从计算机科学课程中我们都知道，计算机内部的信息是使用零和一进行传输的，但是事实证明，与我交流的大多数IT人员（以及相当好的人！）对计算机如何工作一无所知。
如何用沙子做我们想要的？对于大多数人来说，对计算机设备的了解仅限于其构成要素的层次-处理器，视频卡，RAM ...但是，通电后在这些黑色矩形内部发生的事情确实是不可思议的。 在本文（很可能甚至是一系列文章）中，我将尝试用简单的语言解释这些神秘矩形的排列方式。
从原子组装计算机
我们将从几乎最低的抽象层次-从原子层次开始知识的道路。 众所周知，几乎所有电子产品都基于硅，但是为什么要使用硅？
以一种很好的方式，您需要学习半导体设备的全部课程，但是我将概述一些基本点，这些基本点将使您可以更清楚地了解正在发生的事情。
轨道和能级
例如，采用最简单的原子-氢。 氢原子核由一个质子组成，并且只有一个电子，该电子（为简明起见简化）沿圆形轨道旋转。
相反，可以说轨道不是圆形的，而是球形的，也就是说，电子在核周围形成了一个
壳 。 根据
保利原理 ，在一个原子中的一个这样的轨道上旋转的电子不得超过两个。 轨道不仅是球形（所谓的S轨道），而且例如是哑铃形的（P轨道）。
轨道形成
子能级：例如，两个S轨道形成可容纳两个电子的S子能级； 三个P轨道形成一个P次能级，由于轨道在空间中的相互垂直排列，它已经可以容纳6个电子。 在形状更复杂的轨道的子平面上，可以放置更多的电子（D，F，G，H，I-子平面分别包含10、14、18、22、26个电子）。
壳的形状越复杂，电子离原子核越远，其能量就越大。 右图显示了一个电子可以占据一个
原子的能级示例。
最后两个单词被突出显示是有原因的：当相邻原子出现时，图片发生变化。
例如，如果我们开始将两个氢原子聚集在一起，那么该系统将使能量最小化。 因此，要将两个单独的氢原子结合成一个H2分子，这在能量上应该是有益的！
而且的确，每个原子的电子能级被分裂，形成两个子能级-上层和下层，这对于现在的氢
分子来说是很常见的。 如您所见，较低的子级比单个氢原子具有更少的能量，因此电子占据了它并形成一个分子，像束带一样将核聚集在一起。
晶体中的原子
如果我们继续增加相邻原子的数量，那么在分裂能级的极限能量值内，两个相邻原子将具有新的能量态（以额外的精细结构形式）。 有了足够多的相邻原子（即在物质的晶体中），离散的允许状态合并为“能带”，
这是许多人熟悉
的价带，导带和禁带 。
载流子和电导率
在价带中具有能量的电子不会参与通过晶体的电荷转移：它们牢固地“键合”在键中，为了使电子在晶体周围移动，它需要具有更高的能级。 这可以通过给他提供超出带隙的能量来完成。 在这种情况下，共价键断裂，价带中仍留有空位-带正电荷的“孔”。
硅具有足够的室温 ，
足以使晶体发生热振动，从而破坏共价键，形成自由电荷载流子-空穴和电子。
半导体和电介质
半导体中带隙的特性值为0.1–4 eV。 带隙大于4 eV的晶体通常称为电介质。
半导体P型和N型
所有这些都令人着迷，但是如果不
掺入杂质，那将毫无用处。
如果四价硅或锗的晶格原子被元素周期表第V组元素的五价原子取代，那么杂质原子的四个价电子将参与共价键的形成。 第五电子不参与共价键的形成，它与原子核的结合较弱，因此可以轻松进入导带并成为
自由电荷载体 ，同时保留
固定的带正电的离子 。 这种杂质称为施主，并且所得的半导体为
n型半导体 （负极）。
如果四价硅或锗的晶格原子被三价元素取代，则它将只能在晶格中的4个共价键中形成3个，因为它将需要来自另一个共价键的电子才能形成第四个键。 在这样的组合中，形成了一个空位-一个可移动的带正电的空穴，同时保留了一个
固定的带负电的杂质
离子 。 此类杂质称为
受体 ，即所得的半导体
-p型半导体 （正）。
我提请您注意以下事实：
本征半导体，n型或p型半导体是 电中性的，并且具有相等数量的正电荷和负电荷。 唯一的区别是在掺杂的半导体中，电子和空穴的“镜面”电荷是牢固地位于晶格中的固定杂质离子。 在未掺杂的半导体中，自由电子的数量等于空穴的数量，而在掺杂的半导体（例如，施主一个）中，电子的数量超过空穴的数量，因为它们中的大多数被固定的杂质离子代替。
二极体
如果现在将n型半导体与p型半导体连接，则会得到一个二极管。 顺便说一句，真正的二极管与其原理图图像几乎没有共通之处，但这是另一回事了。
考虑在半导体边界发生什么。 n半导体具有高电子浓度，而p半导体则低。 电子像气体一样，开始从高浓度区域移动（扩散）到较低浓度区域。
来自p半导体的空穴也将如此。
由于位移，由于电荷载流子的浓度梯度而产生
扩散电流 。 越过边界，可移动的电荷载流子暴露出不可移动的杂质离子，从而形成一个“停止”，方向相反的电场，或者以其他方式补偿
漂移电流 。
在没有外部磁场的情况下，这些电流相互平衡。 如果沿该方向施加外部电场，则它将补偿固定离子的电场，并打开阻尼器以扩散电流。
如果以相反方向施加电场，则它只会放大漂移电流，与扩散电流相比，这可以忽略不计。
因此，我们得到一个在一个方向上传导电流而在另一个方向上不传导电流的元件。
电阻二极管逻辑
由于我们在谈论数字技术，因此请注意，借助二极管，已经可以实现逻辑元素
AND和
OR ：
但是要创建一个
功能完整的逻辑功能系统，在此基础上您可以获取任何逻辑功能，我们不能没有元素
NOT 。
要创建此元素，我们需要一个晶体管。
晶体管
实际上，晶体管是两个以相反方向连接的二极管的电路。 在中间电极（基极）没有电压的情况下，电流不会在其他电极之间流动。
通过在发射极（电荷载流子浓度增加的电极）和薄基极之间产生电势差，我们创建了从发射极到基极的少数电荷载流，对于pnp晶体管，是空穴。
由于发射极中空穴的浓度增加并且基极薄，因此其体积被空穴填充，并且其从n型半导体变为p型半导体，从而连接发射极和集电极。
逆变器
如下连接npn晶体管，我们得到一个反相器：如果在基极上有一个log 1，则晶体管断开并将输出连接到地-log0。如果在基极上有log 0，则晶体管被锁定并且输出拉至电源-log 1。
因此，我们获得了一个电压控制的电子钥匙，它使您可以创建逻辑元素
NOT ，从而创建逻辑功能上完整的系统。
在这一点上，我们以物理学，电子和空穴为结尾：我们拥有创建计算设备所需的一切。
下一篇文章介绍了如何使逻辑元素计算，存储和执行指令。
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