نعلم جميعًا من دروس علوم الكمبيوتر أن المعلومات داخل الكمبيوتر يتم نقلها باستخدام الأصفار والأصفار ، ولكن اتضح أن معظم الأشخاص في مجال تكنولوجيا المعلومات الذين أتواصل معهم (والأشخاص الجيدين!) لديهم فكرة بسيطة عن كيفية عمل الكمبيوتر.
كيف نجعل الرمل يفعل ما نريده منه؟بالنسبة لمعظم الأشخاص ، تنتهي معرفة جهاز الكمبيوتر على مستوى العناصر المكونة له - المعالج وبطاقة الفيديو وذاكرة الوصول العشوائي ... ولكن ما يحدث بالضبط داخل هذه المستطيلات السوداء بعد تطبيق الطاقة هو السحر. في هذه المقالة (على الأرجح ، حتى سلسلة من المقالات) سأحاول أن أشرح بلغة بسيطة كيف يتم ترتيب هذه المستطيلات الغامضة.
تجميع كمبيوتر من الذرات
سنبدأ مسار المعرفة من أدنى مستوى تجريد تقريبًا - من مستوى الذرات. نعلم جميعًا أن جميع الإلكترونيات تقريبًا تعتمد على السيليكون ، ولكن لماذا السيليكون؟
بطريقة جيدة ، تحتاج إلى أخذ دورة كاملة من أجهزة أشباه الموصلات ، لكنني سأوجز النقاط الأساسية التي ستسمح لك برؤية صورة أكثر تنظيمًا ووضوحًا لما يحدث.
المدارات ومستويات الطاقة
على سبيل المثال ، خذ أبسط ذرة - الهيدروجين. تتكون نواة الهيدروجين من بروتون واحد ولها إلكترون واحد فقط يدور (مبسط لوضوح العرض) يدور في مدار دائري.
بدلاً من ذلك ، سيقال أن المدار ليس دائريًا ، بل كرويًا ، أي أن الإلكترون يخلق
قشرة حول النواة. وفقًا
لمبدأ باولي ، لا يمكن أن يدور أكثر من إلكترونين في مدار واحد في ذرة. المدارات ليست فقط كروية الشكل (ما يسمى مدارات S) ، ولكن أيضًا ، على سبيل المثال ، على شكل دمبل (مدارات P).
تشكل
المدارات مستويات فرعية : على سبيل المثال ، يشكل
مداريان على شكل حرف S مستوى ثانوي S يمكن أن يستوعب إلكترونين ؛ تشكل ثلاثة مدارات P مستوى فرعي P ، يمكنها بالفعل استيعاب 6 إلكترونات بسبب الترتيب المتعامد المتبادل للمدارات في الفضاء. على المستويات الفرعية للمدارات ذات الشكل الأكثر تعقيدًا ، يمكن وضع عدد أكبر من الإلكترونات (D ، F ، G ، H ، I - تحتوي المستويات الفرعية على 10 ، 14 ، 18 ، 22 ، 26 إلكترونًا على التوالي).
كلما كان شكل القشرة أكثر تعقيدًا وكلما زاد الإلكترون عن النواة ، زادت طاقتها. تُظهر الصورة الموجودة على اليمين مثالاً لمستويات الطاقة التي يمكن أن يشغلها الإلكترون في
ذرة واحدة .
يتم تمييز الكلمتين الأخيرتين لسبب: عندما تظهر الذرات المجاورة ، تتغير الصورة.
على سبيل المثال ، إذا بدأنا في الجمع بين ذرتي هيدروجين ، فإن النظام ، كما تعلمون ، يميل إلى تقليل الطاقة. لذلك ، لدمج ذرتي هيدروجين منفصلتين في جزيء H2 ، يجب أن يكون هذا مفيدًا للغاية!
وبالفعل ، تنقسم مستويات طاقة الإلكترونات في كل ذرة ، لتشكل مستويين فرعيين - العلوي والسفلي ، والذي أصبح شائعًا في
جزيء الهيدروجين الآن. كما ترون ، فإن المستوى الفرعي السفلي لديه طاقة أقل من ذرة هيدروجين واحدة ، لذلك تحتلها الإلكترونات وتشكل جزيءًا ، يجمع بين النوى ، مثل الأشرطة.
الذرات في البلورة
إذا واصلنا زيادة عدد الذرات المجاورة ، فعندئذٍ داخل قيم الطاقة القصوى لمستويات الانقسام ، سيكون لذرتين متجاورتين حالات طاقة جديدة (في شكل بنية دقيقة إضافية). مع وجود عدد كبير بما فيه الكفاية من الذرات المجاورة (أي في مادة كريستال) ، تندمج الحالات المنفصلة المسموح بها في "نطاقات"
- هذه هي فرقة التكافؤ ونطاق التوصيل والنطاق المحظور المألوف لدى الكثيرين.
الناقلات والتوصيل
لا تشارك الإلكترونات التي لها طاقة في نطاق التكافؤ في نقل الشحنة من خلال البلورة: فهي "تجلس" بثبات في الروابط ، ولكي يتحرك الإلكترون حول البلورة ، يجب أن يأخذ مستوى طاقة أعلى. يمكن القيام بذلك عن طريق منحه طاقة تتجاوز فجوة النطاق. في هذه الحالة ، يتم كسر الرابطة التساهمية ، ويبقى مكان شاغر في نطاق التكافؤ - "حفرة" ذات شحنة موجبة.
يحتوي السيليكون على درجة حرارة الغرفة الكافية للاهتزازات الحرارية للبلورة لكسر الروابط التساهمية ، وتشكيل ناقلات شحن مجانية - ثقوب وإلكترونات.
أشباه الموصلات والعوازل
القيم المميزة لفجوة النطاق في أشباه الموصلات هي 0.1-4 فولت. يشار عادة إلى البلورات ذات فجوة نطاق تزيد عن 4 eV باسم العوازل.
أشباه الموصلات نوع ونوع
كل هذا رائع ، ولكنه سيكون عديم الفائدة إلى حد ما دون تناول
المنشطات .
إذا تم استبدال ذرة الشبكة البلورية لسيليكون رباعي التكافؤ أو الجرمانيوم بذرة خماسية التكافؤ لعنصر المجموعة الخامسة من الجدول الدوري ، فإن إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرة النجاسة ستشارك في تكوين الروابط التساهمية. لا يشارك الإلكترون الخامس في تكوين روابط تساهمية ، فهو مرتبط بشكل ضعيف بالنواة ، وبالتالي يمكن أن يدخل بسهولة إلى نطاق التوصيل ويصبح
ناقلًا شحنًا مجانيًا ، بينما يترك
أيونًا ثابتًا مشحونًا بشكل إيجابي . يسمى هذا الشوائب مانحًا ، ويسمى أشباه الموصلات الناتجة أشباه الموصلات
من النوع n (سلبي).
إذا تم استبدال ذرة الشبكة البلورية لسيليكون رباعي التكافؤ أو الجرمانيوم بعنصر ثلاثي التكافؤ ، فسيكون قادرًا على تكوين 3 فقط من الروابط التساهمية الأربعة في الشبكة ، لأنه سيتطلب إلكترونًا من رابطة تساهمية أخرى لتشكيل الرابع. في هذا المزيج ، يتم تكوين مكان شاغر - ثقب متنقل ذو شحنة موجبة ، وفي نفس الوقت يبقى
أيون شائبة
ثابت الشحنة سالبة . يسمى هذا النجاسة
متقبلًا ، وأشباه الموصلات الناتجة - أشباه الموصلات
من نوع p (إيجابية).
ألفت انتباهكم إلى حقيقة أن
أشباه الموصلات الداخلية ، وأشباه الموصلات من النوع n أو p تكون محايدة كهربائيًا ولديها عدد متساوٍ من الشحنات الإيجابية والسلبية. والفرق الوحيد هو أنه في أشباه الموصلات المخدرة ، تكون شحنات "المرآة" للإلكترونات والثقوب عبارة عن أيونات شائبة ثابتة تجلس بثبات في الشبكة البلورية. في أشباه الموصلات غير المسطحة ، فإن عدد الإلكترونات الحرة يساوي عدد الثقوب ، بينما في أشباه الموصلات المخدرة (على سبيل المثال ، مانح واحد) ، يتجاوز عدد الإلكترونات عدد الثقوب ، حيث يتم استبدال معظمها بإيونات الشوائب الثابتة.
ديود
إذا وصلنا الآن أشباه الموصلات من النوع n مع أشباه الموصلات من النوع p ، نحصل على الصمام الثنائي. بالمناسبة ، الصمام الثنائي الحقيقي ليس لديه الكثير من القواسم المشتركة مع صورته التخطيطية ، ولكن هذه قصة أخرى.
ضع في اعتبارك ما يحدث عند حدود أشباه الموصلات. يحتوي أشباه الموصلات n على تركيز إلكترون مرتفع ، وأشباه الموصلات منخفضة. تبدأ الإلكترونات ، مثل الغازات ، في الانتقال (الانتشار) من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة ذات منطقة أقل.
وستفعل الثقوب من أشباه الموصلات أيضًا.
بسبب النزوح ، ينشأ
تيار الانتشار بسبب تدرج التركيز لحاملات الشحن. عند عبور الحدود ، تكشف ناقلات الشحن المتنقلة أيونات الشوائب غير المتحركة ، التي تخلق "مجالًا" للتوقف أو حقل موجهًا عكسًا أو ، بخلاف ذلك ، تعويض
تيار الانجراف .
في غياب مجال خارجي ، توازن هذه التيارات مع بعضها البعض. إذا تم تطبيق الحقل الخارجي في الاتجاه ، فإنه يعوض عن مجال الأيونات الثابتة ويفتح المثبط لتيار الانتشار.
إذا تم تطبيق الحقل في الاتجاه المعاكس ، فإنه يضخم تيار الانجراف فقط ، والذي لا يُذكر مقارنة بتيار الانتشار.
وبالتالي ، نحصل على عنصر يقوم بتوصيل التيار في اتجاه واحد ولا يجري في الاتجاه الآخر.
المقاوم ديود المنطق
نظرًا لأننا نتحدث عن التكنولوجيا الرقمية ، نلاحظ أنه بمساعدة الصمام الثنائي ، يمكن بالفعل تحقيق العناصر المنطقية
و و
أو :
ولكن لإنشاء نظام
كامل وظيفي للوظائف المنطقية ، يمكنك على أساسه الحصول على أي وظيفة منطقية ، لا يمكننا الاستغناء عن العنصر
NOT .
لإنشاء هذا العنصر ، نحتاج إلى ترانزستور.
الترانزستور
في الواقع ، الترانزستور عبارة عن دائرة ثنائية ثنائية متصلة في الاتجاه المعاكس. في حالة عدم وجود جهد في القطب الأوسط (القاعدة) ، لا يتدفق التيار بين الأقطاب الأخرى.
بعد إنشاء الفرق المحتمل بين الباعث (القطب مع زيادة تركيز ناقلات الشحن) والقاعدة الرقيقة ، نقوم بإنشاء تيار من ناقلات شحن الأقلية من الباعث إلى القاعدة ، وفي حالة ترانزستور pnp ، ثقوب.
نظرًا لزيادة تركيز الثقوب في الباعث والقاعدة رقيقة ، فإن حجمها مليء بالثقوب ، ويتحول من أشباه الموصلات من النوع n إلى أشباه الموصلات من النوع p ، ويربط الباعث والمجمع.
العاكس
بعد توصيل الترانزستور npn على النحو التالي ، نحصل على العاكس: إذا كان هناك سجل 1 على القاعدة ، يفتح الترانزستور ويوصل الإخراج إلى الأرض - السجل 0. إذا كان هناك سجل 0 على القاعدة - يتم قفل الترانزستور ويتم سحب الإخراج إلى الطاقة - السجل 1.
وبالتالي ، نحصل على مفتاح إلكتروني متحكم فيه بالجهد يسمح لك بإنشاء عنصر منطقي
NOT ، وبالتالي ، نظام كامل وظيفياً للوظائف المنطقية.
في هذه الملاحظة ، ننتهي بالفيزياء والإلكترونات والثقوب: لدينا كل ما نحتاجه لإنشاء جهاز حوسبة.
يتم وصف كيفية جعل العناصر المنطقية لحساب التعليمات وحفظها وتنفيذها في المقالة التالية.
الجمعة السوداء 2017 - VDS في موسكو وأمستردام