Wir alle wissen aus dem Informatikunterricht, dass Informationen in einem Computer mit Nullen und Einsen übertragen werden, aber es stellte sich heraus, dass die meisten IT-Mitarbeiter, mit denen ich kommuniziere (und ziemlich gute!), Keine Ahnung haben, wie der Computer trotzdem funktioniert.
Wie lässt man Sand machen, was wir wollen?Für die meisten Menschen endet das Wissen über ein Computergerät auf der Ebene seiner Bestandteile - eines Prozessors, einer Grafikkarte, eines Arbeitsspeichers ... Aber was genau in diesen schwarzen Rechtecken nach dem Einschalten passiert, ist Magie. In diesem Artikel (höchstwahrscheinlich sogar einer Reihe von Artikeln) werde ich versuchen, in einfacher Sprache zu erklären, wie diese mysteriösen Rechtecke angeordnet sind.
Einen Computer aus Atomen zusammenbauen
Wir werden den Weg des Wissens von fast der untersten Abstraktionsebene aus beginnen - von der Ebene der Atome. Wir alle wissen, dass fast die gesamte Elektronik auf Silizium basiert, aber warum Silizium?
Auf eine gute Weise müssen Sie einen vollständigen Kurs über Halbleiterbauelemente absolvieren, aber ich werde die grundlegenden Punkte skizzieren, die es Ihnen ermöglichen, ein strukturierteres und klareres Bild davon zu erhalten, was passiert.
Orbitale und Energieniveaus
Nehmen Sie zum Beispiel das einfachste Atom - Wasserstoff. Der Wasserstoffkern besteht aus einem Proton und hat nur ein Elektron, das sich (zur Klarheit der Darstellung vereinfacht) in einer Kreisbahn dreht.
Vielmehr wird gesagt, dass die Umlaufbahn nicht kreisförmig ist, sondern sphärisch, dh das Elektron erzeugt eine
Hülle um den Kern. Nach
dem Pauli-Prinzip können sich nicht mehr als zwei Elektronen in einer solchen Umlaufbahn in einem Atom drehen. Orbitale sind nicht nur kugelförmig (sogenannte S-Orbitale), sondern beispielsweise auch hantelförmig (P-Orbitale).
Orbitale bilden
Unterebenen : Beispielsweise bilden zwei S-Orbitale eine S-Unterebene, die zwei Elektronen aufnehmen kann. Drei P-Orbitale bilden eine P-Subebene, die aufgrund der zueinander senkrechten Anordnung der Orbitale im Raum bereits 6 Elektronen aufnehmen kann. Auf Unterebenen von Orbitalen mit komplexerer Form kann eine größere Anzahl von Elektronen platziert werden (D, F, G, H, I - Unterebenen enthalten jeweils 10, 14, 18, 22, 26 Elektronen).
Je komplexer die Form der Schale ist und je weiter das Elektron vom Kern entfernt ist, desto größer ist seine Energie. Das Bild rechts zeigt ein Beispiel für die Energieniveaus, die ein Elektron in einem
einzelnen Atom einnehmen kann.
Die letzten beiden Wörter werden aus einem Grund hervorgehoben: Wenn benachbarte Atome erscheinen, ändert sich das Bild.
Wenn wir zum Beispiel beginnen, zwei Wasserstoffatome zusammenzubringen, neigt das System, wie Sie wissen, dazu, die Energie zu minimieren. Um zwei getrennte Wasserstoffatome zu einem H2-Molekül zu kombinieren, sollte dies daher energetisch vorteilhaft sein!
Tatsächlich werden die Energieniveaus der Elektronen jedes Atoms aufgeteilt und bilden zwei Unterebenen - die obere und die untere, die dem jetzt Wasserstoffmolekül gemeinsam
werden . Wie Sie sehen können, hat die untere Unterebene weniger Energie als in einem einzelnen Wasserstoffatom, daher besetzen die Elektronen es und bilden ein Molekül, das die Kerne wie Bänder zusammenzieht.
Atome in einem Kristall
Wenn wir die Anzahl benachbarter Atome weiter erhöhen, haben zwei benachbarte Atome innerhalb der extremen Energiewerte der aufgeteilten Ebenen neue Energiezustände (in Form einer zusätzlichen Feinstruktur). Bei einer ausreichend großen Anzahl benachbarter Atome (dh im Kristall einer Substanz) verschmelzen die diskreten erlaubten Zustände zu „Bändern“
- dies sind das Valenzband, das Leitungsband und das verbotene Band , die vielen bekannt sind.
Träger und Leitfähigkeit
Elektronen mit Energie im Valenzband nehmen nicht am Ladungstransfer durch den Kristall teil: Sie „sitzen“ fest in Bindungen, und damit sich ein Elektron um den Kristall bewegen kann, muss es ein höheres Energieniveau annehmen. Dies kann erreicht werden, indem ihm Energie gegeben wird, die die Bandlücke überschreitet. In diesem Fall wird die kovalente Bindung aufgebrochen und es verbleibt eine freie Stelle im Valenzband - ein positiv geladenes „Loch“.
Silizium hat genug Raumtemperatur, damit thermische Schwingungen des Kristalls kovalente Bindungen aufbrechen und freie Ladungsträger bilden können - Löcher und Elektronen.
Halbleiter und Dielektrika
Die charakteristischen Werte der Bandlücke in Halbleitern betragen 0,1–4 eV. Kristalle mit einer Bandlücke von mehr als 4 eV werden üblicherweise als Dielektrika bezeichnet.
Halbleiter vom p- und n-Typ
Das alles ist faszinierend, aber es wäre ziemlich nutzlos, ohne
mit Verunreinigungen zu
dotieren .
Wenn das Atom des Kristallgitters aus vierwertigem Silizium oder Germanium durch das fünfwertige Atom des Elements der Gruppe V des Periodensystems ersetzt wird, sind die vier Valenzelektronen des Verunreinigungsatoms an der Bildung kovalenter Bindungen beteiligt. Das fünfte Elektron ist nicht an der Bildung kovalenter Bindungen beteiligt, es ist schwach an den Kern gebunden und kann daher leicht in das Leitungsband gelangen und ein
freier Ladungsträger werden , während ein
festes, positiv geladenes Ion zurückbleibt . Eine solche Verunreinigung wird als Donor bezeichnet, und der resultierende Halbleiter wird als
n-Halbleiter (negativ) bezeichnet.
Wenn das Atom des Kristallgitters aus vierwertigem Silizium oder Germanium durch ein dreiwertiges Element ersetzt wird, kann es nur 3 der 4 kovalenten Bindungen im Gitter bilden, da es ein Elektron aus einer anderen kovalenten Bindung benötigt, um die vierte zu bilden. In einer solchen Kombination wird eine freie Stelle gebildet - ein bewegliches positiv geladenes Loch, und gleichzeitig verbleibt ein
festes negativ geladenes Verunreinigungsion. Eine solche Verunreinigung wird
Akzeptor genannt und der resultierende Halbleiter -
p-Halbleiter (positiv).
Ich mache Sie darauf aufmerksam, dass ein
intrinsischer Halbleiter, ein n- oder ein p-Halbleiter elektrisch neutral sind und eine gleiche Anzahl positiver und negativer Ladungen aufweisen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei dotierten Halbleitern die "Spiegel" -Ladungen zu Elektronen und Löchern feste Verunreinigungsionen sind, die fest im Kristallgitter sitzen. In einem undotierten Halbleiter ist die Anzahl der freien Elektronen gleich der Anzahl der Löcher, während in einem dotierten Halbleiter (zum Beispiel einem Donor) die Anzahl der Elektronen die Anzahl der Löcher überschreitet, da die meisten von ihnen durch feste Verunreinigungsionen ersetzt werden.
Diode
Wenn wir nun einen n-Halbleiter mit einem p-Halbleiter verbinden, erhalten wir eine Diode. Eine echte Diode hat übrigens wenig mit ihrem schematischen Bild zu tun, aber das ist eine andere Geschichte.
Überlegen Sie, was an der Grenze von Halbleitern passiert. Der n-Halbleiter hat eine hohe Elektronenkonzentration und der p-Halbleiter ist niedrig. Elektronen beginnen sich wie Gas von einer Region mit hoher Konzentration zu einer Region mit einer niedrigeren zu bewegen (zu diffundieren).
Löcher von einem p-Halbleiter reichen ebenfalls aus.
Aufgrund von Verschiebungen entsteht aufgrund des Konzentrationsgradienten der Ladungsträger ein
Diffusionsstrom . Beim Überqueren der Grenze setzen mobile Ladungsträger unbewegliche Verunreinigungsionen frei, die ein "stoppendes", entgegengesetzt gerichtetes Feld erzeugen oder auf andere Weise den
Driftstrom kompensieren.
In Abwesenheit eines externen Feldes gleichen sich diese Ströme aus. Wenn das externe Feld in der Richtung angelegt wird, kompensiert es das Feld der stationären Ionen und öffnet den Dämpfer für den Diffusionsstrom.
Wenn das Feld in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, verstärkt es nur den Driftstrom, der im Vergleich zum Diffusionsstrom vernachlässigbar ist.
So erhalten wir ein Element, das Strom in die eine und nicht in die andere Richtung leitet.
Widerstands-Dioden-Logik
Da es sich um digitale Technologie handelt, stellen wir fest, dass es mit Hilfe einer Diode bereits möglich ist, die logischen Elemente
AND und
OR zu realisieren:
Um jedoch ein
funktional vollständiges System logischer Funktionen zu erstellen, auf dessen Grundlage Sie jede logische Funktion erhalten können, können wir nicht auf das Element
NOT verzichten .
Um dieses Element zu erzeugen, benötigen wir einen Transistor.
Transistor
Tatsächlich ist ein Transistor eine Schaltung aus zwei Dioden, die in die entgegengesetzte Richtung geschaltet sind. Wenn an der mittleren Elektrode (Basis) keine Spannung anliegt, fließt kein Strom zwischen den anderen Elektroden.
Nachdem wir die Potentialdifferenz zwischen dem Emitter (Elektrode mit einer erhöhten Konzentration an Ladungsträgern) und der dünnen Basis erzeugt haben, erzeugen wir einen Strom von Minoritätsladungsträgern vom Emitter zur Basis und im Fall eines pnp-Transistors Löcher.
Da die Konzentration der Löcher im Emitter erhöht ist und die Basis dünn ist, ist ihr Volumen mit Löchern gefüllt und es wandelt sich von einem Halbleiter vom n-Typ zu einem Halbleiter vom p-Typ, der den Emitter und den Kollektor verbindet.
Wechselrichter
Nachdem wir den npn-Transistor wie folgt angeschlossen haben, erhalten wir einen Wechselrichter: Wenn sich an der Basis ein log 1 befindet, öffnet der Transistor und verbindet den Ausgang mit Masse - log 0. Wenn sich an der Basis ein log 0 befindet - ist der Transistor verriegelt und der Ausgang wird an power - log 1 gezogen.
Auf diese Weise erhalten wir einen spannungsgesteuerten elektronischen Schlüssel, mit dem Sie ein logisches Element
NICHT und folglich ein funktional vollständiges System logischer Funktionen erstellen können.
In diesem Sinne enden wir mit Physik, Elektronen und Löchern: Wir haben alles, was wir brauchen, um ein Computergerät zu erstellen.
Wie logische Elemente Anweisungen berechnen, auswendig lernen und ausführen, wird im nächsten Artikel beschrieben.
Schwarzer Freitag 2017 - VDS in Moskau und Amsterdam