В компьютере есть полупроводниковые приборы

Полупроводники. Часть I. Применение в электронике

Начало кремниевого века

В далеком 1947 году, в недрах лабораторий телефонной компании Bell «родился» первый в мире транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век».

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

В компьютере есть полупроводниковые приборы

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si). На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием, у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V — 0.3V против 0.6V — 0.7V). Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам. К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge, довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые. Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.

Полупроводники в процессорах. Закат эпохи кремния

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей. Улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов, при дальнейшем использовании Si становиться все более сложной и дорогостоящей задачей.

По мере повышения скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и заставило разработчиков перейти на стратегию «многоядерности».

Количество полупроводниковых элементов в одном чипе увеличивается путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. Каждый такой шаг означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и площади примерно в 2 раза. Всем известный Intel на данный момент (2011 год) владеет технологией в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет 20 нм. Переход на более тонкий тех. процесс осуществляется этой компанией примерно каждые 2 года.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не повышается тактовая частота ядра процессора, как было до 90 нм тех. процесса. Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Будущее за графеном?

В компьютере есть полупроводниковые приборы

Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода (C).

Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Однако многообещающие технологии на базе графена пока еще находятся на стадии исследований и разработок. Время покажет, сколько они еще таят в себе подводных камней. Ну, а кремний все еще остается рабочей лошадкой в современной электронике, и не спешит сдавать позиции.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Полупроводники. Часть III. Типы проводимости полупроводников.

Полупроводники. Часть II. Строение атома и электоропроводность.

КОММЕНТАРИИ:

Автору данного ресурса огромная благодарность за содержательный и наглядный материал статей. Думаю многие, посещавшие ваш сайт, со мной согласятся — неопытному человеку намного проще и понятнее постигать знания имея под рукой подробные и понятные иллюстрации. Сайт мне очень понравился и был весьма полезен!

Поддерживаю предыдущего автора. Благодарю за доступное изложение материала.

Спасибо за теплые слова. Буду стараться дальше )

ну бля ребят как мок нахуй

Автор, исправь текст и нагни раком своего учителя по русскому языку!

1) На заре полупроводниковой техники применяли жёлтый цинкит — природый полупроводник, а не германий. Потом пришли на смену окись меди и селен. Так что германий — это не заря — так как им занялись уже имея в багаже развитую зонную теорию и общие представления о роли примесей.

2) В далёком 1928 году Лосев припаял «хороший» кристалл прироного цинкита к монете и прижал к нему две стальные иглы — и получил первый «трёхэлектродный кристадин», первый на планете транзистор. Тогдаже он изучил многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, но в своей публикации через год упомянул лишь двух- и трёхэлектродные кристадины. Потом в ходе исследования цинкитных кристадинов впервые сформулировал зонную теорию, и пришёл к выводу что технологически доступный полупроводник с воспроизводимыми свойствами должен быть кристаллическим, элементарным, легкоплавким, узкозонным — чем и инициировал исследование серого селена и серого олова — ближайшего родственника германия. А в компании Белл создали лишь первый на планете транзистор с воспроизводимыми параметрами.

3) Полупроводниковая технология графена похоже вряд ли будет реализована вообще, ввиду его крайней нетехнологичности, роднящей его с цинкитом. Скорее всего кремний будет вытеснен арсенидом галлия, и этот процесс идёт уже сегодня.

очень хорошо написано спосибо огромное

спасибо всем я хочу чтобы вы тоже делали ставки на футбол-на вершине победы

Замечательный материал, все понятно и доступно, спасибо!

Тема 2.1. Полупроводниковые приборы

Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники . Для проводников характерна проводимость 10 2 -10 8 См/см 3 (См – сименс = 1/Ом), для диэлектриков – 10 -10 См/см 3 и меньше. Промежуток от 10 -10 до 10 2 См/см 3 занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.

Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.

К полупроводниковым приборам можно отнести:

— стабилитроны или опорные диоды

— биполярные и полевые транзисторы и др.

Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.

Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.

Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.

Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.

Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.

Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.

Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.

Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.

§ 30 приборы использующие волновые свойства света

Главная > Урок

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Электрический сигнал – универсальный переносчик информации.

Процессы, связанные с информацией могут иметь самую различную природу. Однако в настоящее время все они обрабатываются на общей основе. Для обработки информации используются электрические сигналы, которые являются в некотором смысле посредником между устройствами, воспринимающими информацию, устройствами, воспроизводящими информацию, и устройствами, сохраняющими информацию. Универсальная роль электрических сигналов обусловлена удобством их обработки. Что же называют электрическим сигналом?

Проще всего объяснить на примере угольного микрофона – устройства, которое до недавнего времени входило во все телефонные аппараты (Рис. 1).

Устройство представляет собой коробочку с угольным порошком, закрытую гибкой мембраной, к которой прикреплен диффузор. Диффузор воспринимает изменение давления (звуковая волна). Чем больше давление, тем с большей силой диффузор давит на мембрану, которая, прогибаясь, сжимает угольный порошок. Чем больше сжимается угольный порошок, тем меньше его сопротивление. Если на диффузор падает звуковая волна, то при подключении к угольной коробочке проводов и источника тока по цепи пойдет ток, зависимость от времени которого повторяет зависимость давления звуковой волны от времени. Этот ток и является электрическим сигналом, несущим информацию о звуковой волне. Электрическим сигналом является также падение напряжения на сопротивлении (см. рисунок), которое пропорционально току, а значит, также повторяет форму давления в звуковой волне.

Такой электрический сигнал, который аналогичен изменению во времени некоторой физической величины (давление температура, скорость и т.д.) называется аналоговым сигналом. Устройство, преобразующее изменение некоторой физической величины в электрический сигнал, называется датчиком. Описанный микрофон является простейшим датчиком давления воздуха.

Датчики преобразуют самую разнообразную информацию в электрические сигналы. Существуют датчики температуры, датчики, регистрирующие элементарные частицы, датчики влажности. Примером, преобразующим световой сигнал в электрический, являются фотоэлементы и многочисленные устройства, в состав которых входят фотоэлементы – электронно-лучевые трубки, ПЗС-матрицы и др.

Преобразование электрических сигналов.

Как и зачем преобразуется электрический сигнал? Очень часто необходимо усилить сигнал, не искажая его. Примером является акустическая система концертного зала. Микрофоны преобразуют звук голоса и музыкальных инструментов в электрический сигнал. Далее этот сигнал усиливается, затем громкоговорители осуществляют обратное преобразование электрического сигнала в звук. Устройство, усиливающее электрический сигнал называется усилителем.

Электрические сигналы можно складывать. Примером является сложение сигналов, идущих от различных музыкальных инструментов в концертном зале. На Рис. 2 изображен сигнал, получающийся в результате сложения двух синусоидальных сигналов.

В некоторых случаях возникает необходимость преобразовать сигнал, искажая его определенным образом. Так, например, получают новые искусственные тембры музыкальных инструментов. Иногда необходимо уметь перемножать два сигнала. Именно таким образом возникает модулированный сигнал, приведенный на Рис. 2 к § 27.

Преобразование аналоговых сигналов осуществляется, в частности при радиовещании и телевещании. Например, в современном телевизионном сигнале определенным образом смешиваются три сигнала: звуковой, яркостной и цветовой, которыми модулируется радиоволна. В телевизионном приемнике происходит обратное преобразование – из радиосигнала выделяются звуковой, яркостной и цветовой сигналы. Далее цветовой и яркостной сигналы подаются на телевизионную трубку, а звуковой на громкоговорители.

В последнее время аналоговые сигналы все чаще заменяются на цифровые сигналы, в частности планируется в ближайшие десятилетия ввести цифровое телевидение. Что такое цифровой сигнал? Покажем это на примере.

Пусть аналоговый сигнал представляет собой синусоиду. Рассмотрим кусок такой синусоиды, равный одному периоду (Рис. 3).

Нанесем на этот сигнал сетку, разделив сигнал по величине, например, на 8 частей (вертикальная ось) и по времени (горизонтальная ось) на 10 частей. Далее формируем 10 чисел, каждое из которых равно целому числу от величины сигнала в начале соответствующего интервала времени. В данном случае – это совокупность следующих чисел: 4, 6, 7, 7, 6, 4, 1, 0, 0, 1. Это и есть цифровой сигнал , соответствующий исходному аналоговому. Приборы, осуществляющие преобразование аналогового сигнала в цифровой называются аналого-цифровыми преобразователями . Обычно аналого-цифровые преобразователи формируют цифровой сигнал в двоичном коде, так что десяти приведенным выше цифрам соответствуют следующие двоичные числа: 100, 110, 111, 111, 110, 100, 001, 000, 000, 001.

Аналого-цифровой преобразователь это электронный прибор, и, естественно, цифровой сигнал выдается не в виде нулей или единиц, а в виде электрического сигнала, в котором закодированы нули и единицы. Например, нулю может соответствовать короткий импульс, а единице – длинный импульс (точка и тире в азбуке Морзе). При передаче такого сигнала потребуются еще и специальные импульсы – синхроимпульсы, отделяющие одно двоичное число от другого.

Естественно, существуют устройства, осуществляющие обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый – цифро-аналоговые преобразователи. В результате восстановления сигнала, соответствующего десяти вышеприведенным числам, мы получим сигнал, изображенный на Рис. 4.

Конечно же, этот сигнал искажен по сравнению с исходным аналоговым. Однако, очевидно, что, если сетку, накладываемую на исходный сигнал сделать мельче, то искажения станут менее заметными.

Недостаток, связанный с искажениями при преобразовании аналогового сигнала в цифровой и обратно, компенсируются огромным выигрышем, связанным с возможностью преобразования цифровых сигналов. Цифровые сигналы поступают на компьютер, и его преобразование определяется закладываемой в компьютер программой. Конечно же, имеются в виду не отдельные компьютеры, а компьютеры, встроенные в тот или иной прибор. Фактически такие компьютеры есть в большинстве современных устройств – в телевизорах, радиоприемниках, видеомагнитофонах, автомобилях, стиральных машинах и т.д.

Удобство преобразования цифрового сигнала связано с легкостью изменения программы, осуществляющей такое преобразование. Кроме того цифровой сигнал оказывается удобнее хранить. Например, «закачивая» мелодию звонка в мобильный телефон, пользователь записывает в память, имеющуюся в мобильном телефоне, последовательность двоичных чисел, которую далее цифро-аналоговый преобразователь переводит в звук.

Огромные возможности, благодаря цифровой технологии, открываются в искусстве. Например, создавая различные программы, можно получать самые разнообразные звуковые тембры, не существующие в природных инструментах, создавать искусственную окраску голоса. При съемках фильмов с помощью цифровой технологии можно достигать самых разнообразных видеоэффектов, ограниченных лишь фантазией художника.

Еще одним достоинством цифровых сигналов является их помехоустойчивость. При передаче сигнала при помощи радиоволн или линий связи на передаваемый сигнал неизбежно накладываются помехи. При передаче аналогового сигнала эти помехи проникают на экран телевизора или в громкоговоритель. Если же передается цифровой сигнал, то при помощи специальных методов удается до некоторой степени контролировать сигнал и убирать накладываемые на него помехи.

В современных приборах информация о самых различных физических величинах преобразуется в электрические сигналы (токи и напряжения в зависимости от времени). Аналоговые сигналы полностью повторяют изменение некоторой физической величины от времени. Цифровые сигналы – последовательность электрических импульсов, содержащих закодированную в виде двоичных чисел информацию. Цифровые сигналы позволяют осуществить преобразование информации компьютерами.

1.  В современной медицине существует множество приборов, позволяющих непрерывно осуществлять контроль состояния больного. Какая информация при этом преобразуется в электрические сигналы?

2.  Проводимость воды увеличивается при увеличении концентрации растворенных в ней солей. Предложите, исходя из этого свойства, конструкцию датчика концентрации солей, который мог бы осуществлять контроль сточных вод некоторого предприятия.

3.  До недавнего времени существовала только аналоговая фотография, связанная с засветкой фоточувствительных материалов и последующей их химической обработкой. В настоящее время все большее развитие получает цифровая фотография. В чем ее суть, чем она отличается от обычной фотографии?

§4 3 . Приборы, преобразующие электрические сигналы.

Если сегодня в ваших компьютерах основная операция «ноль-единичка» происходит за счет переключения прибора и в этом переключении участвуют тысячи электронов, то в новом тысячелетии это будет происходить за счет единичных актов, что приведет к колоссальному увеличению потенциальных возможностей компьютерных технологий.

Чем отличаются электронно-вакуумные приборы и полупроводниковые приборы от других элементов электронных схем? Каков принцип действия электронно-вакуумных приборов? Каков принцип действия полупроводниковых приборов?

лектроника. Линейные и нелинейные элементы схем. Пассивные и активные элементы схем. Диод. Катод. Анод. Управляющие электроды. Сетка. Полупроводниковый прибор. Транзистор. Интегральная микросхема.

роводники, диэлектрики и полупроводники. Носители электрических зарядов в металлах, полупроводниках, электролитах и газах. Полупроводниковые приборы. (Физика 7-9 кл). Естествознание 10 § 2, 25, 26, 28, 65, 75.

Каков принцип действия устройств, преобразующих электрические сигналы? Современное название прикладной науки, изучающей такие процессы – электроника . Предшественниками электроники были радиотехника и электротехника. Развитие электроники и соответствующих технологий было обусловлено использованием полупроводниковых материалов. До их прихода в радиотехнику, аналогичную роль выполняли электронно-вакуумные приборы – радиолампы.

Помимо радиоламп и полупроводниковых приборов электрические схемы различных устройств могут содержать такие элементы, как сопротивления, конденсаторы, индуктивности, трансформаторы. Эти элементы, а также различные конструкции из этих элементов так же, как радиолампы и полупроводниковые приборы, преобразуют электрические сигналы. Почему же их не хватает для работы различных устройств? Что нового дают радиолампы и полупроводники? Все возможные устройства, не включающие радиолампы и полупроводниковые приборы, обладают двумя важными свойствами, ограничивающими их возможности при преобразовании сигналов.

Первое свойство – линейность . В соответствии с этим свойством любой синусоидальный сигнал после прохождения через линейные устройства сохраняет свою форму и частоту. Линейные устройства могут изменять лишь амплитуду и фазу синусоидального сигнала. Если же на такие устройства поступают несколько синусоидальных сигналов, то они могут лишь складываться, но не перемножаться. В частности, модуляция при помощи таких элементов невозможна.

Второе свойство – пассивность. В соответствии с ним все подобные устройства могут лишь ослаблять мощность сигналов.

Электронно-вакуумные лампы и полупроводниковые приборы обладают свойствами, выходящими за эти рамки. Во-первых, они являются нелинейными элементами, что обеспечивает существенно большую возможность преобразовывать сигналы, в частности изменять их частоты и производить модуляцию. Во-вторых, эти приборы позволяют усиливать мощность электрических сигналов, то есть они являются активными элементами.

Принцип действия электровакуумных приборов.

Любой электровакуумный прибор представляет собой герметичный баллон, из которого откачен воздух, и в который помещены металлические электроды с выводами за пределы баллона. Форма электродов может быть разнообразной в зависимости от исполняемых функций. Два электрода присутствуют всегда, простейшая лампа с двумя электродами называется диод . Один из электродов – катод подогревается при помощи электрического тока. В результате теплового движения часть электронов вылетает из катода, образуя вблизи него электронное облако. Электрические силы, связывающие вылетевшие электроны с «покинутыми» ядрами, не дают электронному облаку далеко удалиться от катода (Рис. 1).

Если на второй электрод – анод подать положительное относительно катода напряжение, то электроны начнут притягиваться к аноду и пойдет электрический ток. При смене полярности напряжения ток прекратиться, поскольку анод не может поставлять электронов для создания тока. Диод, таким образом, обладает односторонней проводимостью, что и обеспечивает его нелинейные свойства.

Если в промежутке между катодом и анодом поместить другие электроды, то потоком электронов можно управлять, подавая на эти электроды то, или иное напряжение. Соответствующие электроды называются управляющими электродами . Некоторые из электродов делаются в виде сетки, охватывающей катод, они так и называются сетками (Рис. 2).

Управляя потоком электронов, сетки позволяют усиливать электрический сигнал. Другие электроды могут формировать из потока электронов узкий электронный луч и, отклоняя его, посылать на экран кинескопа в телевизоре или мониторе компьютера. Попадая на экран, электроны возбуждают атомы, которые затем излучают свет. Именно так создается изображение в электронно-лучевом кинескопе (Рис. 3).

Полупроводниковый диод и транзистор.

Действие полупроводниковых приборов основано на явлениях, происходящих на границах между веществами с различной проводимостью (различными металлами, полупроводниками и диэлектриками). Понять работу полупроводникового диода можно, рассмотрев контакт двух различных проводников (или полупроводников). При приведении веществ в контакт тепловое движение стремиться «забрасывать» электроны в «чужой» проводник через контакт. Поскольку проводники различны, то оторвать электроны от ядер в одном проводнике легче, чем в другом. Допустим, от ядер проводника 1 (см. Рис. 4а) электроны оторвать легче, чем от ядер проводника 2. Тогда в результате тепловых процессов в проводнике 2 вблизи границы появляется облако избыточных электронов. Облако не может далеко «улететь» от границы по той же причине, что в вакуумной лампе электронное облако не может далеко удалиться от катода.

Рис. 4. а – напряжение отсутствует, б – напряжение приложено в прямом направлении, в – напряжение приложено в обратном направлении.

Приложим теперь электрическое поле, как показано на Рис. 4б. Поле будет действовать на электроны облака с некоторой силой (на рисунке она направлена вверх), и пойдет электрический ток. Чтобы заставить электроны двигаться в обратном направлении (Рис. 4в), необходимо создать дополнительную силу, способную «загнать» электроны облака обратно в проводник 1. Это означает, что такой же по величине ток пойдет при большем напряжении. Но это, в свою очередь, означает, что проводимости для разных направлений токов разные. Таким образом, данный прибор будет работать подобно вакуумному диоду.

Наилучший эффект имеет место при контакте полупроводников двух типов n -типа и p — типа. В полупроводниках n — типа ток переносится электронами ( n от слова negative – отрицательный). В полупроводниках p — типа ток переносится положительными квазичастицами дырками ( p от слова positive – положительный). На самом деле в обоих случаях ток переносится в результате движения электронов. Понять смысл введения различных носителей заряда можно, воспользовавшись аналогией, и сопоставив полупроводнику n -типа падающие капли дождя, а полупроводнику p -типа – поднимающиеся в воде пузырьки воздуха. В обоих случаях масса переносится в основном частичками воды сверху вниз, однако во втором случае мы наблюдаем движение пузырьков (дырок), движущихся в противоположном направлении.

Полупроводниковый прибор, способный усиливать сигнал подобно вакуумной лампе с управляющими электродами называется транзистором . Транзисторы бывают различных типов и конструкций. Понять работу транзистора проще всего на основе рассмотрения так называемого полевого транзистора.

В полупроводнике (например, полупроводнике p -типа) создается проводящий канал из полупроводника противоположного типа (Рис. 5). Этот канал соединяет два металлических электрода исток – аналог катода и сток – аналог анода. На третий управляющий электрод – затвор подается напряжение, которое может изменять ток через канал, подобно тому, как это делает сетка в электронно-вакуумной лампе.

Особенно эффективной работа полупроводниковых приборов стала после того, как на одной пластине полупроводника научились создавать множество диодов, транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. Такой прибор эквивалентен целой электронной схеме из различных элементов и называется интегральной микросхемой . Современные интегральные микросхемы, например процессоры компьютеров, содержат несколько миллионов (. ) транзисторов на одной кремниевой пластине.

Электронные схемы могут содержать линейные и пассивные элементы (сопротивления, конденсаторы, трансформаторы) и элементы нелинейные и активные, усиливающие электрический сигнал (электровакуумные лампы и полупроводниковые приборы). В электровакуумных приборах ток переносится электронами от катода к аноду, а его сила регулируется управляющими электродами. Действие полупроводниковых приборов обусловлено явлениями, происходящими на границе полупроводников различных типов.

1. ○ Для чего нужны электровакуумные приборы и полупроводниковые приборы?

2. ○ Чем отличается преобразование электрических сигналов линейными и нелинейными элементами схемы?

3.  Электровакуумные приборы потребляют от источников питания большую мощность. Почему?

4.  Почему создание персональных компьютеров, подобных существующим ныне, было невозможно на основе использования радиоламп?

§ 4 4 . Базовые элементы компьютера.

Папенька поднял крышку на табакерке, и что же увидел Миша? И колокольчики, и молоточки, и валик, и колеса.

В.Ф. Одоевский «Городок в табакерке».

акие функциональные элементы входят в состав компьютера? Из каких элементов состоят узлы компьютера? Как работают логические элементы?

икросхема-память. Микросхема-процессор. Ячейка памяти. Логическое устройство. Логический элемент. Генератор тактовых импульсов. Триггер.

Последовательное и параллельное соединения проводников. (Физика 7-9 кл). Основные компоненты компьютера и их функции. Соединение блоков и устройств компьютера. (Информатика, основная школа).

Возможно, вам приходилось «приподнимать крышку» современной табакерки – системного блока персонального компьютера. Поскольку устройство это электрическое, а не механическое, единственным вращающимся колесиком, которое вы могли видеть, мог быть вентилятор, охлаждающий процессор. Остальные неподвижные элементы компьютера, выглядят для непосвященного человека не менее таинственно, чем элементы древней табакерки.

Основные узлы компьютера и их функциональное предназначение вы изучали на уроках информатики. А вот как работают узлы компьютера с точки зрения преобразования электрических сигналов? Что является элементарными составляющими — «атомами» компьютера?

Попробуем продвинуться вглубь компьютера, подобно тому, как мы продвигались в глубь вещества. Во многом мы будем повторять то, что вы уже знаете.

Современный компьютер можно представить как совокупность элементов, каждый из которых выполняет свою функцию (Рис. 1).

К устройствам ввода информации относятся такие устройства как клавиатура, мышь, сканер. К устройствам вывода информации – монитор, принтер. Такое устройство как модем позволяет обмениваться информацией с другими компьютерами, то есть является одновременно и устройством ввода и устройством вывода. Внешние устройства хранения информации – устройства, позволяющие считывать и записывать информацию на магнитные и оптические диски, а также на так называемые съемные диски или флэш-память. По сути, флэш-память – это подсоединяемые к компьютеру микросхемы для записи и считывания информации.

Сам компьютер в узком смысле слова – это устройство для обработки информации. Устройство представляет собой множество различных элементов, расположенных на одной или нескольких печатных платах. Основные элементы, располагаемые на платах – интегральные микросхемы или просто микросхемы. Два основные типа микросхем – микросхема-память и микросхема-процессор .

Микросхема-память состоит из множества ячеек памяти (их число в современных микросхемах может достигать нескольких миллиардов) и логического устройства . Функция микросхемы – при определенных сигналах на входе микросхемы записать в одну из ячеек памяти сигнал, соответствующий 1 или 0. Адрес ячейки памяти и сам сигнал устанавливается на входе в микросхему. Вторая функция – считать информацию, хранящуюся в некоторой ячейке памяти. Логическое устройство, состоящее из логических элементов , по заданным входным сигналам находит нужную ячейку памяти.

Микросхема-процессор является более сложным устройством. Она состоит из нескольких логических устройств и нескольких регистров памяти. В зависимости от входных сигналов процессор изменяет состояния внутренних регистров памяти и сигналы на выходных шинах, передаваемые на другие устройства. В конечном итоге в состав процессора также входят ячейки памяти и логические элементы.

«Дирижирует» работой всех устройств генератор тактовых импульсов . Частота тактовых импульсов (число импульсов в секунду) определяет быстродействие компьютера. Состояние каждой из ячеек памяти и сигнал на каждой из шин изменяется не чаще, чем приходит новый тактовый импульс.

Итак, продвигаясь вглубь компьютера, мы обнаружили следующие элементы: генератор тактовой частоты, ячейка памяти, логический элемент . Однако, подобно атомам, некоторые из этих элементов составные.

Электрическая ячейка памяти.

Ячейка памяти – элемент, на выходе которого всегда поддерживается один из сигналов 0 или 1. Каждому из этих сигналов соответствует напряжение, значение которого лежит в некоторых пределах. Например, сигналу 0 может соответствовать напряжение от 0 до 0,2 В, а сигналу 1 – напряжение от 2,5 до 4,5 В. Конкретные параметры определяются типом микросхем.

Ячейки памяти могут иметь различную конструкцию. Наиболее употребимая в настоящее время ячейка – триггер . Схематично триггер можно изобразить в виде, представленном на Рис. 2.

На выходе Q всегда имеется сигнал 0 или 1. Выход Q  не обязателен, на нем устанавливается инвертированный (противоположный) сигнал по отношению к сигналу Q . На входы R или S подаются импульсные сигналы, служащие для записи новой информации, которая остается, когда входной сигнал прекращается.

Действие триггера подобно обычному клавишному выключателю. При нажатии на верхнюю часть клавиши выключателя (подаче импульса на вход S ) включается свет (на выходе Q устанавливается сигнал 1). После этого на выключатель можно не давить, свет остается включенным (сигнал на Q не изменяется после окончания импульса на входе S ). Наоборот, при нажатии на нижнюю часть выключателя (подаче сигнала на вход R ) свет выключается (на выходе Q устанавливается 0). Символы S и R происходят от слов Set и Reset . Ну, а что же внутри триггера. Оказывается он, в свою очередь, состоит из логических элементов.

Источник