не раскрыта. Для меня сейчас весь этот набор транзисторов, диодов и прочих бездушных железок, крепко ассоциируется с какой-нибудь системой водопровода под Москвой, например с огромной тучей клапанов, вентилей и прочего, которые настолько умны, что знают как открыть своих соседей для того, чтобы у Васи на Каширке в 5й квартире была в душе горячая вода, что абсолютно абсурдно.
                                                  • –1

                                                    Ну, канализационная аналогия вполне работает (до поры, до времени).
                                                    Вот про диод.
                                                    Там же есть про резистор, конденсатор, индуктивность.
                                                    Транзистор можно себе представить как очень большой (бесконечный) бак с водой, из которого выходит труба, перекрытая заслонкой. Приоткрывая заслонку мы регулируем поток воды. Суть в том, что прикладывая совсем небольшое усилие к заслонке, мы регулируем огромную мощь водопада в трубе. Это аналогия усиления сигнала (на самом деле, ничего не усиливается, а просто создаётся мощная копия сигнала).
                                                    Вот про диод более строго, с электронами и дырками.


                                                    Ну и я не знаю как объяснить более понятно. Если с ангелами и демонами, это будет достаточно духовно?

                                                    • 0
                                                      кто приоткрывает заслонку, в 100 километрах от центра управления водопроводом, в темном сыром колодце, где нет людей?! Как осуществляется подача первого каскада напряжений на диоды транзисторы и прочее на плате?! Как это происходит!? Этот вопрос не имеет ничего общего с тем как устроен диод или как он работает, как работает клапан и дибилу понятно, но как осуществляется их регулировка?! Вот в чем вопрос!

                                                      Для Вас, к моему сожалению, с вашим уровнем знаний, ответ на этот вопрос кажется очевидным и вы не воспринимаете его.

                                                      Может я в чем-то не прав или не корректно ставлю вопрос?
                                                      • 0

                                                        Заслонка двигается дистанционно. Верёвочка на 100 км. Дёргаем руками (когда нажимаем кнопки или крутим ручки). Или её может дёргать поток воды из другой трубы, получается каскад.
                                                        Энергия изначально берётся из океана (розетка) или маленького прудика (аккумулятор).
                                                        А постановка вопроса зависит от того что именно ты хочешь узнать. Если изучать электронику, то книга "Электроника шаг за шагом", сайт easyelectronics.ru, далее везде. Можно бесконечно строить аналогии, соединять клапана верёвочками, рычажками, зубчатыми передачами, но в конце концов упрёшься в ограничения модели и практического смысла это не имеет.
                                                        С т.зр. современной цифровой техники:


                                                        • транзистор это управляемый ключ: открыт = лог 0, закрыт = лог 1 (обычно так, м.б. наоборот);
                                                        • из диодов, транзисторов, резисторов (или только транзисторов) можно построить логические элементы, реализующие двоичную (булеву) математику (лог И, лог ИЛИ и т.п.);
                                                        • из логических элементов можно построить триггер;
                                                        • из триггеров можно построить всё остальное (память, процессор, ......).

                                                        Если же цель философическая, мировоззренческая, то эт не ко мне, я в Си-минор не умею :)

                                            • +1
                                              Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.
                                              И все же — на что похож диод в реальности? Насколько много электронов и дырок есть в диоде? Есть какое-то ограничение по сроку службы, когда диод, так сказать, истощается? В том числе про LED интересно, может ли диод высветить все свои фотоны?
                                              • +3

                                                Современные диоды/транзисторы — это тонкие пленки. Скажем, пленка p-Si на толстой подложке n-Si.


                                                На картинке LED, но смысл такой же

                                                image


                                                В интегральных схемах еще ионную имплантацию используют — подложка из p-Si локально облучается ионами донора, получается n-допирование.


                                                Светодиоды, лазеры и прочая оптоэлектроника умирает из-за распространения дефектов кристалла. На них стягиваются электроны и дырки, и там возможна рекомбинация без испускания фотонов.

                                                • 0

                                                  Ну, что касается LED, то это видно наглядно, они заметно тускнеют уже через несколько месяцев. Что же касается количества дырок, то по идее, это зависит от напряжения, типа полупроводника, типа примеси и его количества, ну и разумеется площади перехода того, в общем оценке поддаётся, но нужно знать конкретный диод.

                                                  • +2
                                                    вопрос шикарный, вроде «детский» а — хороший… Нет, «запаса» электронов-дырок нет, это тип проводимости, сами электроны исправно поставляются в количестве из подводящих проводов (и туда же утекают электроны «дырочной» проводимости) и их там — заведомо много. соотв фотоны — физически рождаются при предолении электроном барьера и перехода на другой уровень (из свободного в n-Части в хм… стуктурированный, связанный в решётке… р-части), на этот переход затрачивается энергия, часть её утекает в мир в виде фотона. сколько электронов через диод пройдёт — столько фотонов он высветит (с усушкой-утруской на дефектах), при том электрон — сам никуда не девается, только перемещается, он элементарная частица, он вечен, а фотон — рождается при смене электроном своего энергетического относительно атомов решётки состояния…
                                                    («пока объяснял — сам понял», спасибо за вопрос.)
                                                    • 0

                                                      Ну электрон все же не вечен, он анигилирует с позитроном. Да и носителей (особенно не основных) не бесконечное количество, поэтому обратный ток диода мал.

                                                      • 0

                                                        Ну то есть все правильно, и склада носителей в диоде нет, но в данный конктретный момент времени их число ограничено.

                                                        • 0

                                                          Это полная чушь.


                                                          электрон все же не вечен, он анигилирует с позитроном

                                                          Электрон — стабильная фундаментальная частица, он вечен. Но если он висит в зоне проводимости (сверху), он может вернуться вниз в валентную зону, заполнив собой дырку. Дырка в итоге исчезнет.


                                                          носителей (особенно не основных) не бесконечное количество, поэтому обратный ток диода мал

                                                          В вакуумном диоде дырок вообще нет, при этом он каким-то чудом работает.

                                                          • 0
                                                            Если принять, что человек разделяет понятия «позитрон» и «дырка», то он таки прав — электрон аннигилирует с позитроном. Другое дело, что в природе это встречается редко и никакого отношения к работе полупроводников не имеет.
                                                            • 0

                                                              Так и протон на ускорителе можно расщепить. Что не делает его нестабильным. И, как вы заметили, к физике твердого тела относится чуть менее, чем никак.

                                                            • 0
                                                              В вакуумном диоде дырок вообще нет, при этом он каким-то чудом работает.

                                                              По совершенно другому принципу.
                                                        • 0

                                                          Неважно сколько электронов есть в диоде. Как уже сказали, их сколько угодно может поставить источник тока. Важно то сколько есть свободных электронов, т.е. тех, которые сравнительно легко оторвать от ядер и которые могут перемещаться между электродами и создавать электрический ток в проводнике. Точнее важно то, каково соотношение количества ядер и свободных электронов.
                                                          Например, чистый кремний имеет на внешней орбите 4 электрона. Заряды ядра и всех электронов уравновешены. Примем заряд электрона за 1 попугай. Если оторвать от ядра внешние электроны, заряд того что останется будет +4, а сумма зарядов электронов -1*4=-4
                                                          Теперь "вставим" в решётку кремния ядро мышьяка. Ему положено иметь 5 электронов на внешней орбите. Если их забрать, то заряд ядра будет +5, электронов -5. Всё уравновешено, всё также как и было? А вот нет! Фишка в том что ядра прибиты гвоздями к решётке. Их нельзя вот так просто взять и переместить, поэтому положительные ядра не могут образовывать ток, а электроны могут!
                                                          Дальше. У нас вещество, в котором на каждое ядро приходится по 4 электрона плюс некоторе количество ядер, у которых их по 5. Т.к. эти электроны слабо связаны с ядрами, они постоянно перемещаются: отрываются от одних ядер и притягиваются у другим. В чистом кремнии всё равновесно, но примесь даёт некоторое количество "лишних" электронов. Несмотря на то что в целом по кристаллу сумма плюсов и минусов равна нулю, именно свобода перемещения электронов постоянно создаёт ситуацию что где-то их "больше чем нужно". Это и называется проводимостью типа N.
                                                          Теперь снова возьмём чистый кремний и нашпигуем его атомами бора. Он 3-валентный, т.е. внешних электронов у него 3, а не 4 как у остальных элементов решётки. В соответствии с выше описанным механизмом, возникнет ситуация когда постоянно в разным местах кристалла электронов будет не хватать. Это "отсутствие электрона там где он должен быть" называют дыркой.
                                                          Казалось бы, пустое место, отсутствие чего-либо. Однако, в этом вашем квантовом мире оно ведёт себя подобно частице. Например, есть два соседних атома кремния. Одно "нормальное", с 4 электронами, а у другого их только 3. Легко может случиться так что электрон соскочит с орбиты у нормального атома и притянется к ненормальному. Но! На его месте останется дырка! А так как примеси в кристалле существенно меньше чем основного вещества, то "визуально" получится так что это не электрон переместился от ядра к ядру, а дырка! Т.е. именно дырки и являются основными носителями заряда в таком полупроводнике и он называется P-типа.
                                                          Дырки как квазичастицы имеют свои физические свойства и даже описываются характеристиками типа "скорость эмиссии дырок".
                                                          Ну а если совместить ПП двух разных типов, то начнётся всё то что описано в статье.


                                                          Что касается светодиода, то всё описанное имеет мало отношения к собственно излучению света. Свет — фотоны, которые излучаются при переходе электронов с верхнего энергетического уровня на нижний. Т.е. электроны как бы "остывают" и избыток энергии испускается в виде света. PN-переход только делает этот процесс более упорядоченным. Благодаря энергетическому барьеру, электроны соскакивают с орбит более "дружно", а значит в более узком диапазоне энергий. Это даёт более узкий диапазон длинн волн по сравнению с лампой накаливания. Светодиод светит, но не греет.

                                                        • +2
                                                          оказалось, что большинство айтишников, с которыми я общаюсь (и довольно хороших!) слабо представляют, как же, все-таки, устроен компьютер

                                                          Бьюсь об заклад, что это всякие web-формошлепы, которые не то что устройства компьютера, а вообще ничего, что происходит за пределами браузера, не знают.
                                                          • +2

                                                            Примерно как не каждый сантехник способен написать уравнение Бернулли для жидкости в трубе, или музыкант — граничную задачу для стоячих волн в струне. Помнится, меня впечатлила фраза в мемуарах летчика Ершова, когда он сказал, что знает о двигателях своего самолёта только тот факт, что их три.

                                                            • 0
                                                              всё ж тут мэтр, царстивие ему, чуток лукавил — что такое приёмистость или реверс и почему чрезвычайного режима нельзя много, чем чревато обледенение ВЗ и лопаток, в каких примерно условиях возможен помпаж, почему в жару вялый взлёт а в мороз затруднён запуск и т.п. — он прекрасно знал, просто гротескно показывал, что для безопасного пилотажа это немного вторично, а движками (тогда было так) занимается в экипаже отдельный человек — к нему все вопросы.
                                                          • 0
                                                            Очень хорошо что будете делить на разные уровни абстракции, мне это понравилось читая книгу Дэвида Харрис и Сары Л. Харрис «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера». Удачи в написание продолжения.
                                                            • +1
                                                              Эх, поностальгировал о своих студенческих временах, повспоминал о пористом кремнии и прочих интересных материалах, которыми занимался на практике.
                                                              Спасибо автору.
                                                              • 0
                                                                Сама задумка интересна. Буду ждать проды :)
                                                                • 0
                                                                  Недавно пожилой профессор рассказывал мне, как в радиолюбительском кружке он лично изготавливал полупроводниковый кристалл и искал в нём иголкой точку с нужным сочетанием примесей, чтобы получился детекторный диод для радиоприёмника. Вот эти бы практические знания возродить, прибавить к статье и ввести в школьный курс физики класс на седьмой с лабораторной работой… мечты
                                                                    • 0
                                                                      Да, помню эту статью. Я имел ввиду ещё самостоятельное изготовление карбида кремния из подручных веществ вроде плавления песка с углеродом. За давностью лет профессор уже точно не помнит, из чего именно делали карбид, но таки делали сами из доступного пацанам в пятидесятых.
                                                                  • 0
                                                                    В советские времена одни производители за логическую «1» принимали 0 в. а другие логическую «1» +5 в. и тогда схема «И» Превращалась в схему «ИЛИ» а «ИЛИ» в «И».
                                                                    Иногда работа основного устройства описывалось в положительной логике, а дополнительного в отрицательной логике. Кроме этого система адресации могла начинаться с нуля, а могла и с единицы.
                                                                    Да и вообще у нас термин «Триггер» что означает «спусковой курок» приклеили к
                                                                    «flip-flop», да у них много похожего, оба могут находиться в двух устойчивых состояниях. Это было так давно что теперь наверное никто не сомневается в правильности названия этого логического устройства и не будет спорить.

                                                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                    Самое читаемое