Site Loader

Содержание

Как работает процессор: простыми словами о сложном

Все современное оборудование, от беспроводных наушников до сложнейших рабочих станций работает под управлением процессора. Каждый из нас знает, что процессор – это мозг устройства, он принимает команды от пользователя, делает вычисления и предоставляет результаты.

Но в тонкостях работы разбираются единицы. В этой статье мы постараемся доступно устранить подобный пробел в знаниях.

Транзисторы и кодирование информации

О том, что первые компьютеры занимали целые комнаты и даже отдельные здания, вы наверняка знаете. Вычисления они производили при помощи электромеханических реле и вакуумных ламп. Революция произошла в 60 годах, когда появились первые кремниевые транзисторы. Позже на их основе были разработаны интегральные монолитные схемы – прототипы современных процессоров.

В основе каждого транзистора находится кремниевая структура. Поскольку кремний – материал, обладающий свойствами полупроводника, в зависимости от условий он может пропускать электрический ток или нет.

Прошедший заряд – это единица, отсутствие заряда – ноль. Именно с помощью этих двух значений строится бинарный код, с помощью которого компьютер общается с пользователем. Другую информацию он воспринимать не способен.

И 1, и 0 – это 1 бит информации, 8 бит – составляют байт. При помощи 8-значной комбинации нулей и единиц можно закодировать любое число от 0 до 255. И уже при помощи этих комбинаций присвоить соответствующие коды любым понятиям, значениям и явлениям.

Для того, чтоб процессор понимал пользователя, были придуманы логические вилки (операторы). Мы все их знаем из курса информатики в школе: и/или, если/то/иначе. Такие команды позволяют компьютеру исходя из заданных условий принимать решения.

Что такое техпроцесс?

Производительность процессора в рамках одной серии или семейства напрямую зависит от количества транзисторов: чем больше транзисторов, тем больше комбинаций составляется в единицу времени, и тем больше вычислений производит устройство.

У первого процессора Intel 4004, вышедшего в 1971 году было 2250 транзисторов. Pentium 4 вмещал 42 млн транзисторов. Современные процессоры Epyc от AMD оснащены 39,54 миллиардами кремниевых транзисторов.

С размером транзисторов тесно связано понятие – техпроцесс.

Техпроцесс каждый из производителей диктует по своему. Кто-то размером транзистора целиком, кто-то размером только одной части – затвора. Третий вариант, который будет самым правильным – размер шага при производстве, то есть минимальным размером элемента, которым может оперировать разработчик при построении схемы. Так-же следует учесть, что производители указывают наименьший элемент, тогда как некоторые электронные элементы, от которых невозможно отказаться могут иметь размеры в десятки раз больше.

Тактовая частота

Это понятие зачастую является определяющим при покупке процессора.

Заряды проходящие через транзисторы создает тактовый генератор. Количество импульсов в единицу времени определяет скорость работы процессора. Однако он есть не в каждом процессоре. Может встречаться и другая конфигурация: на плате есть один или несколько тактовых генераторов, и они-же могут быть опционально включены в микропроцессоры.

Обязательный элемент каждого процессора – частотный резонатор, он дает корректный отклик на запрос в случае исправности, или не дает, что сообщает системе о неисправности элемента.

В основе каждого генератора имеется кварцевый кристалл. Он генерирует импульс с частотой около 100 МГц. На текущий момент могут еще довольно часто встречаться генераторы с частотой 33 МГц, особенно на дискретных контроллерах, например звуковых платах, sata/hba адаптерах и интерфейсных usb/com расширителях. Чтоб увеличить частоту, генерируемые кварцем колебания проходят через специальные узлы – множители. Они позволяют повысить частоты при пиковых нагрузках или снизить их, если нагрузка уменьшается или компьютер находится в простое.

Кстати, множители – это те самые узлы, которые отвечают за динамическое увеличение частоты в нагрузке и ее снижении в простое. Также они могут позволять разгон в случае отсутствия на них блокировки на повышение сверх штатного значения. Подробнее с этой темой можно ознакомиться в нашей статье.

У процессоров с разблокированным множителем пользователь по собственному желанию может увеличить тактовые частоты. Современные процессоры могут разгоняться на 20 – 30 % и даже больше.

Архитектура

Архитектура процессора – это компоновка транзисторов. Транзисторы объединяются в массивы – ядра. Каждое ядро в процессоре может независимо от других выполнять различные задачи, для этого регулярно повторяется следующий цикл действий:

  • Получение информации.
  • Раскодирование.
  • Выполнение вычисления.
  • Фиксация результата.

Вычисления выполняются по специальным алгоритмам и инструкциям, которые хранятся во временной памяти процессора.

Чтоб увеличить производительность процессора, современные компьютерные ядра делятся на 2 потока. Каждый поток занимается выполнением отдельных вычислений, обеспечивая процессору многозадачность и уменьшая очереди задач.

Кэш: зачем процессору собственная память?

Жесткие и твердотельные диски, а также оперативная память работают недостаточно быстро, чтоб обеспечить все нужды процессора. Поэтому каждый микрочип оснащен собственной сверхбыстрой кэш-памятью, хранящей данные с которыми в конкретный момент, работает процессор. Также в кэш-памяти размещаются инструкции по выполнению конкретных задач.

Что такое система на чипе?

Современные процессоры для телефонов, планшетов и ноутбуков уже давно перестали быть отдельными вычислительными центрами, специализирующимися на выполнении конкретных задач. Современный процессор – это целая система, которая включает собственно блоки для выполнения задач – ядра, а также модуль для отрисовки изображений – графический адаптер.

Роль ядер выполняют исполнительные блоки, которых значительно больше, чем в CPU, и которые параллельно выполняют миллионы задач. Также некоторые системы могут содержать и дополнительные опции, например, центр беспроводного соединения 5G или технологию передачи данных Thunderbolt.

Простыми словами о транзисторах в процессорах и памяти | Дивный мир!

Привет!

Хотите легко и непринуждённо загнать человека в ступор? Спросите у него, как работает транзистор.

Сегодня разберёмся, почему в процессорах и различных видах памяти используются транзисторы и как они работают. Без сложной теории и скучных формул — объясняю понятным языком!

Почему так популярны транзисторы и что это такое?

Транзистор — это устройство, позволяющее управлять проходимым через него током (потоком электронов)

Принцип работы транзисторов лучше всего понятен при использовании аналогий с устройствами повседневной жизни, например, рукомойником.

Есть бак или ёмкость с водой (аналогия — источник тока, например, аккумулятор). Ёмкость соединена трубопроводом (аналогия — провод) с шаровым краном (аналогия — транзистор). За шаровым краном идёт сливная труба, из которой может (по необходимости) выливаться вода.

Принцип работы транзистора аналогичен работе шарового крана

Принцип работы транзистора аналогичен работе шарового крана

Если шаровой кран закрыт, вода не проходит через него. Если же повернуть ручку крана, то вода устремляется наружу.

Перейдём теперь к транзисторам.

В компьютеростроении наибольшее распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором, или MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Они бывают разных форм и размеров. Вот так, например, выглядит силовой полевой транзистор:

MOSFET-транзистор, используемый в блоках питания

MOSFET-транзистор, используемый в блоках питания

MOSFET транзистор имеет 3 контакта со специальными названиями:

Исток — место, откуда начинает течь ток (аналог — конец шарового крана со стороны бака).
Сток — место, куда может течь ток (аналог — другой конец шарового крана со стороны сливной трубы).
Затвор — контакт, который управляет потоком тока (ручка шарового крана).

У MOSFET транзистора ток (поток электронов) хочет течь от истока к стоку, а затвор может или разрешить ему течь, или запретить.

Затвор тоже управляется током. Есть ток на затворе — транзистор пропускает ток от истока к стоку, нет тока — не пропускает.

Итак, MOSFET транзистор может либо проводить ток, либо не проводить его. Такое поведение отлично накладывается на компьютерную двоичную (булеву) логику: «0 / 1» или «включено / выключено«.

Современные микросхемы (микрочипы) процессоров, модулей оперативной (RAM) и постоянной (NAND) памяти состоят из миллиардов малюсеньких транзисторов, соединённых определённым образом. Как соединены транзисторы знают только сотрудники, занимающиеся разработкой архитектуры микрочипов.

Однако, в основе сложной архитектуры лежат простые соединения транзисторов для выполнения простейших двоичных (булевых) операций — «НЕ», «И» и «ИЛИ». Помните о таких из курса школьной информатики? Ничего, сейчас освежим память 😊

Операция «ИЛИ»

Рассмотрим тот же бак с водой. Только теперь к баку параллельно подключены 2 шаровых крана (смотрим рисунок). После шаровых кранов два трубопровода соединяются в один, из которого может вытекать вода.

Логическая операция «ИЛИ» на примере трубопровода. Вода не течёт, только когда оба крана закрыты

Логическая операция «ИЛИ» на примере трубопровода. Вода не течёт, только когда оба крана закрыты

Два крана дают 4 возможных состояния трубопровода. Вода будет течь, когда открыт хотя бы один кран, и не будет течь, только если оба крана закрыты.

Вода течёт, когда открыт ИЛИ верхний, ИЛИ нижний, ИЛИ оба крана.

Сказанное отражено в таблицах:

Левая таблица отражает состояния трубопровода. Правая таблица — то же самое, но в булевой логике, где «0» — отсутствие (потока воды, напряжения и т.п.), а «1» — наличие. В зависимости от состояний «Вход 1» и «Вход 2» формируется результат на «Выходе»

Левая таблица отражает состояния трубопровода. Правая таблица — то же самое, но в булевой логике, где «0» — отсутствие (потока воды, напряжения и т.п.), а «1» — наличие. В зависимости от состояний «Вход 1» и «Вход 2» формируется результат на «Выходе»

Кажется, что я слишком сложно объясняю простые вещи 😊

Операция «И»

Соединим теперь бак с двумя кранами, идущими последовательно друг за другом.

Логическая операция «И». Вода вытекает из трубопровода, только когда оба крана открыты, то есть открыт кран 1 И кран 2.

Логическая операция «И». Вода вытекает из трубопровода, только когда оба крана открыты, то есть открыт кран 1 И кран 2.

Здесь обратная ситуация. Вода будет вытекать только если оба крана открыты: кран 1, И кран 2.

Левая таблица — состояния трубопровода. Правая таблица — то же самое, но в булевой логике.

Левая таблица — состояния трубопровода. Правая таблица — то же самое, но в булевой логике.

Операция «НЕ»

Операция «НЕ» — это инверсия состояния, или операция отрицания.

Попытаемся представить неправдоподобную ситуацию, что когда Вы закрываете кран, то вода начинает течь, но когда открываете — вода течь перестаёт. Сложно такое представить, не так ли? 😊

В компьютере если на входе имеется логическая «1», то после операции НЕ на выходе имеем логический «0» и наоборот.

Заключительная часть

Из цепочек простых логических элементов «И«, «ИЛИ» и «НЕ» строятся различные сложные устройства: сумматоры, шифраторы, дешифраторы и т. д. — не будем забивать ими голову и оставим это специалистам.

И процессоры, и чипы памяти состоят из миллиардов различных транзисторов со сложными соединениями друг с другом. Такие соединения позволяют управлять током (потоком электронов) нужным образом, производя различные логические и арифметические операции.

Я постарался объяснить всё «на пальцах», не вдаваясь в физику полупроводниковых переходов.

Открывающая серию статья:

Продолжим изучать процессоры и память в следующих статьях 😊

Хэштеги #it-технологии #транзисторы #электроника #компьютерное железо #принцип работы #компьютерная логика #MOSFET #булева логика #процессор #микросхемы

Принцип работы NAND-памяти | SSD-накопители | Блог

Современные мобильные гаджеты, повышение быстродействия компьютерных систем и производство недорогих, но быстрых накопителей для хранения большого объема информации напрямую связано с микросхемами памяти.

В быстродействующих устройствах хранения данных используются микросхемы флеш-памяти. Анонсировали их в 1988-89 году, когда компании Intel и Toshiba представили память с архитектурой NOR (Intel) и NAND (Toshiba). Именно вторая разновидность стала наиболее популярной, так как имела больше возможностей для миниатюризации. Почему, сейчас разберемся.

Полевой транзистор с плавающим затвором — основа ячейки памяти

Основой всей технологии флеш-памяти, в том числе и NAND, является полевой транзистор с плавающим затвором. В общем случае его структура выглядит так:

Перед нами обычный полевой транзистор, у которого, помимо управляющего, появился еще один затвор. Так вот в этом затворе, называющемся «плавающий», как раз и кроется вся особенность технологии.

Дело в том, что этот затвор и полупроводник, представляющий собой канал транзистора между стоком и истоком, разделяет тонкий слой диэлектрика. Электроны воздействии положительного напряжения к затвору, смогут не только направиться по своему обычному пути внутри полупроводника, но и «перескочить» с помощью инжекции или туннелирования через слой диэлектрика в плавающий затвор.

Разумеется, так смогут сделать не все электроны, а только их часть — те, которые получили большую энергию. При этом они не пробивают слой диэлектрика в физическом смысле, а в соответствии со своими квантово-волновыми свойствами «перепрыгивают» сразу в плавающий затвор. Вернуться обратно «перепрыгнувшие» электроны не могут, так как у них для этого не хватает энергии.

То есть, мы можем подать напряжение и тем самым «затащить» электроны в плавающий затвор. Они там останутся,  когда мы включим транзистор в следующий раз ­— заряд, сосредоточенный на плавающем затворе окажет влияние на расположенный под ними канал между стоком и истоком: пропустит или не пропустит ток через транзистор независимо от напряжения на управляющем затворе. В самом простом случае мы получаем два состояния — ток есть или тока нет. Ноль и единицу. Что нам и требовалось.

Причем это состояние может сохраняться достаточно долго. Конечно, это время не бесконечно. Постепенно заряд на «плавающем» затворе потеряется. Но этого времени вполне достаточно для хранения информации в реальных условиях применения, так как речь идет о годах.

Разумеется, записанную информацию, то есть, заряд на плавающем затворе, можно стереть. Для этого достаточно подать на управляющий затвор напряжение обратной полярности, чтобы электроны смогли покинуть плавающий затвор и вернулись в проводящий канал транзистора. До этого времени заряд и логическое состояние транзистора сохраняется из-за того, что энергии электронов недостаточно для преодоления потенциального и физического барьера в виде тонкого слоя диэлектрика.

В процессе развития и миниатюризации технология изготовления полевых транзисторов с плавающим затвором менялась и совершенствовалась. Если первые элементы памяти создавали в планарном виде на поверхности кристалла, то сейчас используется технология 3D NAND или V-NAND (разные маркетинговые названия), в которой структура транзистора сформирована не на горизонтальной плоскости, а на вертикальной. Это позволяет экономить площадь и увеличивать объем памяти, который размещается в одной микросхеме. Принцип работы транзистора при этом остается прежним.

Кроме того, сейчас используют не только металлические плавающие затворы. Появились технологии изготовления кристаллов микросхем, повышающие их надежность и позволяющие удерживать заряд в течение большего времени. Например, компания Samsung использует для захвата зарядов и работы в качестве «плавающего затвора» изолированные области из непроводящего материала нитрида кремния SiN. Они называются 3D Charge Trap Flash — «ловушки заряда». Их применение увеличивает срок хранения заряда, а, следовательно, и информации в ячейке, а также делает микросхемы экономичнее в плане энергопотребления.

NAND и NOR ячейки памяти — как они работают

Транзисторы с плавающим затвором соединяются в матрицы, хранящие слова данных по нужным адресам, разными способами. Основными являются NAND и NOR. Эти аббревиатуры представляют собой сокращения словосочетаний «Not AND» и «Not OR» — соответственно «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».

Схематично способ построения матриц в двух случаях выглядит так:

Как видите из представленных схем, построение матрицы по схеме NOR удобно тем, что можно просто получить доступ к любой конкретной ячейке и записать информацию именно в нее. В случае с NAND несколько одиночных ячеек памяти соединены последовательно и для того, чтобы записать состояние «ноля» в одну из них, надо, чтобы все другие были открыты и пропускали ток.

Именно по этой причине стирание информации в микросхемы NAND-памяти производится поблочно, а для того, чтобы записать новые данные, обновляют информацию сразу для множества ячеек (осуществляют запись «постранично»). Но зато такая схемотехника позволила значительно упростить топологию и сократить размеры ячеек памяти на кристалле. Поэтому в современной микроэлектронике именно NAND-память является основной. И когда вы покупаете новый SSD-диск, то в нем стоят именно микросхемы с NAND-памятью.

Как в одной ячейке удается хранить до 4 бит данных

Небольшими размерами преимущества ячеек NAND-памяти не ограничивается.  Еще один интересный и полезный момент заключается в том, что в них можно записать не один, а несколько (до четырех) битов информации. Теоретически можно и больше, но пока реально можно говорить только о четырех, так как дальше начинаются серьезные технические сложности. Тем не менее, на мероприятии Flash Memory Summit 2019 представители компании Toshiba уже представили идею записи по пять бит данных в каждую ячейку. Но пока до практического применения дело ещё не дошло.

Разберемся, как работает запись нескольких бит информации в одну ячейку. Транзистор с плавающим затвором представляет собой элемент, который может находиться не только в двух состояниях — закрытом и открытом, но и в промежуточных. Фактически это аналоговый элемент, способный пропускать по цепи сток-исток ток разной величины в зависимости от того, какой заряд имеется на затворах и какое поле им создается.

Это значит, что можно «загнать» в плавающий затвор (в 3D NAND — в «ловушку зарядов») столько электронов, сколько понадобится, чтобы пропускать определенный ток через транзистор при определенном значении порогового напряжения. Таких пороговых напряжений может быть несколько, так как есть возможность накопить заряд больше или меньше — столько, сколько потребуется, чтобы в ячейке записалась нужная информация. Далее, подавая на транзистор напряжение и контролируя ток, можно судить о его состоянии, то есть о том, какие данные он хранит.

Отсюда и возникают ячейки памяти, в которых хранится не один бит информации, а больше, вплоть до четырех. Поэтому вся память делится на две категории: SLC (сокращение от Single Level Cell — одноуровневые ячейки) и MLC (Multi Level Cell — многоуровневые ячейки).

С SLC-ячейками все просто. Это классические элементы памяти, которые хранят один бит с двумя состояниями, одно из которых соответствует заряженному затвору, а второе — разряженному.

MLC-ячейки в свою очередь подразделяются на:

  • MLC-ячейки. Это элементы памяти, в которых может храниться два бита информации. Соответственно, для этого надо точно фиксировать четыре режима работы транзистора, чтобы понять, какая из четырех комбинаций данных хранится — 00, 01, 10, 11.
  • TLC-ячейки. TLC — сокращение от Triple Level Cell, трехуровневая ячейка. В них может храниться три бита данных, а, следовательно, потребуется точно фиксировать уже восемь режимов работы транзистора.
  • QLC-ячейки. QLC — сокращение от Quad Level Cell, четырехуровневая ячейка. В ней помещается уже четыре бита данных. Но при этом надо фиксировать уже 16 режимов работы транзистора.

Такое увеличение плотности записи с одной стороны повышает объемы накопителей. Но с другой снижается надежность, так как требуется высокая точность записи состояния и последующего чтения данных. Увеличивается и время, которое тратится на чтение и запись данных, так как надо понять, в каком из 4, 8 или 16 режимов находится транзистор.

Дальнейшие перспективы технологии

Чтобы еще больше увеличить плотность хранения данных в одной ячейке и перейти на хранение пяти бит информации, потребуется контролировать уже 32 режима работы транзистора. Учитывая, что питание микросхем составляет единицы вольт, речь идет о том, чтобы соблюдать точность измерения и установки пороговых напряжений в сотые доли вольта. И это только одна из сложностей, которые надо решить.

Кроме того, надо решать такие задачи, как коррекция ошибок, надежность и количество циклов записи/чтения. Последняя проблема — одна из наиболее критичных, так как запись и чтение данных приводит к износу и уменьшению слоя диэлектрика между плавающим затвором и полупроводниковым каналом транзистора, а, следовательно, к выходу из строя ячейки. Именно этот момент является определяющим для времени безотказной работы памяти. Но, вполне возможно, что инженеры скоро найдут решение, позволяющее сделать следующий шаг в увеличении плотности записи. Тогда появятся еще более объемные твердотельные накопители  по низкой цене.

Как работает микрочип — T&P

Иллюстрация: Максим Чатский

Микрочип состоит из транзисторов. Транзистор — это такой полупроводниковый электроприбор, у которого три электрода, от первого ко второму идет ток в зависимости от того, какое напряжение на третьем.

Вот откуда взялись все эти зеленые нолики и единички в фильмах о компьютерах. Из-за того, что транзисторы работают только с двумя состояниями 0 или 1, все данные в компьютере хранятся в двоичном виде. Мы привыкли к десятичным числам, состоящих из цифр от 0 до 9, а в двоичных числах цифр всего две — 0 и 1. И сосчитать до пяти в двоичных числах можно вот так: 1, 10, 11, 100, 101.

Это чем-то похоже на водопроводный кран: вода течет в зависимости от того, открыта или закрыта заслонка – только вместо воды у транзисторов напряжение, и состояния может быть два — есть напряжение или нет, 0 или 1.

Транзисторы бывают разных типов и используются они в электронике для того, чтобы реализовывать логические операции с ноликами и единичками.

Если мы подключим последовательно два крана к одной трубе, вода потечет только если оба крана включены, получится «логическое И»:

А если подключить два крана параллельно, то вода потечет, если хоть один кран включен, это называется «логическое ИЛИ»:

Транзисторы соединяют друг с другом в разной последовательности для того, чтобы реализовать разные логические операции: И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ и так далее. Для каждой такой функции придуманы специальные обозначения:

А вот, например, схема устройства, которое складывает два двузначных числа: AB + CD = XYZ

То есть, если на A и на D подать напряжение, то на выходе будет напряжение у Z и Y, а на X напряжения не будет:
AB + CD = XYZ
10 + 01 = 011

Те же самые вычисления можно производить не только на полупроводниковых транзисторах. В огромных шкафах старых аналоговых телефонных станций происходило то же самое, что и в микросхемах, только вместо транзисторов там были обычные электрические реле. А первые компьютеры были вообще механическими и сложные вычисления производились при помощи шестеренок еще в античные времена.

Если к контактам X, Y и Z мы подключим по светодиоду, а к контактам A, B, C и D подключим выключатели, то у нас получится простейший электронный калькулятор.

Микрочип состоит из сотен, тысяч и миллионов таких вот транзисторов, соединенных в одну сеть, потому что есть задачи посложнее, чем сложить два числа: калькулятор, флешка, управление кассовым аппаратом, ядерной электростанцией.

Центральный процессор в компьютере — тоже микрочип, только невероятно сложный. Я пишу этот текст на компьютере под упралением центрального процессора, состоящего из 1,17 миллиарда транзисторов. На этой картинке его увеличенное изображение. Для того, чтобы каждый транзистор в нем был размером хотя бы в один пиксель, надо увеличить ее примерно в 200 раз.

От транзисторов до затворов!



Для целей этого класса мы будем рассматривать транзисторы как основные строительные блоки компьютерного оборудования.

Транзистор является электронное устройство, имеющее три конца: источник, сток и затвор. Фигура ниже показаны три отдельных транзистора (около 1960-х годов). Современные технологии позволяет нам упаковать до 1 миллиона транзисторов на квадратный миллиметр (около 2006). Процессор Intel размером менее квадратного дюйма имеет значительно более 1.5 миллиард транзисторов на нем (около 2007 г.) — доступны дополнительные данные здесь.

Рисунок 1: Изображение отдельных транзисторов (любезно предоставлено Википедией).

Более удобно изображать транзисторы с помощью рисунка ниже.

Рисунок 2: Символ, используемый для изображения транзистора с тремя контактами точки.


Транзисторы как краны!

Работу транзистора можно объяснить, проводя аналогию к кранам.

Так же, как транзистор, кран подключен к источнику (вода компании), слив крана в раковине , и подача воды через кран регулируется вентилем (ручкой). Если ручка крана (ворота) есть включил на вода течет из источника в раковину, иначе если ручка крана (ворота) есть выключен вода не течет.

Рисунок 3: Работа крана: Затвор регулирует поток воды из источник тонуть.

Если мы представим факт, что вода течет от источника к раковине с номером 1 (или ПО) и тем, что вода не течет из источник на сток с 0 (или OFF), мы можем понять как работает транзистор, просто превращая «воду» в «электричество». В особый:

  • Когда затвор транзистора включен (или имеет значение 1 ), то электричество течет от источника к приемнику а транзистор называется ON

  • В противном случае, когда ворота транзистора OFF (или имеет значение 0 ), тогда электричество не течет от источника к стоку и говорят, что транзистор OFF .

Текущая технология, используемая для создания компьютерного оборудования (чипов), называется CMOS, что означает Complementary MetalOxideSemiconductor.

В КМОП, помимо использования описанного транзистора выше мы используем другой вид транзисторов, который оказывается на когда ворота OFF и поворачиваются OFF когда ворота НА . Другими словами, его действие является «дополняющим» (или противоположным) по отношению к тот, который мы только что описали выше.Символ этого комплементарного типа транзисторов показан ниже. Символ очень похож на транзистор, который мы описали выше, за исключением «пузырь», соединенный с воротами. Этот пузырь означает, что этот транзистор работает наоборот (это ON когда ворота OFF и ВЫКЛ. , когда ворота ВКЛ. .

Рисунок 4: Символ, используемый для изображения комплементарного транзистора.

Если провести аналогию с кранами, можно представить кран, который позволяет воде течь из источника в раковину, когда его ручка затянут, но не тогда, когда ручка ослаблена.


Использование транзисторов для построения больших схем

Используя транзисторы в качестве строительных блоков, мы можем создавать более крупные схемы. которые выполняют интересные (логические) операции.

Наш первый пример — схема НЕ . На рисунке ниже показано как соединить два транзистора вместе, чтобы построить инвертор (также известный как ворота НЕ ).

Рис. 5: Схема инвертора (известная как вентиль НЕ).

Теперь давайте выясним, что будет делать приведенная выше схема инвертора при представлении вход (т.е. х ). Мы знаем, что X может занять одно из двух значений: 0 или 1 . Изучим каждый отдельно.

  • Если X=0 то по определению нижнего транзистора будет OFF , что означает, что электричество не сможет течь из его источник к его стоку. Также, по определению, верхний транзистор будет быть НА , а это значит, что электричество сможет поступать от его источник к его стоку.Вопрос в том, будет ли электричество? выходящий из Z (где Z — это выход этого схема). Ответ ДА. Поскольку верхний транзистор открыт, а нижний транзистор выключен, электричество, вытекающее из батареи, пройти через верхний транзистор, но не сможет пройти нижний. Другими словами, он будет вытекать через З . Чтобы визуализировать работу инвертора, может быть полезно подумать об этом примере, используя аналогию с водой, обсуждавшуюся ранее.

  • Если X=1 то по определению нижнего транзистора будет НА , что означает, что любая электроэнергия, уже имеющаяся на своем источник будет сливаться в раковину. Также, по определению, верхний транзистор будет быть OFF , что означает, что электричество не сможет течь от его источник к его стоку. Вопрос в том, будет ли электричество? выходящий из Z (где Z — это выход этого схема).Ответ — нет. Так как верхний транзистор выключен и нижний транзистор включен, электричество, вытекающее из батареи, блокируется верхним транзистором и любым электричеством, которое может существовать в Z , будет слив. Другими словами, электричества не будет. вытекающий через Z . Опять же, может быть полезно подумать о в этом примере используется аналогия с водой, обсуждавшаяся ранее.

В приведенной ниже таблице резюмируется работа логического элемента НЕ, предоставляя выход (Z). для каждого возможного входа (X) схемы. Таблицы, подобные этой (предоставляющей нам со значением функции для всех возможных комбинаций входов этого функция) называются таблицами истинности.

Рис. 6: Таблица истинности, обобщающая работу инвертора схема (функция НЕ).

На рисунке ниже показано, как можно построить другую схему, используя транзисторы. Эта схема имеет два входа X и Y и один вывод Z .

Рисунок 7: Схема «не одновременно X и Y» (функция НЕ-И).

Есть 4 возможности для входов, а именно

  • Х=0, Y=0
  • Х=0, Y=1
  • Х=1, Y=0
  • Х=1, Y=1

попробуем сделать анализ аналогичен тому, что мы сделали для ворот НЕ . В В частности, рассмотрим случай, когда оба X и Y равны 0.По определению два нижних транзистора будут ВЫКЛ. , в то время как двумя верхними будут ON , что позволит электричеству течь от аккумулятор к выходу Z . Таким образом, для X=0, Y=0 получаем Z=1 . В случае, когда оба X и Y равны 1, два нижних транзистора будут ON , а два верхних будут OFF , таким образом электричество не будет поступать от аккумулятора к вывод Z . Таким образом, для X=1, Y=1 мы получаем Z=0 .в случае, когда X=0 и Y=1 , мы замечаем, что один из двух верхних транзисторы будут на а остальные будут ВЫКЛ . Аналогично, для нижних транзисторов будет ON , а другой будет OFF . Таким образом, электричество еще сможет течь на Z (через ПО транзистор сверху), что дает Z=1 . Случай для X=1, Y=0 аналогично. Это дает Z=1 .

Таким образом, мы получаем приведенную ниже таблицу истинности для схемы, показанной выше.

НЕ-И

Х Д З
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Рисунок 8: Таблица истинности, обобщающая работу логического элемента И-НЕ.

Приведенная выше таблица истинности говорит, что выход схемы равен 0 . только когда два входа равны 1 , это прямо противоположно логическая функция И (логическая функция И выводит 1 всякий раз, когда как его первый вход, так и его второй вход равны 1). Таким образом, мы называем эту схему «Не И». ворота или ворота NAND .

Для того, чтобы построить И ворота, все, что нам нужно сделать, это подключить выход NAND на вход NOT .

Рисунок 9: Схема «оба X и Y» (функция И).

 

Подобно вентилю NAND , мы можем построить NOR . (Не ИЛИ) ворота как показано на рисунке ниже.

Рисунок 10: Схема «не X и не Y» (функция НЕ-ИЛИ).

Мы оставляем в качестве упражнения проверку того, что таблица истинности приведенного выше схема показана ниже.

НИ

Х Д З
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

Рисунок 11: Таблица истинности, обобщающая работу вентиля ИЛИ-НЕ.

И так же, как мы смогли получить функцию И с помощью подключение выхода функции НЕ-И ко входу НЕ (см. рис. 9), мы можем получить функцию ИЛИ (который выводит 1 всякий раз, когда хотя бы один из его входов равен 1) на подключение выхода функции ИЛИ-НЕ ко входу НЕ функция.


Основные логические функции

Из приведенных выше примеров и обсуждения мы заключаем, что мы можно построить основные логические функции И , ИЛИ , и НЕ с использованием транзисторов.

Поскольку мы будем использовать эти функции (или вентили) в будущих проектах, мы дадим их символы, чтобы нам не пришлось рисовать все транзисторы и все соединения каждый раз, когда мы хотим использовать (скажем) вентиль ИЛИ .

Для ворот ИЛИ мы будем использовать следующий символ:

.

ИЛИ

Х Д З
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Рисунок 12: Символ вентиля ИЛИ и его таблица истинности.

Для ворот и мы будем использовать следующий символ:

.

И

Х Д З
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

  Рис. 13. Символ вентиля И и его таблица истинности.

Наконец, для ворот НЕ мы будем использовать следующий символ:

.

Рисунок 14: Символ вентиля НЕ и его таблица истинности.


Прочие логические функции

Соединяя элементы И, ИЛИ и НЕ вместе, мы можем построить более сложные (логические) функции.

Давайте начнем с простого примера, показанного на рисунке ниже, а именно, строительство трехвходовой элемент ИЛИ из двухвходовых элементов ИЛИ .Уведомление что поведение вентиля ИЛИ с тремя входами должно производить вывод 1 , когда хотя бы один из входов равен 1 , в противном случае (т.е. когда все входы равны 0 , он производит 0 ).

 

Рисунок 15: Функция ИЛИ с тремя входами, построенная с использованием двух 2-входные вентили ИЛИ.

Этот процесс можно обобщить, что позволит нам построить четырехвходовые, пятивходовые и т. д. ИЛИ вентили.

Точно так же мы можем построить вентили И с более чем двумя входами.Например На рисунке ниже показаны два различных способа реализации 4-входового Элемент И из двухвходовых элементов И .

Рис. 16. Функция И с 4 входами, построенная с использованием трех 2-входные вентили И.

Приведенные выше два примера просты, так как можно предсказать поведение многих ворот И , соединенных вместе, или поведение многих ИЛИ вентилей, соединенных вместе. Однако, вообще говоря, это может быть не так просто.Учитывая произвольную схему, мы можем найти что он делает, строя свою таблицу истинности , которая является табулирование выхода схемы для всех возможных входов комбинации. Возьмем, к примеру, схему ниже.

Рисунок 17: Функция, построенная путем соединения различных И, ИЛИ, а НЕ ворота.

Во-первых, мы замечаем, что у него есть два входа: X и Y . Каждый один из этих входов может принимать одно из двух значений 0 и 1 .Таким образом, таблица истинности для этой схемы будет иметь четыре записи. Для каждой такой записи мы должны узнать выход З . Мы делаем это, маркируя цепь.

Например, если X = 0 и Y = 0 , мы можем пометить различные входы и выходы всех ворот, пока мы не узнаем, что Z = 0 , как показано ниже.

Рисунок 18: Выход функции на рисунке 15, когда X=0 и Y=0.

Точно так же мы можем сделать это для X = 0 и Y = 1 , чтобы получить Z = 1 , как показано ниже.

Рисунок 19: Выход функции на рисунке 15, когда X=0 и Y=1.

Если мы сделаем это для всех 4 входных комбинаций, мы получим таблицу истинности ниже.

Исключающее ИЛИ

Х Д З
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Рисунок 20: Таблица истинности для функции на рисунке 17 — функция известен как XOR.

Обратите внимание, что приведенная выше процедура может быть использована для определения таблицы истинности для любую логическую схему.

Из таблицы истинности на рис. 20 видно, что поведение схемы таково, что она выдает на выходе 1 , если оба входа не совпадают —т. е. когда любой из его входов равен 1 , но не оба . Этот функция называется эксклюзивной функцией или функцией (исключающее ИЛИ). На рисунке ниже показано символ, используемый для изображения функции XOR (или вентиля), показанной на рисунке 17.

Рисунок 21: Символ вентиля XOR.

Можете ли вы угадать, сколько транзисторов потребуется, чтобы построить описанный выше вентиль исключающее ИЛИ?

Подводя итог, если мы возьмем транзисторы в качестве строительного блока, можно увидеть, как объединить несколько транзисторов для создания логических функций, таких как И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ и т. д. Соединяя несколько из них, мы получаем еще более сложные (интересные) функции, и процесс продолжается, что позволяет нам строить функциональные возможности, такие же сложные, как те, которые поддерживаются, скажем, процессором вашего ПК.


Как работает транзистор?

Введение

Транзисторы произвели революцию, когда они были впервые разработаны и представлены еще в 1930-х годах. Они сразу заменили громоздкие лампы и триоды в электронных схемах. С тех пор и по сегодняшний день они производятся и широко используются. Эти крошечные трехногие детали можно считать ступенькой в ​​области электроники.

В этой статье мы попытаемся понять, как работает транзистор.

Что такое транзисторы

Подобно диодам, они также являются активными полупроводниковыми компонентами, которые доступны как в кремниевом, так и в германиевом исполнении.

В основном их можно разделить на категории NPN и PNP. Мы не будем обсуждать его внутренний состав или детали допинга, так как объяснение может быть слишком обширным, чтобы уместиться в одной статье. Проще говоря, NPN-транзистор будет работать по отношению к земле и принимать положительное напряжение в качестве триггера, тогда как PNP-транзистор будет работать по отношению к положительному источнику питания и будет запускаться при отрицательном напряжении.

Как они функционируют

Описанное выше функционирование можно объяснить с помощью аналогии с «рычагом». Все мы знаем, как небольшое усилие, приложенное к одному концу поворотного рычага, может использоваться для перемещения тяжелых предметов. В электронной схеме транзисторы ведут себя одинаково, т. е. небольшой ток при подаче на один из трех выводов (база) позволяет относительно большому току течь через оставшиеся два вывода (от коллектора к эмиттеру).

Попробуйте сами

Вышеупомянутое функционирование можно проверить на практике, выполнив следующий эксперимент:

  • Возьмите NPN-транзистор общего назначения, например: BC547B, повернув печатную сторону к себе, правую и левую стороны. выводы обозначаются как «Излучатель» и «Коллектор» соответственно, центральный вывод, очевидно, является «Основой».
  • Подсоедините (пайкой) катод (короткий провод) светодиода к «Коллектору», также подключите резистор, скажем, 150 Ом к аноду (длинный провод) светодиода.
  • Присоедините резистор номиналом около 10 кОм к «базе» транзистора.
  • Наконец, подключите положительный источник питания (от 3 до 12 вольт) к свободному концу резистора 150 Ом, а отрицательный — к «эмиттеру» транзистора.
  • Не смущайтесь, если вы обнаружите, что светодиод не светится, потому что именно здесь начинается настоящая проверка.
  • Как показано на рисунке, светодиод можно включать и выключать, подавая небольшое напряжение (>0,6 Ом) на свободный конец резистора 10 кОм или «Базу» транзистора.
  • В целях тестирования вы можете использовать положительный источник питания для переключения светодиода. Хотя это напряжение может выглядеть довольно большим, на самом деле очень небольшая его часть достигает «базы» из-за токоограничивающего резистора 10 кОм.
  • Размер этого резистора должен быть рассчитан в соответствии с «коллекторной» нагрузкой (в данном случае светодиодом) для правильной работы схемы (формулу можно получить из одной из моих предыдущих статей «…безопасный ток через светодиоды… ‘).
  • Если для описанного выше эксперимента используется PNP-транзистор, просто поменяйте полярность светодиода и напряжения питания.

Приведенный выше эксперимент, должно быть, дал вам четкое представление о том, как работает транзистор.

Источник изображения: https://www.elementaryelectronics.com/components/transistor/pic%201.jpg

Что делает транзистор? Объясните принцип работы транзистора |

Что делает транзистор? Если вы знаете, что такое транзистор, то этот вопрос мог возникнуть у вас в голове.Мы можем вспомнить или запомнить что-то, используя наш мозг. Точно так же компьютер может запоминать информацию и команды, которые вы даете. В этом случае можно сказать, что у нас есть мозги, чтобы мы могли это сделать. Но компьютер не человек, у него нет мозга. Как он может запоминать команды и информацию? В вашем мозгу около 100 миллиардов (десять триллионов) клеток. Их называют нейронами. Именно благодаря этим клеткам или нейронам вы можете что-то запомнить через свой мозг. У компьютеров также есть миллиарды мини-«клеток мозга».Эти клетки мозга в компьютере — это то, что мы знаем как транзисторы. Эти транзисторы представляют собой сложную комбинацию кремния. Теперь давайте узнаем, что делает транзистор?

Функции транзисторов

Проще говоря, транзистор — это крошечный электронный компонент. Он может делать две разные вещи. Транзистор может действовать как усилитель или как переключатель.

Транзисторная схема

Транзистор в качестве усилителя

Когда транзистор действует как усилитель, он получает небольшой электрический ток на одном конце.Опять же, он производит гораздо больший электрический ток на другом конце. Другими словами, его задача — увеличить ток. Эта функция усиления тока впервые была использована на нашей телефонной линии. В телефонах и мобильных телефонах есть маленькие микрофоны. Он усиливает электрические звуковые волны, приходящие из разных уголков мира с помощью транзисторов через этот маленький громкоговоритель. Опять же, мы можем слышать это, когда говорим.

Транзистор в качестве переключателя

Транзисторы также могут работать как переключатели.В одной части транзистора протекает небольшой электрический ток. Это может создать гораздо больший электрический ток в другой части этого транзистора. Именно этот метод люди используют для создания компьютерных процессоров. Транзистор разделен на две части. Он может хранить два разных числа, это ноль и один (двоичное число). Существуют миллиарды транзисторов. В результате компьютерный чип может хранить миллиарды двоичных чисел. Более того, заодно запоминайте и другие распространенные цифры и буквы.

Старые машины можно открывать отверткой.Там вы можете своими глазами увидеть процесс сборки этих машин. Но устройства нынешнего века используют другую технологию. Он находится во внутренних частях устройств. Таким образом, вы не можете увидеть это невооруженным глазом.

Работа транзистора заключается в управлении движением одного электрона. Итак, вы можете понять, насколько мал современный транзистор. Современный компьютерный чип размером с палец.

Что означают биполярные транзисторы?

В биполярном транзисторе ток протекает через два типа носителей.

  1. Большинство (Отверстие)
  2. Меньшинство (Электрон)

Теперь, когда ток течет по двум несущим, он называется биполярным транзистором.

Опять же, транзисторы, в которых электричество протекает через любую одну несущую, называются униполярными транзисторами.

Униполярный транзистор состоит из трех частей. Это:

1) Ворота

2) Слив

3) Источник

Работа биполярного транзистора Транзисторный радиоприемник

Эмиттер-база транзистора соединена в прямом смещении, а база-коллектор подключена в обратном смещении.В результате с помощью основных носителей (дырки) ток проходит через эмиттерно-базовый переход. База здесь очень тонкая. Таким образом, его сопротивление очень велико. В итоге можно сказать, что ток через базу не течет или близок к нулю. То есть

I E = I B + I c

Если I B = 0,

Я Е = Я С

В результате ток достигнет коллектора. Опять же, ток протекает как через основные, так и через неосновные носители.

Итак, поток увеличивается многократно.

Процесс изготовления транзистора

Транзисторы представляют собой сложную комбинацию кремния. Кремний — это химический элемент, содержащийся в песке. Силикон не поддерживает электричество, а это означает, что электроны не могут проходить внутри силикона. Вот почему мы знаем кремний как полупроводник. Это означает, что он не проводник и не изолятор.

Силиконовый сэндвич

Мы можем модифицировать кремний с помощью процесса, называемого легированием.После этого кремний начнет вести себя по-другому. Мы можем «легировать» кремний такими химическими элементами, как мышьяк, фосфор, бор, галлий и алюминий. Тип элемента, который мы используем, приводит к формированию полупроводников p-типа и n-типа.

Мы узнали, что силикон бывает двух видов. Теперь мы можем поместить эти два типа силикона в один слой в форме, как бутерброд. Только тогда из них мы сможем изготовить различные типы основных электронных компонентов. Вот что такое диод.Это электронный компонент, который мы можем использовать, чтобы заставить ток течь определенным образом. Вы можете использовать этот диод для преобразования двустороннего электрического тока в постоянный (односторонний).

Допустим, мы положили в наш бутерброд три слоя силикона вместо двух. В этом случае мы можем сделать два вида бутербродов.

Силиконовый сэндвич
  1. сэндвич pnp: кремний N-типа между двумя P-типами
  2. npn-сэндвич: кремний P-типа между двумя N-типами

Теперь, соединив эти три слоя электрических контрактов, мы можем создать компонент, через который мы можем усилить ток или включить/выключить его как переключатель.Другими словами, это транзистор.

Принцип работы транзисторов в калькуляторах и компьютерах

Транзистор работает двумя способами

  1. Усилитель
  2. Переключатель

Мы можем объединить несколько транзисторных ключей для создания логического элемента.

Калькулятор

Логический вентиль преобразует несколько входных токов в разные выходные. Этот логический вентиль помогает компьютеру принимать очень простые решения. Этот процесс принятия решений осуществляется с помощью математической техники. Это то, что мы знаем как булеву алгебру.

Наш мозг также принимает решения посредством того же самого процесса. Эта булева алгебра имеет разные команды и разные ситуации.

Компьютер принимает математические решения за счет правильного применения этих команд в данной ситуации. Это команды AND OR, NOR, XOR, NOT, NAND и т. д. Эти команды позволяют компьютеру складывать или сравнивать двоичные числа. Опять же, это очень простой элемент компьютерной программы. Логические последовательности сообщают компьютеру, что делать, зачем это делать и когда это делать.

Переходной транзистор обычно находится в выключенном состоянии без тока. Опять же, он «включен», когда течет ток. Это означает, что для включения/выключения транзистора требуется электрический ток. Однако эти типы транзисторов можно модифицировать отдельно с помощью этих логических элементов, чтобы эти выходные соединения зависели от их входа. Транзисторы остаются во включенном состоянии, даже если через них протекает ток. Теперь каждый раз при протекании нового тока транзистор начинает включаться/выключаться в виде «флипа».Этот процесс называется триггером, и он преобразует транзистор в простую память, где (если выключен) хранится ноль и (если включен) одно число. Этот триггер является базовой технологией микросхем компьютерной памяти.

Надеюсь, это объясняет все, что вы хотите знать о том, что делает транзистор?

Подробнее интересные статьи

  1. Распространенные заблуждения об электричестве и его решении
  2. Что означает мАч в батарее? Тайна про мАч отмечена в аккумуляторе
  3. Направление тока и потока электронов | Почему они противоположны друг другу?

Существует предел размера транзисторов, но решение — фотонные чипы — кварц. аксиома или наблюдение.По сути, это предполагает, что электронные устройства удваиваются в скорости и возможностях примерно каждые два года.

И действительно, каждый год технологические компании придумывают новые, более быстрые, умные и лучшие гаджеты.

В частности, закон Мура, сформулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром, заключается в том, что «количество транзисторов, встроенных в чип, будет удваиваться примерно каждые 24 месяца». Транзисторы — крошечные электрические переключатели — это основной блок, который приводит в действие все электронные гаджеты, о которых мы только можем подумать.По мере того, как они становятся меньше, они также становятся быстрее и потребляют меньше электроэнергии для работы.

В мире технологий один из самых больших вопросов 21-го века: насколько малы мы можем сделать транзисторы? Если есть предел тому, насколько крошечными они могут стать, мы можем достичь точки, в которой мы больше не сможем продолжать делать меньшие, более мощные и более эффективные устройства. Это отрасль с годовым доходом более 200 миллиардов долларов только в США. Может перестанет расти?

Приближаясь к пределу

В настоящее время такие компании, как Intel, массово производят транзисторы 14 нанометров в поперечнике, что всего в 14 раз шире, чем молекулы ДНК. Они сделаны из кремния, второго по распространенности материала на нашей планете. Атомный размер кремния составляет около 0,2 нанометра.

Ширина современных транзисторов составляет около 70 атомов кремния, поэтому возможность сделать их еще меньше сама по себе сокращается. Мы очень близко подошли к пределу того, насколько маленьким мы можем сделать транзистор.

В настоящее время транзисторы используют для связи электрические сигналы — электроны, перемещающиеся из одного места в другое. Но если бы мы могли использовать свет, состоящий из фотонов, вместо электричества, мы могли бы делать транзисторы еще быстрее.Моя работа по поиску способов интеграции обработки на основе света с существующими чипами является частью этих зарождающихся усилий.

Включение света внутрь микросхемы

Транзистор состоит из трех частей; думайте о них как о частях цифровой камеры. Сначала информация поступает в линзу, аналогичную источнику транзистора. Затем он проходит по каналу от датчика изображения к проводам внутри камеры. И, наконец, информация хранится на карте памяти камеры, которую называют «стоком» транзистора, куда в конечном итоге попадает информация.

Прямо сейчас все это происходит за счет движения электронов. Чтобы заменить свет в качестве среды, нам на самом деле нужно вместо этого перемещать фотоны. Субатомные частицы, такие как электроны и фотоны, движутся волнообразно, вибрируя вверх и вниз, даже когда они движутся в одном направлении. Длина каждой волны зависит от того, через что она проходит.

В кремнии наиболее эффективная длина волны для фотонов составляет 1,3 микрометра. Это очень мало — человеческий волос составляет около 100 микрометров в поперечнике. Но электроны в кремнии еще меньше – их длина волны в 50–1000 раз короче, чем у фотонов.

Это означает, что оборудование для работы с фотонами должно быть больше, чем устройства для работы с электронами, которые мы имеем сегодня. Так что может показаться, что это заставит нас создавать более крупные транзисторы, а не меньшие.

Однако по двум причинам мы могли бы оставить чипы того же размера и обеспечить большую вычислительную мощность, уменьшить размер чипов при одинаковой мощности или, возможно, и то, и другое. Во-первых, фотонному чипу требуется всего несколько источников света, генерирующих фотоны, которые затем можно направить вокруг чипа с помощью очень маленьких линз и зеркал.

Во-вторых, свет гораздо быстрее электронов. В среднем фотоны могут двигаться примерно в 20 раз быстрее, чем электроны в чипе. Это означает, что компьютеры работают в 20 раз быстрее, а для достижения такой скорости при использовании современных технологий потребуется около 15 лет.

В последние годы ученые продемонстрировали прогресс в области фотонных чипов. Ключевой задачей является обеспечение того, чтобы новые световые чипы могли работать со всеми существующими электронными чипами. Если мы сможем понять, как это сделать, или даже использовать световые транзисторы для улучшения электронных, мы увидим значительное улучшение производительности.

Когда я смогу получить легкий ноутбук или смартфон?

Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем первое потребительское устройство появится на рынке, и прогресс требует времени. Первый транзистор был изготовлен в 1907 году с использованием вакуумных трубок, высота которых обычно составляла от одного до шести дюймов (в среднем 100 мм). К 1947 году был изобретен текущий тип транзистора — тот, который сейчас составляет всего 14 нанометров в поперечнике — и имел длину 40 микрометров (примерно в 3000 раз больше, чем нынешний).А в 1971 году первый коммерческий микропроцессор (основной элемент любого электронного гаджета) был в 1000 раз больше, чем сегодняшний, когда он был выпущен.

Огромные исследовательские усилия и последующая эволюция, наблюдаемая в электронной промышленности, только начинаются в фотонной промышленности. В результате современная электроника может выполнять задачи гораздо более сложные, чем лучшие современные фотонные устройства. Но по мере продолжения исследований возможности света догонят и в конечном итоге превзойдут скорости электроники.Сколько бы времени ни потребовалось, чтобы добраться туда, будущее фотоники блестяще.

Первоначально этот пост появился на The Conversation.

Что такое транзистор? — Определение, символ, принцип работы и типы, ограничения

Транзистор — это тип полупроводникового устройства, которое можно использовать как для проведения, так и для изоляции электрического тока или напряжения. Транзистор в основном действует как переключатель и усилитель. Простыми словами можно сказать, что транзистор — это миниатюрное устройство, которое используется для контроля или регулирования потока электронных сигналов.

Транзисторы

являются одним из ключевых компонентов большинства современных электронных устройств. Разработанный в 1947 году тремя американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, транзистор считается одним из самых важных изобретений в истории науки.

Детали транзистора

Типичный транзистор состоит из трех слоев полупроводниковых материалов или, точнее, выводов, которые помогают подключаться к внешней цепи и проводить ток.Напряжение или ток, подаваемый на любую пару выводов транзистора, регулирует ток через другую пару выводов. Есть три вывода для транзистора. Они есть;

  • База: Используется для активации транзистора.
  • Коллектор
  • : это положительный вывод транзистора.
  • Эмиттер
  • : это отрицательный вывод транзистора.

Основной принцип работы транзистора основан на управлении протеканием тока через один канал путем изменения интенсивности очень малого тока, протекающего через второй канал.

Типы транзисторов

В зависимости от того, как они используются в схеме, существуют в основном два типа транзисторов.

  1. BJT (биполярный переходной транзистор)
  2. FET (полевой транзистор)

1. Биполярный переходной транзистор (BJT)

Три вывода BJT: база, эмиттер и коллектор. Очень маленький ток, протекающий между базой и эмиттером, может управлять большим током между коллектором и терминалом эмиттера.

Кроме того, существует два типа BJT.Это включает;

  • Транзистор P-N-P: это тип BJT, в котором один материал n-типа вводится или помещается между двумя материалами p-типа. В такой конфигурации устройство будет управлять потоком тока. Транзистор PNP состоит из 2 кварцевых диодов, соединенных последовательно. Правая и левая стороны диодов известны как диод коллектор-база и диод эмиттер-база соответственно.
  • Транзистор N-P-N: в этом транзисторе мы найдем один материал p-типа, который присутствует между двумя материалами n-типа.Транзистор N-P-N в основном используется для усиления слабых сигналов до сильных сигналов. В транзисторе NPN электроны перемещаются из области эмиттера в область коллектора, что приводит к образованию тока в транзисторе. Этот транзистор широко используется в схеме.

Существует три типа конфигурации

.

А. общая база (CB),

Б. общий коллектор (СС) и

C. общий эмиттер (CE).

В конфигурации с общей базой (CB) клемма базы транзистора является общей между входной и выходной клеммами.

A. Общая база (CB) Конфигурация

Входные характеристики

Конфигурация выключателя

На этой диаграмме описывается изменение тока эмиттера I E  с базовым напряжением эмиттера, В BE , при сохранении постоянного напряжения коллектора, В CB .

Выходные характеристики

Конфигурация выключателя

На этой диаграмме показано изменение тока коллектора I C с V CB при сохранении постоянного тока эмиттера I E .

B.
Конфигурация с общим коллектором (CC)

В конфигурации с общим коллектором (CC) клеммы коллектора являются общими между входными и выходными клеммами.

Входные характеристики

Показывает изменение I B  в соответствии с V CB при постоянном напряжении коллектор-эмиттер V CE .

Выходные характеристики

Это демонстрирует изменение I E  относительно изменений V CE , сохраняя I B постоянным.

C. В конфигурации с общим эмиттером (CE)

В конфигурации с общим эмиттером (CE) клемма эмиттера является общей между входной и выходной клеммами.

Входные характеристики

Здесь показано изменение I C  с изменениями в V CE при сохранении I B постоянным.

 

Выходные характеристики

Здесь показано изменение I C  с изменениями в V CE при сохранении I B постоянным.

2. Полевой транзистор (FET)

Для полевого транзистора три клеммы: затвор, исток и сток. Напряжение на клемме затвора может управлять током между истоком и стоком. FET представляет собой униполярный транзистор, в котором N-канальный FET или P-канальный FET используется для проводимости. Основные области применения полевых транзисторов — в малошумящих усилителях, буферных усилителях и аналоговых переключателях.

Другие типы

Помимо них, существует много других типов транзисторов, включая MOSFET, JFET, биполярный транзистор с изолированным затвором, этот пленочный транзистор, транзистор с высокой подвижностью электронов, полевой транзистор с перевернутой буквой T (ITFET), быстрообратный эпитаксиальный полевой диод. -транзистор на эффекте (FREDFET), транзистор Шоттки, туннельный полевой транзистор, органический полевой транзистор (OFET), диффузионный транзистор и др.

Как работают транзисторы?

Давайте посмотрим на работу транзисторов. Мы знаем, что BJT состоит из трех выводов (эмиттер, база и коллектор). Это управляемое током устройство, в котором внутри биполярного транзистора существуют два PN-перехода.

Один P-N переход существует между эмиттером и базовой областью, а второй переход существует между коллектором и базовой областью. Очень небольшое количество тока, протекающего через эмиттер к базе, может контролировать достаточно большое количество тока, протекающего через устройство от эмиттера к коллектору.

При обычной работе биполярного транзистора переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. При протекании тока через переход база-эмиттер в цепи коллектора будет протекать ток.

Чтобы объяснить работу транзистора, давайте возьмем пример транзистора NPN. Те же принципы используются для транзистора PNP, за исключением того, что носители тока представляют собой дырки, а напряжения меняются местами.

Работа транзистора NPN

Эмиттер устройства NPN изготовлен из материала n-типа, поэтому основными носителями являются электроны.Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, электроны будут перемещаться из области n-типа в область p-типа, а дырки неосновных носителей перемещаются в область n-типа.

Когда они встречаются друг с другом, они объединяются, позволяя току течь через соединение. Когда переход смещен в обратном направлении, дырки и электроны удаляются от перехода, и теперь между двумя областями образуется обедненная область, и через нее не будет протекать ток.

Когда между базой и эмиттером протекает ток, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу, как показано выше.Обычно электроны объединяются, когда достигают обедненной области.

Но уровень легирования в этой области очень низкий, а база очень тонкая. Это означает, что большая часть электронов может перемещаться по области, не рекомбинируя с дырками. В результате электроны будут дрейфовать к коллектору.

Таким образом, они могут протекать через переход с обратным смещением, и ток течет в цепи коллектора.

Преимущества транзистора

  • Более низкая стоимость и меньший размер.
  • Меньшая механическая чувствительность.
  • Низкое рабочее напряжение.
  • Чрезвычайно долгий срок службы.
  • Нет энергопотребления.
  • Быстрое переключение.
  • Могут быть разработаны схемы с более высокой эффективностью.
  • Используется для разработки одной интегральной схемы.

Ограничения транзисторов

Транзисторы

также имеют несколько ограничений. Они следующие;

  • В транзисторах отсутствует повышенная подвижность электронов.
  • Транзисторы могут быть легко повреждены при возникновении электрических и тепловых явлений.Например, электростатический разряд при обращении.
  • Транзисторы подвержены воздействию космических лучей и радиации.

 

Что такое транзистор и как он работает

 

Изобретение
   Этот беспрецедентный поток инноваций начался в середине 40-х годов, когда группа ученых из Bell Labs решила найти решение, которое заменило бы вакуумную лампу и механические реле на что-то лучшее, что-то более надежное, более эффективен, менее затратен в обслуживании.16 декабря 1947 года Уолтер Браттейн при поддержке своей команды и всего научного сообщества Bell Labs внес еще одну поправку в свое странное приспособление, состоящее из германия, золотых полосок, изоляторов и провода и впервые наблюдал усиление входного сигнала. Транзистор родился и неосознанно, информационный век. Лауреаты Нобелевской премии Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли впоследствии разработали методы, позволяющие сделать эту технологию практичной, эффективно обучая промышленное сообщество тому, как использовать ее для создания приложений от слуховых аппаратов до телефонных коммутаторов, от портативные радиоприемники к телевизорам.
    Транзистор, изобретенный в Bell Laboratories в 1947 году, стал результатом усилий по поиску лучшего усилителя и замены механических реле. Вакуумная лампа усилила музыку и голос в первой половине 20-го века и сделала междугородние звонки практичными. Но он потреблял много энергии, работал горячим и быстро сгорал. Телефонная сеть требовала сотен тысяч реле для соединения цепей для совершения звонков. Сетевые реле были механические устройства, требующие регулярного обслуживания для очистки и регулировки.
Более дешевый в изготовлении, чем вакуумная лампа, и гораздо более надежный, транзистор сократил стоимость и улучшил качество телефонных услуг и, казалось бы, в одночасье породил бесчисленное количество новых продуктов и целых новых отраслей.

Как работает транзистор
    Транзистор имеет множество применений, но только две основные функции: переключение и модуляция — последняя часто используется для усиления. Проще говоря, транзистор работает как диммер в вашей гостиной.Нажмите на ручку диммера, загорится свет; нажмите еще раз, свет погаснет. Вуаля! Переключатель. Вращайте ручку вперед и назад, и свет становится ярче, тусклее, ярче, тусклее. Вуаля! Модулятор. Чтобы понять усиление, подумайте о это: относительно легкое действие с вашей стороны, чтобы повернуть ручку от низкого до высокого значения, превращается в гораздо более впечатляющую реакцию света — вся комната сияет светом! Вуаля! Усилитель. И диммер, и транзистор управляют протеканием тока, будь то через лампу или устройство, которое нужно активировать.Оба действуют как переключатель — вкл/выкл — и как модулятор/усилитель — высокий/низкий. Важное отличие состоит в том, что «рука» управляет транзистором в миллионы раз быстрее. А также он подключен к другому электрическому источнику — радиосигналу в антенне, например, голосу в микрофоне, или сигналу данных в компьютерной системе, или даже другому транзистору.
    Транзисторы изготовлены из полупроводников, таких как кремний и арсенид галлия. Эти материалы проводят электричество умеренно хорошо — недостаточно хорошо, чтобы называться проводником, как медные провода; не настолько плохо, чтобы называться изолятором, как кусок стекла.Отсюда и их название: полупроводниковые.
    «Волшебство» транзистора заключается в его способности управлять собственной полупроводимостью, а именно действовать как проводник, когда это необходимо, или как изолятор (непроводник), когда это необходимо.
Полупроводники различаются по своему электрическому действию. Помещение тонкого куска полупроводника одного типа между двумя слоями другого типа приводит к поразительным результатам: небольшой ток в центральном слое может управлять потоком тока между двумя другими.Этот небольшой ток в среднем срезе — это сок, который подается, например, от антенны или другого транзистора. Даже когда входной ток слабый, например, от радиосигнала, прошедшего большое расстояние, Транзистор может управлять сильным током из другой цепи через себя. По сути, ток через «выходную сторону» транзистора имитирует поведение тока через «входную сторону». В результате получается сильная, усиленная версия слабого радиосигнала.

Что делают транзисторы
В современных микросхемах, содержащих миллионы транзисторов, «объединенных» вместе по определенному шаблону или «конструкции», усиленный выходной сигнал одного транзистора приводит в действие другие транзисторы, которые, в свою очередь, управляют другими и т. д. .Постройте последовательность в одном направлении, и микросхема может усиливать слабые сигналы антенны в насыщенный квадрофонический высококачественный звук. Соберите чип по-другому, и транзисторы взаимодействуют, создавая таймеры для управления часами или микроволновой печью, или датчики для контроля. температуры, обнаруживать злоумышленников или предотвращать блокировку колес автомобиля (системы ABS). Расположите транзисторы в другом массиве и создайте арифметические и логические процессоры, которые заставят калькуляторы выполнять вычисления, компьютеры — вычислять, «обрабатывать» слова, искать информацию в сложных базах данных, сети — для «общения» друг с другом или системы, передающие голос. данные, графика и видео для создания наших коммуникационных сетей.
    Для выполнения такой простой задачи, как сложение единиц и единиц, может потребоваться множество транзисторов, соединенных в команды, называемые логическими вентилями. Но соедините достаточное количество транзисторов по соответствующим шаблонам, и транзисторы в конечном итоге выполнят большую работу, работая быстро, включая и выключая 100 миллионов раз в секунду или больше, и работая в огромных командах.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.