रेत से कंप्यूटर तक। भाग 1. परमाणु और ट्रांजिस्टर

हम सभी कंप्यूटर विज्ञान के पाठों से जानते हैं कि एक कंप्यूटर के अंदर जानकारी शून्य और लोगों का उपयोग करके प्रेषित की जाती है, लेकिन यह पता चला है कि जिन आईटी लोगों के साथ मैं संवाद करता हूं (और बहुत अच्छे हैं!), उनके बारे में बहुत कम विचार है, फिर भी, कंप्यूटर काम करता है।

रेत कैसे बनाते हैं जो हम उससे चाहते हैं?

अधिकांश लोगों के लिए, कंप्यूटर के उपकरण का ज्ञान उसके घटक तत्वों के स्तर पर समाप्त होता है - एक प्रोसेसर, एक वीडियो कार्ड, रैम ... लेकिन शक्ति लागू होने के बाद इन काले आयतों के अंदर वास्तव में क्या होता है जादू है। इस लेख में (सबसे अधिक संभावना है, यहां तक ​​कि लेखों की एक श्रृंखला) मैं सरल भाषा में यह समझाने की कोशिश करूंगा कि इन रहस्यमय आयतों की व्यवस्था कैसे की जाती है।

परमाणुओं से कंप्यूटर को असेंबल करना

हम ज्ञान के मार्ग को अमूर्त के लगभग निम्नतम स्तर - परमाणुओं के स्तर से शुरू करेंगे। हम सभी जानते हैं कि लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक्स सिलिकॉन पर आधारित हैं, लेकिन सिलिकॉन क्यों?
एक अच्छे तरीके से आपको सेमीकंडक्टर उपकरणों का पूरा कोर्स करने की आवश्यकता है, लेकिन मैं उन मूलभूत बिंदुओं को रेखांकित करूंगा जो आपको एक अधिक संरचित और स्पष्ट तस्वीर देखने की अनुमति देंगे कि क्या हो रहा है।

ऑर्बिटल्स और ऊर्जा स्तर

उदाहरण के लिए, सबसे सरल परमाणु - हाइड्रोजन लें। हाइड्रोजन नाभिक में एक प्रोटॉन होता है और इसमें केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है, जो (प्रस्तुति की स्पष्टता के लिए सरलीकृत) एक गोलाकार कक्षा में घूमता है।

बल्कि, यह कहा जाएगा कि कक्षा गोलाकार नहीं है, लेकिन गोलाकार है, अर्थात, इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर एक खोल बनाता है। पाउली सिद्धांत के अनुसार, दो से अधिक इलेक्ट्रॉन एक परमाणु में एक ऐसी कक्षा में नहीं घूम सकते हैं। ऑर्बिटल्स न केवल आकार में (तथाकथित एस-ऑर्बिटल्स) गोलाकार हैं, बल्कि उदाहरण के लिए, डंबल-आकार (पी-ऑर्बिटल्स) भी हैं।

ऑर्बिटल्स सुबल बनाते हैं: उदाहरण के लिए, दो S- ऑर्बिटल्स एक S-sublevel बनाते हैं जो दो इलेक्ट्रॉनों को समायोजित कर सकते हैं; तीन पी-ऑर्बिटल्स एक पी-सुबल बनाते हैं, यह अंतरिक्ष में ऑर्बिटल्स की पारस्परिक रूप से लंबवत व्यवस्था के कारण पहले से ही 6 इलेक्ट्रॉनों को फिट कर सकता है। अधिक जटिल आकार के ऑर्बिटल्स के sublevels पर, बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनों को रखा जा सकता है (D, F, G, H, I - sublevels में क्रमशः 10, 14, 18, 22, 26 इलेक्ट्रॉन होते हैं)।
खोल जितना अधिक जटिल होता है और नाभिक से इलेक्ट्रॉन को दूर करता है, उसकी ऊर्जा उतनी ही अधिक होती है। दाईं ओर की तस्वीर ऊर्जा के स्तर का एक उदाहरण दिखाती है कि एक इलेक्ट्रॉन एक परमाणु में रह सकता है ।

अंतिम दो शब्दों को एक कारण के लिए हाइलाइट किया गया है: जब पड़ोसी परमाणु दिखाई देते हैं, तो तस्वीर बदल जाती है। उदाहरण के लिए, यदि हम दो हाइड्रोजन परमाणुओं को एक साथ लाना शुरू करते हैं, तो सिस्टम, जैसा कि आप जानते हैं, ऊर्जा को कम करने की प्रवृत्ति होगी। इसलिए, एक एच 2 अणु में दो अलग-अलग हाइड्रोजन परमाणुओं को संयोजित करने के लिए, यह ऊर्जावान रूप से फायदेमंद होना चाहिए!

और, वास्तव में, प्रत्येक परमाणु के इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा स्तर विभाजित होता है, जिससे दो उपजीवन बनते हैं - ऊपरी और निचले, जो अब हाइड्रोजन अणु के लिए सामान्य हो जाते हैं। जैसा कि आप देख सकते हैं, एक एकल हाइड्रोजन परमाणु की तुलना में कम उपजीवन में कम ऊर्जा होती है, इसलिए इलेक्ट्रॉनों इस पर कब्जा कर लेते हैं और एक अणु बनाते हैं, नाभिक को एक साथ खींचते हैं, जैसे कि पट्टियाँ।

एक क्रिस्टल में परमाणु

यदि हम पड़ोसी परमाणुओं की संख्या में वृद्धि करना जारी रखते हैं, तो विभाजित स्तरों के चरम ऊर्जा मूल्यों के अंदर, दो पड़ोसी परमाणुओं में नई ऊर्जा अवस्थाएं होंगी (एक अतिरिक्त ठीक संरचना के रूप में)। पर्याप्त संख्या में पड़ोसी परमाणुओं (जो एक पदार्थ के क्रिस्टल में हैं) के साथ, असतत अनुमति वाले राज्यों को "बैंड" में विलय कर दिया जाता है - ये वैलेंस बैंड, चालन बैंड और निषिद्ध बैंड हैं जो कई से परिचित हैं।

वाहक और चालकता

वैलेंस बैंड में ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों क्रिस्टल के माध्यम से चार्ज ट्रांसफर में भाग नहीं लेते हैं: वे मजबूती से बांड में "बैठते हैं", और एक इलेक्ट्रॉन को क्रिस्टल के चारों ओर घूमने के लिए, इसे एक उच्च ऊर्जा स्तर लेने की आवश्यकता होती है। यह उसे बैंड गैप से अधिक ऊर्जा देकर किया जा सकता है। इस मामले में, सहसंयोजक बंधन टूट गया है, और एक खाली जगह वैलेंस बैंड में बनी हुई है - एक सकारात्मक रूप से चार्ज किया गया "छेद"।

सिलिकॉन में सहसंयोजक बंधनों को तोड़ने के लिए क्रिस्टल के थर्मल कंपन के लिए पर्याप्त कमरे का तापमान होता है, जिससे मुक्त आवेश वाहक - छिद्र और इलेक्ट्रॉन बनते हैं।

अर्धचालक और आलाप

सेमीकंडक्टर्स में बैंड गैप के विशिष्ट मूल्य 0.1-4 ईवी हैं। 4 से अधिक eV के बैंड गैप वाले क्रिस्टल को आमतौर पर डाइलेट्रिक्स के रूप में संदर्भित किया जाता है।

अर्धचालक p- और n- प्रकार

यह सब आकर्षक है, लेकिन यह अशुद्धियों के साथ डोपिंग के बिना बेकार होगा।

यदि आवर्त सारणी के समूह V के तत्व के पेंटावैलेंट परमाणु के स्थान पर टेट्रावैलेंट सिलिकॉन या जर्मेनियम के क्रिस्टल जाली का परमाणु है, तो अशुद्धता परमाणु के चार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को सहसंयोजक बंधन के निर्माण में शामिल किया जाएगा। पांचवां इलेक्ट्रॉन सहसंयोजक बंधनों के निर्माण में भाग नहीं लेता है, यह कमजोर रूप से नाभिक से जुड़ा होता है और इसलिए आसानी से चालन बैंड में जा सकता है और एक निश्चित, सकारात्मक चार्ज आयन को छोड़ते हुए, नि: शुल्क चार्ज वाहक बन सकता है। इस तरह की अशुद्धता को एक दाता कहा जाता है, और परिणामस्वरूप अर्धचालक को एक एन-प्रकार अर्धचालक (नकारात्मक) कहा जाता है।

यदि टेट्रावेलेंट सिलिकॉन या जर्मेनियम के क्रिस्टल जाली के परमाणु को एक त्रिमुखी तत्व द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, तो यह जाली में 4 सहसंयोजक बंधों में से केवल 3 को बनाने में सक्षम होगा, क्योंकि इसे चौथे को बनाने के लिए दूसरे सहसंयोजक बंधन में एक इलेक्ट्रॉन की आवश्यकता होगी। इस तरह के संयोजन में, एक खाली जगह बनाई जाती है - एक मोबाइल सकारात्मक चार्ज छेद, और एक ही समय में एक निश्चित नकारात्मक आवेग चार्ज रहता है। इस तरह की अशुद्धता को स्वीकारकर्ता कहा जाता है, और परिणामस्वरूप अर्धचालक - पी-प्रकार अर्धचालक (सकारात्मक)।

मैं इस तथ्य पर आपका ध्यान आकर्षित करता हूं कि एक आंतरिक सेमीकंडक्टर, एक एन-टाइप या पी-टाइप सेमीकंडक्टर विद्युत रूप से तटस्थ हैं और इनमें समान और सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज हैं। एकमात्र अंतर यह है कि डोप किए गए अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के लिए "दर्पण" आवेशित अशुद्धता आयन होते हैं जो क्रिस्टल जाली में मजबूती से बैठते हैं। एक अघोषित अर्धचालक में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या छिद्रों की संख्या के बराबर होती है, जबकि एक डोप किए गए अर्धचालक (उदाहरण के लिए, एक दाता) में, इलेक्ट्रॉनों की संख्या छिद्रों की संख्या से अधिक होती है, क्योंकि उनमें से अधिकांश को अशुद्धता आयनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।

डायोड

यदि हम अब एक n- टाइप सेमीकंडक्टर को P-टाइप सेमीकंडक्टर से जोड़ते हैं, तो हमें एक डायोड मिलता है। वैसे, एक वास्तविक डायोड अपनी योजनाबद्ध छवि के साथ बहुत कम है, लेकिन यह एक और कहानी है।

विचार करें कि अर्धचालक की सीमा पर क्या होता है। एन-सेमीकंडक्टर में एक उच्च इलेक्ट्रॉन सांद्रता है, और पी-अर्धचालक कम है। इलेक्ट्रॉनों, जैसे गैस, एक क्षेत्र से एक उच्च एकाग्रता के साथ एक कम क्षेत्र के साथ स्थानांतरित करना (फैलाना) शुरू करते हैं।

पी-सेमीकंडक्टर से छेद इसी तरह करेंगे।

विस्थापन के कारण आवेश वाहकों की सांद्रता प्रवणता के कारण एक विसरण धारा उत्पन्न होती है। सीमा पार करते हुए, मोबाइल चार्ज वाहक इमोबेल अशुद्धता आयनों को उजागर करते हैं, जो एक "रोक" बनाते हैं, विरोध में निर्देशित क्षेत्र या, अन्यथा, बहाव चालू के लिए क्षतिपूर्ति करते हैं।

बाहरी क्षेत्र की अनुपस्थिति में, ये धाराएँ एक दूसरे को संतुलित करती हैं। यदि बाहरी क्षेत्र को दिशा में लागू किया जाता है, तो यह स्थिर आयनों के क्षेत्र के लिए क्षतिपूर्ति करता है और प्रसार वर्तमान के लिए स्पंज को खोलता है।

यदि फ़ील्ड को विपरीत दिशा में लागू किया जाता है, तो यह केवल बहाव धारा को बढ़ाता है, जो प्रसार वर्तमान की तुलना में नगण्य है।

इस प्रकार, हमें एक तत्व मिलता है जो एक दिशा में वर्तमान का संचालन करता है और दूसरे में आचरण नहीं करता है।

रेसिस्टर-डायोड लॉजिक

चूँकि हम डिजिटल तकनीक के बारे में बात कर रहे हैं, हम ध्यान देते हैं कि डायोड की मदद से तार्किक तत्वों और तत्वों का एहसास पहले से ही संभव है:



लेकिन तार्किक कार्यों की एक कार्यात्मक रूप से पूर्ण प्रणाली बनाने के लिए, जिसके आधार पर आप किसी भी तार्किक कार्य को प्राप्त कर सकते हैं, हम तत्व के बिना नहीं कर सकते।



इस तत्व को बनाने के लिए, हमें एक ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है।

ट्रांजिस्टर

वास्तव में, एक ट्रांजिस्टर विपरीत दिशा में जुड़े दो डायोड का एक सर्किट होता है। मध्य इलेक्ट्रोड (बेस) पर वोल्टेज की अनुपस्थिति में, अन्य इलेक्ट्रोड के बीच वर्तमान प्रवाह नहीं होता है।

एमिटर के बीच एक संभावित अंतर (चार्ज वाहक की एक बढ़ी हुई एकाग्रता के साथ एक इलेक्ट्रोड) और एक पतली आधार बनाकर, हम एमिटर से आधार तक अल्पसंख्यक चार्ज वाहक की एक धारा बनाते हैं, और एक पीपीएन ट्रांजिस्टर, छेद के मामले में।

चूँकि एमिटर में छिद्रों की सांद्रता बढ़ जाती है और आधार पतला होता है, इसकी मात्रा छिद्रों से भरी होती है, और यह एक प्रकार के सेमीकंडक्टर से एक पी-टाइप सेमीकंडक्टर में बदल जाता है, जो एमिटर और कलेक्टर को जोड़ता है।

पलटनेवाला

निम्नानुसार ट्रांजिस्टर को कनेक्ट करने के बाद, हमें एक इन्वर्टर मिलता है: यदि बेस पर लॉग 1 है, तो ट्रांजिस्टर खुलता है और आउटपुट को जमीन से जोड़ता है - लॉग 0. यदि बेस पर लॉग 0 है - ट्रांजिस्टर लॉक है और आउटपुट को पावर - लॉग 1 में खींच लिया गया है।


इस प्रकार, हम एक वोल्टेज-नियंत्रित इलेक्ट्रॉनिक कुंजी प्राप्त करते हैं जो आपको एक तार्किक तत्व बनाने की अनुमति नहीं देता है , और, परिणामस्वरूप, तार्किक कार्यों की एक कार्यात्मक पूर्ण प्रणाली।

इस नोट पर, हम भौतिकी, इलेक्ट्रॉनों और छेदों के साथ समाप्त होते हैं: हमारे पास एक कंप्यूटिंग डिवाइस बनाने के लिए आवश्यक सब कुछ है।

कैसे तर्क तत्वों की गणना करें, याद रखें और निर्देशों को निष्पादित करें, अगले लेख में वर्णित किया गया है।


ब्लैक फ्राइडे 2017 - मॉस्को और एम्स्टर्डम में वीडीएस