Todos sabemos por las lecciones de ciencias de la computación que la información dentro de una computadora se transmite usando ceros y unos, pero resultó que la mayoría de las personas de TI con las que me comunico (¡y muy buenas!) Tienen poca idea de cómo, sin embargo, funciona la computadora.
¿Cómo hacer que la arena haga lo que queremos de ella?Para la mayoría de las personas, el conocimiento del dispositivo de una computadora termina en el nivel de sus elementos constitutivos: procesador, tarjeta de video, RAM ... Pero lo que sucede exactamente dentro de estos rectángulos negros después de que se aplica la energía es mágico. En este artículo (muy probablemente, incluso una serie de artículos) intentaré explicar en un lenguaje simple cómo están organizados estos misteriosos rectángulos.
Ensamblar una computadora a partir de átomos
Comenzaremos el camino del conocimiento desde casi el nivel más bajo de abstracción, desde el nivel de los átomos. Todos sabemos que casi todos los dispositivos electrónicos están basados en silicio, pero ¿por qué silicio?
En el buen sentido, debe tomar un curso completo de dispositivos semiconductores, pero resumiré los puntos fundamentales que le permitirán ver una imagen más estructurada y clara de lo que está sucediendo.
Orbitales y niveles de energía.
Por ejemplo, tome el átomo más simple: hidrógeno. El núcleo de hidrógeno consta de un protón y tiene un solo electrón, que (simplificado para mayor claridad de presentación) gira en una órbita circular.
Más bien, se dirá que la órbita no es circular, sino esférica, es decir, el electrón crea una
capa alrededor del núcleo. De acuerdo
con el Principio de Pauli , no más de dos electrones pueden rotar en una de esas órbitas en un átomo. Los orbitales no solo tienen forma esférica (los llamados orbitales S), sino también, por ejemplo, forma de mancuerna (orbitales P).
Los orbitales forman
subniveles : por ejemplo, dos orbitales S forman un subnivel S que puede acomodar dos electrones; tres orbitales P forman un subnivel P, ya puede caber 6 electrones debido a la disposición mutuamente perpendicular de los orbitales en el espacio. En los subniveles de orbitales de una forma más compleja, se puede colocar una mayor cantidad de electrones (D, F, G, H, I - los subniveles contienen 10, 14, 18, 22, 26 electrones, respectivamente).
Cuanto más compleja es la forma de la capa y cuanto más lejos está el electrón del núcleo, mayor es su energía. La imagen de la derecha muestra un ejemplo de los niveles de energía que un electrón puede ocupar en un
solo átomo .
Las dos últimas palabras se destacan por una razón: cuando aparecen átomos vecinos, la imagen cambia.
Por ejemplo, si comenzamos a reunir dos átomos de hidrógeno, entonces el sistema, como saben, tenderá a minimizar la energía. Por lo tanto, para combinar dos átomos de hidrógeno separados en una molécula H2, ¡esto debería ser energéticamente beneficioso!
Y, de hecho, los niveles de energía de los electrones de cada átomo se dividen, formando dos subniveles, el superior y el inferior, que se vuelven comunes a la ahora
molécula de hidrógeno. Como puede ver, el subnivel inferior tiene menos energía que en un solo átomo de hidrógeno, por lo que los electrones lo ocupan y forman una molécula, uniendo los núcleos, como correas.
Átomos en un cristal
Si continuamos aumentando el número de átomos vecinos, entonces dentro de los valores de energía extremos de los niveles divididos, dos átomos vecinos tendrán nuevos estados de energía (en forma de una estructura fina adicional). Con un número suficientemente grande de átomos vecinos (es decir, en el cristal de una sustancia), los estados permitidos discretos se fusionan en "bandas":
estas son la banda de valencia, la banda de conducción y la banda prohibida que son familiares para muchos.
Portadores y conductividad
Los electrones que tienen energía en la banda de valencia no participan en la transferencia de carga a través del cristal: se "sientan" firmemente en enlaces, y para que un electrón se mueva alrededor del cristal, necesita tomar un nivel de energía más alto. Esto se puede hacer dándole energía que exceda la brecha de banda. En este caso, el enlace covalente se rompe y queda un lugar vacante en la banda de valencia, un "agujero" cargado positivamente.
El silicio tiene suficiente temperatura ambiente para que las vibraciones térmicas del cristal rompan los enlaces covalentes, formando portadores de carga libre: agujeros y electrones.
Semiconductores y dieléctricos
Los valores característicos de la banda prohibida en semiconductores son 0.1–4 eV. Los cristales con un intervalo de banda de más de 4 eV generalmente se denominan dieléctricos.
Semiconductores tipo p y n
Todo esto es fascinante, pero sería bastante inútil sin
doparse con impurezas.
Si el átomo de la red cristalina de silicio o germanio tetravalente se reemplaza por el átomo pentavalente del elemento del grupo V de la tabla periódica, entonces los cuatro electrones de valencia del átomo de impureza estarán involucrados en la formación de enlaces covalentes. El quinto electrón no participa en la formación de enlaces covalentes, está débilmente unido al núcleo y, por lo tanto, puede entrar fácilmente en la banda de conducción y convertirse en un
portador de carga libre , mientras deja un
ion fijo y cargado positivamente . Tal impureza se llama donante, y el semiconductor resultante se llama
semiconductor de tipo n (negativo).
Si el átomo de la red cristalina de silicio o germanio tetravalente se reemplaza por un elemento trivalente, podrá formar solo 3 de los 4 enlaces covalentes en la red, ya que requerirá un electrón de otro enlace covalente para formar el cuarto. En tal combinación, se forma un lugar vacante: un orificio móvil cargado positivamente y, al mismo tiempo, queda un
ion fijo de impureza
cargado negativamente . Tal impureza se llama
aceptor , y el semiconductor resultante -
semiconductor tipo p (positivo).
Le llamo la atención sobre el hecho de que un
semiconductor intrínseco, un semiconductor tipo n o tipo p son eléctricamente neutros y tienen el mismo número de cargas positivas y negativas. La única diferencia es que en los semiconductores dopados, las cargas "espejo" a los electrones y los agujeros son iones de impurezas fijos que se asientan firmemente en la red cristalina. En un semiconductor no dopado, el número de electrones libres es igual al número de agujeros, mientras que en un semiconductor dopado (por ejemplo, un donante), el número de electrones excede el número de agujeros, ya que la mayoría de ellos son reemplazados por iones de impurezas fijos.
Diodo
Si ahora conectamos un semiconductor de tipo n con un semiconductor de tipo p, obtenemos un diodo. Por cierto, un diodo real tiene poco en común con su imagen esquemática, pero esta es otra historia.
Considere lo que sucede en el límite de los semiconductores. El n-semiconductor tiene una alta concentración de electrones, y el p-semiconductor es bajo. Los electrones, como el gas, comienzan a moverse (se difunden) desde una región con una alta concentración a una región con una más baja.
Los agujeros de un p-semiconductor harán lo mismo.
Debido a los desplazamientos, surge una
corriente de difusión debido al gradiente de concentración de los portadores de carga. Al cruzar la frontera, los operadores de carga móvil exponen los iones de impureza inmóviles, que crean un campo "detenido", dirigido de manera opuesta o, de lo contrario, compensan la
corriente de deriva .
En ausencia de un campo externo, estas corrientes se equilibran entre sí. Si el campo externo se aplica en la dirección, compensa el campo de iones estacionarios y abre el regulador para la corriente de difusión.
Si el campo se aplica en la dirección opuesta, amplifica solo la corriente de deriva, que es insignificante en comparación con la corriente de difusión.
Por lo tanto, obtenemos un elemento que conduce la corriente en una dirección y no conduce en la otra.
Lógica de diodos de resistencia
Como estamos hablando de tecnología digital, observamos que con la ayuda de un diodo ya es posible realizar los elementos lógicos
AND y
OR :
Pero para crear un sistema
funcionalmente completo de funciones lógicas, sobre la base de las cuales puede obtener cualquier función lógica, no podemos prescindir del elemento
NOT .
Para crear este elemento, necesitamos un transistor.
Transistor
De hecho, un transistor es un circuito de dos diodos conectados en la dirección opuesta. En ausencia de voltaje en el electrodo medio (base), la corriente no fluye entre los otros electrodos.
Al crear una diferencia potencial entre el emisor (un electrodo con una mayor concentración de portadores de carga) y una base delgada, creamos una corriente de portadores de carga minoritarios desde el emisor hasta la base, y en el caso de un transistor pnp, agujeros.
Como la concentración de agujeros en el emisor aumenta y la base es delgada, su volumen se llena con agujeros, y pasa de un semiconductor de tipo n a un semiconductor de tipo p, conectando el emisor y el colector.
Inversor
Después de haber conectado el transistor npn de la siguiente manera, obtenemos un inversor: si hay un registro 1 en la base, el transistor se abre y conecta la salida a tierra - registro 0. Si hay un registro 0 en la base - el transistor está bloqueado y la salida se activa - registro 1.
Por lo tanto, obtenemos una llave electrónica controlada por voltaje que le permite crear un elemento lógico
NO y, en consecuencia, un sistema funcionalmente completo de funciones lógicas.
En esta nota, terminamos con física, electrones y agujeros: tenemos todo lo que necesitamos para crear un dispositivo informático.
En el siguiente artículo se describe cómo hacer que los elementos lógicos calculen, memoricen y ejecuten instrucciones.
Black Friday 2017 - VDS en Moscú y Amsterdam