Comments 86
А дальше, показав, что мы можем делать с реальными физическими процессами (электрическим током) с помощью полупроводников, мы переходим к тому, как «изобразить» логические понятия «0» и «1» в виде тока или напряжения, и какие электрические схемы мы можем построить, чтобы оперировать с ними по нашим законам логики с помощью заявленных выше операций.
Простите, не удержался от цитаты одного знакомого проектировщика :-)
Автору спасибо! Статья шикарна. 4-х летнему сыну (и жене) с помощью неё объясняю как работает всё электронное. Жду продолжения!
И если произойдет какой-то катаклизм, человечество деградирует до уровня пещерной цивилизации, потому что никто не будет банально даже знать, как добыть огонь. Через тысячелетия потомки найдут после нас примитивные орудия труда и сделают вывод: наши предки обладали зачатками разума.
Вскоре не останется никого, кто бы имел представление, как работает электроника и компьютерная технология. Машины начнут самовоспроизводство.
Спросим у машин, как у них там что работает.
Вскоре не останется никого, кто бы имел представление, как работает электроника и компьютерная технология.
Да ладно? Этот прогноз навеян фантастикой. Главное, создавать документацию во славу Бога-Машины.
Причём второй раз воспроизвести линию технического прогресса у человечества может и не получиться: легкодоступные запасы угля, нефти и руды уже будут все использованы, а сразу стартовать с атомной энергии примитивная технология не позволит.
Спасибо за статью (надеюсь на продолжение), т.к. буквально на днях надумал наконец-то заполнить у себя этот пробел и убрать из головы кусочек магии.
А можно, для тех кто в танке не знаком с обозначениями на схемах (типа меня), добавить описания и что там происходит? Например, я не понял разницу в схемах И и ИЛИ, почему в одном случае там X1+X2, а в другом – X1*X2?
Дополню статью — смотрите -выход Y подключен через сопротивление R к нулю — если на X1 и X2 при этом тоже нули — ток нигде не течет так как все точки схемы находятся под одинаковым потенциалом
Подадим теперь положительное напряжение U на X1 — тогда от плюса к минусу через диод и сопротивление R потечет ток, и напряжение со входа переместится на резистор — то есть на выходе будет единица, второй диод не пропустит напряжение на X2, поэтому имеем комбинацию X1 = 1, X2 = 0 Y = 1, что соответствует логическому ИЛИ. Аналогично рассуждая можно получить таблицу истинности для И
Вот, дополнил немного картинки :)
Да пожалуйста, конечно :)
Спасибо. Вот бы ещё и транзистор так же понятно нарисовать.
Если очень сильно упрощенно, то транзистор можно представить так:
Подаваемый на базу ток (логическая единица) открывает (замыкает накоротко) диод коллектора (1) и ток с коллектора на эмиттер начинает течь беспрепятственно, то есть коллектор получается замкнут на землю через диод эмиттера. Но это очень упрощенно, только для понимания работы инвертора :)
ЗЫ: ток, подаваемый на базу, тоже стекает на эмиттер.
А не мог бы кто-нибудь нарисовать эти схемы в circuits.io? Это такой онлайн симулятор электроники и ардуино, так как на ардуино там идет упор.
Я как-то год назад пытался там сделать все эти основные элементы И, ИЛИ, НЕ из обычных компонентов, и вроде бы даже что-то получилось…
https://circuits.io/circuits/3549054-logical-elements-on-bipolar-transistors
Но объединить эти элементы иерархически уже не получается
https://circuits.io/circuits/3548034-hierarhical-and-elements
Но я думаю, что не получается, так как мои познания в электронике околонулевые, и я толком не понимаю что делаю, и поэтому там какая-то ошибка.
UPD: оказывается circuits.io переезжает на tinkercad.com с тем же функционалом
Ага, примерно так я и понял, спасибо! "И" с обрезаной схемой сначала было как-то совсем неясно :)
Из железа нельзя, но можно из других металлов. Собственно когда-то они такими и были, на основе электровакуумных приборов (ламп) — никаких полупроводников, стекло и металл. Энергопотребление и габариты правда совсем другие :)
В основе всей современной электроники лежит понятие вентиля. Это структура, которая в одну сторону ток проводит, а в другую нет. Если вентиль сделать управляемым, т.е. менять его сопротивление под воздействием внешнего чего-либо, то можно управлять протеканием тока через схему, т.е. формировать сигнал необходимой формы.
Сначала придумали лампу, в которой поток электронов течёт от анода к катоду, а обратно нет. Поставив на пути потока сетку и подавая на неё напряжение, можно регулировать поток электронов.
Потом полупроводники. В статье описано как, совместив ПП с разным типом проводимости сделать вентиль (диод). Ключевое слово тут — разный тип проводимости.
В металлах проводимость одна — свободные электроны. Поэтому этот принцип на металлах реализовать не получится. Но можно совместить металл и полупроводник. Получится барьер Шоттки, обладающий свойством вентиля
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BE%D0%B4_%D0%A8%D0%BE%D1%82%D1%82%D0%BA%D0%B8
Кстати, транзистор неправильно рассматривать как пару диодов. Хоть он и прозванивается как два диода, физика там другая.
Почитайте: Р. Сворень, "Электроника шаг за шагом". Там "на пальцах" разобраны и лампа, и транзистор. И ещё много чего.
Современные ОС и программы как раз и придуманы чтобы абстрагироваться от всего… вообще от всего. Просто сидишь и постишь в контактик :)
Касаемо вентиля. Если кратко, то:
- При приложении напряжения в прямом направлении основные носители заряда начинают двигаться в сторону барьера (PN-перехода). Если напряжение достаточно высоко, носителям сообщается достаточная энергия чтобы барьер преодолеть и они начинают прямо течь! Создавая электрический ток.
- Если напряжение приложить в обратном направлении, то носители будут расползаться в стороны от перехода к электродам. И в районе перехода подвижных носителей заряда станет совсем мало. И переносить заряд через переход станет некому, а значит и ток невозможен. Возникает как бы зона диэлектрика.
Это что касается диода. С транзисторами и тиристорами немного сложнее. Рекомендую полистать "Электроника шаг за шагом". Там довольно популярно, для школьников самых маленьких.
Или го на ютупчик. Там даже ничего читать не надо, там прям мультики на тему.
Ну, канализационная аналогия вполне работает (до поры, до времени).
Вот про диод.
Там же есть про резистор, конденсатор, индуктивность.
Транзистор можно себе представить как очень большой (бесконечный) бак с водой, из которого выходит труба, перекрытая заслонкой. Приоткрывая заслонку мы регулируем поток воды. Суть в том, что прикладывая совсем небольшое усилие к заслонке, мы регулируем огромную мощь водопада в трубе. Это аналогия усиления сигнала (на самом деле, ничего не усиливается, а просто создаётся мощная копия сигнала).
Вот про диод более строго, с электронами и дырками.
Ну и я не знаю как объяснить более понятно. Если с ангелами и демонами, это будет достаточно духовно?
Для Вас, к моему сожалению, с вашим уровнем знаний, ответ на этот вопрос кажется очевидным и вы не воспринимаете его.
Может я в чем-то не прав или не корректно ставлю вопрос?
Заслонка двигается дистанционно. Верёвочка на 100 км. Дёргаем руками (когда нажимаем кнопки или крутим ручки). Или её может дёргать поток воды из другой трубы, получается каскад.
Энергия изначально берётся из океана (розетка) или маленького прудика (аккумулятор).
А постановка вопроса зависит от того что именно ты хочешь узнать. Если изучать электронику, то книга "Электроника шаг за шагом", сайт easyelectronics.ru, далее везде. Можно бесконечно строить аналогии, соединять клапана верёвочками, рычажками, зубчатыми передачами, но в конце концов упрёшься в ограничения модели и практического смысла это не имеет.
С т.зр. современной цифровой техники:
- транзистор это управляемый ключ: открыт = лог 0, закрыт = лог 1 (обычно так, м.б. наоборот);
- из диодов, транзисторов, резисторов (или только транзисторов) можно построить логические элементы, реализующие двоичную (булеву) математику (лог И, лог ИЛИ и т.п.);
- из логических элементов можно построить триггер;
- из триггеров можно построить всё остальное (память, процессор, ......).
Если же цель философическая, мировоззренческая, то эт не ко мне, я в Си-минор не умею :)
Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.И все же — на что похож диод в реальности? Насколько много электронов и дырок есть в диоде? Есть какое-то ограничение по сроку службы, когда диод, так сказать, истощается? В том числе про LED интересно, может ли диод высветить все свои фотоны?
Современные диоды/транзисторы — это тонкие пленки. Скажем, пленка p-Si на толстой подложке n-Si.
В интегральных схемах еще ионную имплантацию используют — подложка из p-Si локально облучается ионами донора, получается n-допирование.
Светодиоды, лазеры и прочая оптоэлектроника умирает из-за распространения дефектов кристалла. На них стягиваются электроны и дырки, и там возможна рекомбинация без испускания фотонов.
Ну, что касается LED, то это видно наглядно, они заметно тускнеют уже через несколько месяцев. Что же касается количества дырок, то по идее, это зависит от напряжения, типа полупроводника, типа примеси и его количества, ну и разумеется площади перехода того, в общем оценке поддаётся, но нужно знать конкретный диод.
(«пока объяснял — сам понял», спасибо за вопрос.)
Ну электрон все же не вечен, он анигилирует с позитроном. Да и носителей (особенно не основных) не бесконечное количество, поэтому обратный ток диода мал.
Ну то есть все правильно, и склада носителей в диоде нет, но в данный конктретный момент времени их число ограничено.
Это полная чушь.
электрон все же не вечен, он анигилирует с позитроном
Электрон — стабильная фундаментальная частица, он вечен. Но если он висит в зоне проводимости (сверху), он может вернуться вниз в валентную зону, заполнив собой дырку. Дырка в итоге исчезнет.
носителей (особенно не основных) не бесконечное количество, поэтому обратный ток диода мал
В вакуумном диоде дырок вообще нет, при этом он каким-то чудом работает.
В вакуумном диоде дырок вообще нет, при этом он каким-то чудом работает.
По совершенно другому принципу.
Неважно сколько электронов есть в диоде. Как уже сказали, их сколько угодно может поставить источник тока. Важно то сколько есть свободных электронов, т.е. тех, которые сравнительно легко оторвать от ядер и которые могут перемещаться между электродами и создавать электрический ток в проводнике. Точнее важно то, каково соотношение количества ядер и свободных электронов.
Например, чистый кремний имеет на внешней орбите 4 электрона. Заряды ядра и всех электронов уравновешены. Примем заряд электрона за 1 попугай. Если оторвать от ядра внешние электроны, заряд того что останется будет +4, а сумма зарядов электронов -1*4=-4
Теперь "вставим" в решётку кремния ядро мышьяка. Ему положено иметь 5 электронов на внешней орбите. Если их забрать, то заряд ядра будет +5, электронов -5. Всё уравновешено, всё также как и было? А вот нет! Фишка в том что ядра прибиты гвоздями к решётке. Их нельзя вот так просто взять и переместить, поэтому положительные ядра не могут образовывать ток, а электроны могут!
Дальше. У нас вещество, в котором на каждое ядро приходится по 4 электрона плюс некоторе количество ядер, у которых их по 5. Т.к. эти электроны слабо связаны с ядрами, они постоянно перемещаются: отрываются от одних ядер и притягиваются у другим. В чистом кремнии всё равновесно, но примесь даёт некоторое количество "лишних" электронов. Несмотря на то что в целом по кристаллу сумма плюсов и минусов равна нулю, именно свобода перемещения электронов постоянно создаёт ситуацию что где-то их "больше чем нужно". Это и называется проводимостью типа N.
Теперь снова возьмём чистый кремний и нашпигуем его атомами бора. Он 3-валентный, т.е. внешних электронов у него 3, а не 4 как у остальных элементов решётки. В соответствии с выше описанным механизмом, возникнет ситуация когда постоянно в разным местах кристалла электронов будет не хватать. Это "отсутствие электрона там где он должен быть" называют дыркой.
Казалось бы, пустое место, отсутствие чего-либо. Однако, в этом вашем квантовом мире оно ведёт себя подобно частице. Например, есть два соседних атома кремния. Одно "нормальное", с 4 электронами, а у другого их только 3. Легко может случиться так что электрон соскочит с орбиты у нормального атома и притянется к ненормальному. Но! На его месте останется дырка! А так как примеси в кристалле существенно меньше чем основного вещества, то "визуально" получится так что это не электрон переместился от ядра к ядру, а дырка! Т.е. именно дырки и являются основными носителями заряда в таком полупроводнике и он называется P-типа.
Дырки как квазичастицы имеют свои физические свойства и даже описываются характеристиками типа "скорость эмиссии дырок".
Ну а если совместить ПП двух разных типов, то начнётся всё то что описано в статье.
Что касается светодиода, то всё описанное имеет мало отношения к собственно излучению света. Свет — фотоны, которые излучаются при переходе электронов с верхнего энергетического уровня на нижний. Т.е. электроны как бы "остывают" и избыток энергии испускается в виде света. PN-переход только делает этот процесс более упорядоченным. Благодаря энергетическому барьеру, электроны соскакивают с орбит более "дружно", а значит в более узком диапазоне энергий. Это даёт более узкий диапазон длинн волн по сравнению с лампой накаливания. Светодиод светит, но не греет.
Примерно как не каждый сантехник способен написать уравнение Бернулли для жидкости в трубе, или музыкант — граничную задачу для стоячих волн в струне. Помнится, меня впечатлила фраза в мемуарах летчика Ершова, когда он сказал, что знает о двигателях своего самолёта только тот факт, что их три.
Спасибо автору.
В детстве очень интересовался естественными науками и с упоением читал старые (40-х..50-х годов издания) школьные учебники химии и физики, так там помимо очень простого, но опасного опыта с самодельным термитом, был опыт, в котором магниевым запалом поджигали смесь песка с углём, которую потом вываливали в ведро с водой — по-моему, как раз в этом опыте и пытались получить самодельный полупроводник.
Иногда работа основного устройства описывалось в положительной логике, а дополнительного в отрицательной логике. Кроме этого система адресации могла начинаться с нуля, а могла и с единицы.
Да и вообще у нас термин «Триггер» что означает «спусковой курок» приклеили к
«flip-flop», да у них много похожего, оба могут находиться в двух устойчивых состояниях. Это было так давно что теперь наверное никто не сомневается в правильности названия этого логического устройства и не будет спорить.
От песка к компьютеру. Часть 1. Атомы и транзисторы