Все мы еще с уроков информатики знаем, что информация внутри компьютера передаётся при помощи нулей и единиц, но оказалось, что большинство айтишников, с которыми я общаюсь (и довольно хороших!) слабо представляют, как же, все-таки, устроен компьютер.
Как заставить песок делать то, чего мы от него хотим?
Для большинства людей познания устройства компьютера оканчиваются на уровне его составных элементов — процессор, видеокарта, оперативная память… Но что именно происходит внутри этих чёрных прямоугольничков после подачи питания — магия. В этой статье (скорей всего, даже серии статей) я постараюсь простым языком объяснить, как же устроены эти таинственные прямоугольнички.
Собираем компьютер из атомов
Путь познания мы начнем почти с самого низкого уровня абстракции — с уровня атомов. Все мы знаем, что почти вся электроника основана на кремнии, но почему же именно кремний?
По-хорошему нужно пройти полный курс полупроводниковых приборов, но я изложу принципиальные моменты, которые позволят увидеть более структурированную и ясную картину происходящего.
Орбитали и энергетические уровни
Для примера возьмем простейший атом — водород. Ядро водорода состоит из одного протона и он имеет всего один электрон, который (упростим для понятности изложения) вращается по круговой орбите.
Вернее будет сказать, что орбита не круговая, а сферическая, то есть, электрон создает вокруг ядра оболочку. Согласно Принципу Паули, по одной такой орбите в атоме может вращаться не более двух электронов. Орбитали бывают не только сферической формы (так называемые S-орбитали), но и, например, гантелеобразной формы (P-орбитали).
Орбитали образуют подуровни: например, две S-орбитали образуют S-подуровень, который может вместить два электрона; три P-орбитали образуют P-подуровень, он уже может уместить 6 электронов за счет взаимно перпендикулярного расположения орбиталей в пространстве. На подуровнях орбиталей более сложной формы можно разместить уже большее число электронов (D, F, G, H, I — подуровни вмещают соответственно 10, 14, 18, 22, 26 электронов).
Чем сложнее форма оболочки и чем дальше электрон от ядра, тем большую он имеет энергию. На картинке справа изображён пример энергетических уровней, которые может занимать электрон в отдельном атоме.
Последние два слова выделены не просто так: когда появляются соседние атомы, картина меняется. 
Например, если мы начнем сближать два атома водорода, то система, как известно, будет стремиться к минимуму энергии. Поэтому для объединения двух отдельных атомов водорода в молекулу H2 это должно быть энергетически выгодно!
И, действительно, энергетические уровни электронов каждого атома расщепляются, образуя два подуровня — верхний и нижний, которые становятся общими для теперь уже молекулы водорода. Как можно заметить, нижний подуровень обладает меньшей энергией, чем в отдельном атоме водорода, поэтому электроны его занимают и образуют молекулу, стягивая ядра, словно ремнями.
Атомы в кристалле
Если продолжать увеличивать число соседних атомов, то внутри крайних значений энергии расщеплённых уровней у двух соседних атомов появятся новые энергетические состояния (в виде дополнительной тонкой структуры). При достаточно большом количестве соседних атомов (то есть в кристалле вещества) дискретные разрешенные состояния сливаются в «полосы» — это знакомые многим валентная зона, зона проводимости и запрещенная зона.
Носители заряда и проводимость
Электроны, имеющие энергию в валентной зоне, не участвуют в переносе заряда по кристаллу: они прочно «сидят» в связях, а для того, чтобы электрон мог перемещаться по кристаллу, ему нужно занять более высокий энергетический уровень. Это можно сделать, сообщив ему энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. При этом разрывается ковалентная связь, и в валентной зоне остается вакантное место — положительно заряженная «дырка».
Кремнию достаточно комнатной температуры, чтобы тепловые колебания кристалла разрывали ковалентные связи, образуя свободные носители заряда — дырки и электроны.
Полупроводники и диэлектрики
Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.
Полупроводники p- и n-типа
Все это увлекательно, но было бы достаточно бесполезно без легирования примесями.
Если атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заместить пятивалентным атомом элемента V группы таблицы Менделеева, то четыре валентных электрона примесного атома будут задействованы в формировании ковалентных связей. Пятый электрон не участвует в формировании ковалентных связей, он слабо связан с ядром и поэтому легко может перейти в зону проводимости и стать свободным носителем заряда, оставляя при этом неподвижный, положительно заряженный ион. Такая примесь называется донорной, а получившийся полупроводник — полупроводником n-типа (negative).
Если же атом кристаллической решетки четырехвалентного кремния или германия заменить трехвалентным элементом, он сможет образовать лишь 3 из 4 ковалентных связей в решетке, так как для образования четвертой ему потребуется электрон из другой ковалентной связи. В такой комбинации образуется вакантное место — подвижная положительно заряженная дырка, и при этом остается неподвижный отрицательно заряженный ион примеси. Такая примесь называется акцепторной, а получившийся полупроводник — полупроводником p-типа (positive).
Обращаю внимание, что собственный полупроводник, полупроводник n-типа или p-типа являются электрически нейтральными и имеют равное количество положительных и отрицательных зарядов. Разница лишь в том, что у легированных полупроводников «зеркальные» электронам и дыркам заряды — это неподвижные ионы примеси, прочно сидящие в кристаллической решетке. В нелегированном полупроводнике количество свободных электронов равно количеству дырок, в легированном же (например, донорном) количество электронов превышает количество дырок, так как большая часть из них заменена на неподвижные ионы примеси.
Диод
Если соединить теперь полупроводник n-типа с полупроводником p-типа, мы получим диод. Кстати, реальный диод имеет мало общего с его схематичным изображением, но это уже другая история.
Рассмотрим, что же происходит на границе полупроводников. В n-полупроводнике высокая концентрация электронов, а в p-полупроводнике — низкая. Электроны, подобно газу, начнут перемещаться (диффундировать) из области с высокой концентрацией в область с более низкой.
Аналогично будут поступать и дырки из p-полупроводника.
Вследствие перемещений возникает диффузионный ток, обусловленный градиентом концентрации носителей заряда. Переходя через границу, подвижные носители заряда обнажают неподвижные ионы примеси, которые создают «останавливающее», противоположно направленное поле или, иначе, компенсирующий дрейфовый ток.
В отсутствие внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга.
Если внешнее поле приложено по направлению, оно компенсирует поле неподвижных ионов и открывает заслонку для диффузионного тока.
Если поле приложено в противоположном направлении, оно усиливает лишь дрейфовый ток, ничтожно малый, по сравнению с диффузионным.
Таким образом мы получаем элемент, который проводит ток в одну сторону и не проводит в другую.
Резисторно-диодная логика
Раз уж мы говорим о цифровой технике, отметим, что при помощи диода уже можно реализовать логические элементы И и ИЛИ:
Но для создания функционально полной системы логических функций, на основе которой можно получить любую логическую функцию, нам не обойтись без элемента НЕ.
Для создания этого элемента нам потребуется транзистор.
Транзистор
По сути, транзистор — это схема из двух диодов, включенных встречно. В отсутствие напряжения на среднем электроде (базе) ток между другими электродами не течет.
Создав разность потенциалов между эмиттером (электродом с повышенной концентрацией носителей заряда) и тонкой базой, мы создаем поток неосновных носителей заряда из эмиттера в базу, а в случае pnp-транзистора — дырки.
Так как концентрация дырок в эмиттере повышена, а база тонкая, ее объем заполняется дырками, и она превращается из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, соединяя между собой эмиттер и коллектор.
Инвертор
Подключив npn-транзистор следующим образом, мы получаем инвертор: при наличии лог 1 на базе транзистор открывается и соединяет выход с землей — лог 0. При лог 0 на базе — транзистор заперт и выход подтянут к питанию — лог 1.
Таким образом мы получаем управляемый напряжением электронный ключ, который позволяет создать логический элемент НЕ, а, следовательно, и функционально полную систему логических функций.
На этой ноте заканчиваем с физикой, электронами и дырками: мы имеем всё необходимое для создания вычислительного устройства.
Как заставить логические элементы что-либо вычислять, запоминать и выполнять инструкции — в следующей статье.
Автор: Вячеслав
