Nous savons tous, grâce aux cours d'informatique, que les informations à l'intérieur d'un ordinateur sont transmises à l'aide de zéros et de uns, mais il s'est avéré que la plupart des informaticiens avec lesquels je communique (et de très bonnes personnes!) Ont peu d'idée du fonctionnement de l'ordinateur.
Comment faire en sorte que le sable en fasse ce que nous voulons?Pour la plupart des gens, la connaissance d'un appareil informatique se termine au niveau de ses éléments constitutifs - un processeur, une carte vidéo, de la RAM ... Mais ce qui se passe exactement à l'intérieur de ces rectangles noirs après la mise sous tension est magique. Dans cet article (très probablement, même une série d'articles), j'essaierai d'expliquer en langage simple comment ces mystérieux rectangles sont organisés.
Assemblage d'un ordinateur à partir d'atomes
Nous allons commencer le chemin de la connaissance à partir du niveau d'abstraction presque le plus bas - à partir du niveau des atomes. Nous savons tous que presque tous les appareils électroniques sont à base de silicium, mais pourquoi le silicium?
Dans le bon sens, vous devez suivre un cours complet de dispositifs semi-conducteurs, mais je vais décrire les points fondamentaux qui vous permettront de voir une image plus structurée et claire de ce qui se passe.
Orbitales et niveaux d'énergie
Par exemple, prenez l'atome le plus simple - l'hydrogène. Le noyau d'hydrogène se compose d'un proton et il n'a qu'un seul électron, qui (simplifié pour la clarté de la présentation) tourne sur une orbite circulaire.
On dira plutôt que l'orbite n'est pas circulaire, mais sphérique, c'est-à-dire que l'électron crée une
coquille autour du noyau. Selon
le principe de Pauli , pas plus de deux électrons peuvent tourner sur une telle orbite dans un atome. Les orbitales sont non seulement de forme sphérique (les soi-disant orbitales S), mais aussi, par exemple, en forme d'haltère (orbitales P).
Les orbitales forment des sous-
niveaux : par exemple, deux orbitales S forment un sous-niveau S pouvant accueillir deux électrons; trois P-orbitales forment un sous-niveau P, il peut déjà contenir 6 électrons en raison de la disposition mutuellement perpendiculaire des orbitales dans l'espace. Sur les sous-niveaux d'orbitales de forme plus complexe, un plus grand nombre d'électrons peut être placé (D, F, G, H, I - les sous-niveaux contiennent respectivement 10, 14, 18, 22, 26 électrons).
Plus la forme de la coquille est complexe et plus l'électron du noyau est éloigné, plus son énergie est élevée. L'image de droite montre un exemple des niveaux d'énergie qu'un électron peut occuper dans un
seul atome .
Les deux derniers mots sont mis en évidence pour une raison: lorsque des atomes voisins apparaissent, l'image change.
Par exemple, si nous commençons à réunir deux atomes d'hydrogène, le système, comme vous le savez, aura tendance à minimiser l'énergie. Par conséquent, pour combiner deux atomes d'hydrogène séparés en une molécule H2, cela devrait être énergétiquement bénéfique!
Et, en effet, les niveaux d'énergie des électrons de chaque atome sont divisés, formant deux sous-niveaux - supérieur et inférieur, qui deviennent communs à la
molécule d' hydrogène. Comme vous pouvez le voir, le sous-niveau inférieur a moins d'énergie que dans un seul atome d'hydrogène, donc les électrons l'occupent et forment une molécule, rassemblant les noyaux, comme des sangles.
Atomes dans un cristal
Si nous continuons d'augmenter le nombre d'atomes voisins, alors à l'intérieur des valeurs énergétiques extrêmes des niveaux divisés, deux atomes voisins auront de nouveaux états d'énergie (sous la forme d'une structure fine supplémentaire). Avec un nombre suffisamment important d'atomes voisins (c'est-à-dire dans le cristal d'une substance), les états autorisés discrets fusionnent en «bandes»
- ce sont la bande de valence, la bande de conduction et la bande interdite qui sont familières à beaucoup.
Porteurs et conductivité
Les électrons ayant de l'énergie dans la bande de valence ne participent pas au transfert de charge à travers le cristal: ils "s'assoient" fermement dans les liaisons, et pour qu'un électron se déplace autour du cristal, il doit prendre un niveau d'énergie plus élevé. Cela peut être fait en lui donnant une énergie dépassant la bande interdite. Dans ce cas, la liaison covalente est rompue et une place vide reste dans la bande de valence - un «trou» chargé positivement.
Le silicium a suffisamment de température ambiante pour que les vibrations thermiques du cristal rompent les liaisons covalentes, formant des porteurs de charge gratuits - des trous et des électrons.
Semi-conducteurs et diélectriques
Les valeurs caractéristiques de la bande interdite dans les semi-conducteurs sont de 0,1 à 4 eV. Les cristaux avec une bande interdite supérieure à 4 eV sont généralement appelés diélectriques.
Semi-conducteurs de type p et n
Tout cela est fascinant, mais ce serait plutôt inutile sans
dopage aux impuretés.
Si l'atome du réseau cristallin du silicium tétravalent ou du germanium est remplacé par l'atome pentavalent de l'élément du groupe V du tableau périodique, alors les quatre électrons de valence de l'atome d'impureté seront impliqués dans la formation de liaisons covalentes. Le cinquième électron ne participe pas à la formation de liaisons covalentes, il est faiblement lié au noyau et peut donc facilement entrer dans la bande de conduction et devenir un
porteur de charge libre , tout en laissant un
ion fixe, chargé positivement . Une telle impureté est appelée donneur, et le semi-conducteur résultant est appelé
semi-conducteur de type n (négatif).
Si l'atome du réseau cristallin de silicium tétravalent ou de germanium est remplacé par un élément trivalent, il ne pourra former que 3 des 4 liaisons covalentes dans le réseau, car il faudra un électron d'une autre liaison covalente pour former le quatrième. Dans une telle combinaison, un endroit vide est formé - un trou mobile chargé positivement, et en même temps un
ion d' impureté
chargé négativement reste. Une telle impureté est appelée
accepteur , et le semi-conducteur résultant - semi
-conducteur de type p (positif).
J'attire votre attention sur le fait qu'un
semi-conducteur intrinsèque, un semi-conducteur de type n ou de type p sont électriquement neutres et ont un nombre égal de charges positives et négatives. La seule différence est que dans les semi-conducteurs dopés, les charges «miroir» aux électrons et aux trous sont des ions d'impuretés fixes qui reposent fermement dans le réseau cristallin. Dans un semi-conducteur non dopé, le nombre d'électrons libres est égal au nombre de trous, tandis que dans un semi-conducteur dopé (par exemple, un donneur), le nombre d'électrons dépasse le nombre de trous, car la plupart d'entre eux sont remplacés par des ions d'impuretés fixes.
Diode
Si nous connectons maintenant un semi-conducteur de type n avec un semi-conducteur de type p, nous obtenons une diode. Soit dit en passant, une vraie diode n'a pas grand chose en commun avec son image schématique, mais c'est une autre histoire.
Considérez ce qui se passe à la frontière des semi-conducteurs. Le n-semi-conducteur a une concentration élevée en électrons et le p-semi-conducteur est faible. Les électrons, comme le gaz, commencent à se déplacer (diffuser) d'une région à forte concentration vers une région à faible concentration.
Les trous d'un semi-conducteur p feront de même.
En raison des déplacements, un
courant de diffusion apparaît en raison du gradient de concentration des porteurs de charge. Traversant la frontière, les porteurs de charges mobiles exposent les ions d'impuretés immobiles, qui créent un «arrêt», un champ dirigé de façon opposée ou, sinon, compensant le
courant de dérive .
En l'absence de champ extérieur, ces courants s'équilibrent. Si le champ externe est appliqué dans la direction, il compense le champ des ions stationnaires et ouvre l'amortisseur pour le courant de diffusion.
Si le champ est appliqué en sens inverse, il n'amplifie que le courant de dérive, ce qui est négligeable par rapport au courant de diffusion.
Ainsi, nous obtenons un élément qui conduit le courant dans un sens et ne conduit pas dans l'autre.
Logique résistance-diode
Puisque nous parlons de technologie numérique, nous notons qu'à l'aide d'une diode, il est déjà possible de réaliser les éléments logiques
ET et
OU :
Mais pour créer un système
fonctionnel complet de fonctions logiques, sur la base duquel vous pouvez obtenir n'importe quelle fonction logique, nous ne pouvons pas nous passer de l'élément
NOT .
Pour créer cet élément, nous avons besoin d'un transistor.
Transistor
En fait, un transistor est un circuit de deux diodes connectées en sens inverse. En l'absence de tension à l'électrode centrale (base), le courant ne circule pas entre les autres électrodes.
En créant une différence de potentiel entre l'émetteur (une électrode avec une concentration accrue de porteurs de charge) et une base mince, nous créons un flux de porteurs de charge minoritaires de l'émetteur à la base, et dans le cas d'un transistor pnp, des trous.
Étant donné que la concentration des trous dans l'émetteur augmente et que la base est mince, son volume est rempli de trous, et il passe d'un semi-conducteur de type n à un semi-conducteur de type p, reliant l'émetteur et le collecteur.
Onduleur
Après avoir connecté le transistor npn comme suit, nous obtenons un inverseur: s'il y a un log 1 sur la base, le transistor s'ouvre et connecte la sortie à la masse - log 0. S'il y a un log 0 sur la base - le transistor est verrouillé et la sortie est tirée à l'alimentation - log 1.
Ainsi, nous obtenons une clé électronique commandée en tension qui vous permet de créer un élément logique
NON , et, par conséquent, un système fonctionnel complet de fonctions logiques.
Sur cette note, nous terminons avec la physique, les électrons et les trous: nous avons tout ce dont nous avons besoin pour créer un appareil informatique.
Comment faire pour que les éléments logiques calculent, mémorisent et exécutent des instructions est décrit dans l'article suivant.
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