Kita semua tahu dari pelajaran ilmu komputer bahwa informasi di dalam komputer ditransmisikan menggunakan nol dan yang, tetapi ternyata sebagian besar orang IT saya berkomunikasi dengan (dan yang cukup bagus!) Punya sedikit ide tentang bagaimana, bagaimanapun, komputer bekerja.
Bagaimana membuat pasir melakukan apa yang kita inginkan darinya?Bagi kebanyakan orang, pengetahuan tentang perangkat komputer berakhir pada tingkat elemen penyusunnya - prosesor, kartu video, RAM ... Tetapi apa yang sebenarnya terjadi di dalam kotak hitam setelah daya diterapkan adalah sihir. Dalam artikel ini (kemungkinan besar, bahkan serangkaian artikel) saya akan mencoba menjelaskan dalam bahasa sederhana bagaimana segi empat misterius ini disusun.
Merakit komputer dari atom
Kita akan memulai jalur pengetahuan dari hampir tingkat abstraksi terendah - dari tingkat atom. Kita semua tahu bahwa hampir semua elektronik didasarkan pada silikon, tetapi mengapa silikon?
Dalam cara yang baik Anda perlu mengambil kursus penuh perangkat semikonduktor, tetapi saya akan menguraikan poin mendasar yang akan memungkinkan Anda untuk melihat gambaran yang lebih terstruktur dan jelas tentang apa yang terjadi.
Tingkat orbit dan energi
Misalnya, ambil atom - hidrogen paling sederhana. Inti hidrogen terdiri dari satu proton dan hanya memiliki satu elektron, yang (disederhanakan untuk kejelasan presentasi) berputar dalam orbit melingkar.
Alih-alih, akan dikatakan bahwa orbitnya tidak melingkar, tetapi berbentuk bulat, yaitu elektron yang menciptakan
kulit di sekitar nukleus. Menurut
Prinsip Pauli , tidak lebih dari dua elektron dapat berputar dalam satu orbit seperti itu dalam atom. Orbit tidak hanya berbentuk bola (yang disebut orbital S), tetapi juga, misalnya, berbentuk halter (orbital P).
Orbit membentuk
sublevel : misalnya, dua orbital S membentuk sub-level S yang dapat menampung dua elektron; tiga orbital P membentuk sub-tingkat P, ia sudah dapat memuat 6 elektron karena pengaturan orbital yang saling tegak lurus di ruang angkasa. Pada sublevel orbital dengan bentuk yang lebih kompleks, sejumlah besar elektron dapat ditempatkan (D, F, G, H, I - sublevel masing-masing mengandung 10, 14, 18, 22, 26 elektron).
Semakin kompleks bentuk kulit dan semakin jauh elektron dari nukleus, semakin besar energinya. Gambar di sebelah kanan menunjukkan contoh tingkat energi yang dapat ditempati elektron dalam
satu atom tunggal .
Dua kata terakhir disorot karena suatu alasan: ketika atom tetangga muncul, gambar berubah.
Misalnya, jika kita mulai menyatukan dua atom hidrogen, maka sistem, seperti yang Anda tahu, akan cenderung meminimalkan energi. Oleh karena itu, untuk menggabungkan dua atom hidrogen yang terpisah menjadi molekul H2, ini harus bermanfaat secara energi!
Dan, memang, tingkat energi elektron masing-masing atom terbelah, membentuk dua sublevel - bagian atas dan bawah, yang menjadi umum bagi
molekul hidrogen yang sekarang. Seperti yang Anda lihat, sublevel yang lebih rendah memiliki energi lebih sedikit daripada dalam atom hidrogen tunggal, sehingga elektron menempati dan membentuk molekul, menyatukan inti, seperti tali.
Atom dalam kristal
Jika kita terus meningkatkan jumlah atom tetangga, maka di dalam nilai energi ekstrem dari tingkat pemisahan, dua atom tetangga akan memiliki keadaan energi baru (dalam bentuk struktur halus tambahan). Dengan jumlah atom tetangga yang cukup besar (yaitu, dalam kristal zat), keadaan diskrit yang diizinkan bergabung menjadi "pita"
—ini adalah pita valensi, pita konduksi, dan pita terlarang yang akrab bagi banyak orang.
Operator dan Konduktivitas
Elektron yang memiliki energi dalam pita valensi tidak berpartisipasi dalam transfer muatan melalui kristal: mereka dengan kuat "duduk" dalam ikatan, dan agar elektron bergerak di sekitar kristal, ia perlu mengambil tingkat energi yang lebih tinggi. Ini dapat dilakukan dengan memberinya energi melebihi celah pita. Dalam hal ini, ikatan kovalen rusak, dan tempat kosong tetap berada di pita valensi - sebuah "lubang" bermuatan positif.
Silikon memiliki suhu ruang yang cukup untuk getaran termal kristal untuk memutus ikatan kovalen, membentuk pembawa muatan gratis - lubang dan elektron.
Semikonduktor dan Dielektrik
Nilai karakteristik celah pita pada semikonduktor adalah 0,1-4 eV. Kristal dengan celah pita lebih dari 4 eV biasanya disebut sebagai dielektrik.
Semikonduktor tipe p dan n
Semua ini menarik, tetapi akan lebih berguna tanpa
doping dengan pengotor.
Jika atom kisi kristal silikon tetravalen atau germanium digantikan oleh atom pentavalen dari elemen grup V dari tabel periodik, maka empat elektron valensi dari atom pengotor akan terlibat dalam pembentukan ikatan kovalen. Elektron kelima tidak berpartisipasi dalam pembentukan ikatan kovalen, ia lemah terikat pada nukleus dan karena itu dapat dengan mudah masuk ke pita konduksi dan menjadi
pembawa muatan bebas , sambil meninggalkan
ion yang tetap dan bermuatan positif . Pengotor semacam itu disebut donor, dan semikonduktor yang dihasilkan disebut
semikonduktor tipe-n (negatif).
Jika atom kisi kristal silikon tetravalen atau germanium digantikan oleh elemen trivalen, ia hanya dapat membentuk 3 dari 4 ikatan kovalen dalam kisi, karena akan membutuhkan elektron dari ikatan kovalen lain untuk membentuk yang keempat. Dalam kombinasi seperti itu, tempat yang kosong terbentuk - lubang bergerak yang bermuatan positif, dan pada saat yang sama
ion pengotor yang
tetap bermuatan negatif tetap ada. Pengotor semacam itu disebut
akseptor , dan semikonduktor yang dihasilkan -
semikonduktor tipe-p (positif).
Saya menarik perhatian Anda pada fakta bahwa
semikonduktor intrinsik, semikonduktor tipe-n atau tipe-p adalah netral secara listrik dan memiliki jumlah muatan positif dan negatif yang sama. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa dalam semikonduktor yang diolah, muatan "cermin" untuk elektron dan lubang adalah ion pengotor tetap yang berada di kisi kristal. Dalam semikonduktor yang tidak didoping, jumlah elektron bebas sama dengan jumlah lubang, sedangkan dalam semikonduktor yang didoping (misalnya, donor), jumlah elektron melebihi jumlah lubang, karena kebanyakan dari mereka digantikan oleh ion pengotor tetap.
Diode
Jika sekarang kita menghubungkan semikonduktor tipe-n dengan semikonduktor tipe-p, kita mendapatkan dioda. Omong-omong, dioda sungguhan memiliki sedikit kesamaan dengan gambar skematiknya, tetapi ini adalah cerita lain.
Pertimbangkan apa yang terjadi pada batas semikonduktor. N-semikonduktor memiliki konsentrasi elektron yang tinggi, dan p-semikonduktornya rendah. Elektron, seperti gas, mulai bergerak (berdifusi) dari suatu daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan yang lebih rendah.
Lubang-lubang dari p-semikonduktor akan melakukan hal yang sama.
Karena perpindahan,
arus difusi muncul karena gradien konsentrasi pembawa muatan. Melintasi perbatasan, operator muatan seluler mengekspos ion pengotor yang tidak bergerak, yang menciptakan medan "berhenti", berlawanan arah atau, sebaliknya, mengkompensasi
arus drift .
Dengan tidak adanya medan eksternal, arus ini saling menyeimbangkan. Jika medan eksternal diterapkan ke arah itu, ia mengompensasi medan ion stasioner dan membuka peredam untuk arus difusi.
Jika bidang diterapkan dalam arah yang berlawanan, itu hanya memperkuat arus drift, yang dapat diabaikan dibandingkan dengan arus difusi.
Dengan demikian, kita mendapatkan elemen yang melakukan arus dalam satu arah dan tidak melakukan yang lain.
Logika Resistor-Dioda
Karena kita berbicara tentang teknologi digital, kami mencatat bahwa dengan bantuan dioda sudah dimungkinkan untuk mewujudkan elemen logis
DAN dan
ATAU :
Tetapi untuk membuat sistem fungsi logis yang
lengkap secara fungsional, atas dasar di mana Anda bisa mendapatkan fungsi logis apa pun, kita tidak bisa melakukannya tanpa elemen
TIDAK .
Untuk membuat elemen ini, kita membutuhkan transistor.
Transistor
Sebenarnya, transistor adalah rangkaian dua dioda yang terhubung dengan arah yang berlawanan. Dengan tidak adanya tegangan di elektroda tengah (basis), arus tidak mengalir di antara elektroda lainnya.
Setelah menciptakan perbedaan potensial antara emitor (elektroda dengan peningkatan konsentrasi pembawa muatan) dan basis tipis, kami membuat aliran pembawa muatan minoritas dari emitor ke basis, dan dalam kasus transistor pnp, lubang.
Karena konsentrasi lubang dalam emitor meningkat dan dasarnya tipis, volumenya dipenuhi dengan lubang, dan itu berubah dari semikonduktor tipe-n menjadi semikonduktor tipe-p, yang menghubungkan emitor dan kolektor.
Inverter
Setelah menghubungkan transistor npn sebagai berikut, kami mendapatkan inverter: jika ada log 1 di pangkalan, transistor membuka dan menghubungkan output ke ground - log 0. Jika ada log 0 di pangkalan - transistor dikunci dan output ditarik ke daya - log 1.
Dengan demikian, kami memperoleh kunci elektronik yang dikendalikan tegangan yang memungkinkan Anda membuat elemen logis
BUKAN , dan, akibatnya, sistem fungsi logis yang lengkap secara fungsional.
Pada catatan ini, kita diakhiri dengan fisika, elektron, dan lubang: kita memiliki semua yang kita butuhkan untuk membuat perangkat komputasi.
Cara membuat elemen logika menghitung, menghafal, dan menjalankan instruksi dijelaskan di artikel selanjutnya.
Black Friday 2017 - VDS di Moskow dan Amsterdam