Краткое содержание
В этом видео рассказывается об истории создания и принципах работы транзистора, ключевого элемента современной электроники. Объясняется, как транзисторы изготавливаются из полупроводников, как легирование полупроводников позволяет создавать материалы n- и p-типов, и как соединение этих материалов приводит к созданию диодов и транзисторов. Также демонстрируется, как с помощью транзисторов можно создавать логические схемы, лежащие в основе работы компьютеров, и как эти схемы можно использовать для выполнения арифметических операций, таких как сложение и вычитание.
- Транзистор - одно из величайших изобретений человечества, основа современной электроники.
- Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, их проводимость можно изменять путем добавления примесей.
- Транзисторы используются для создания логических схем, которые позволяют компьютерам выполнять вычисления.
Введение в транзисторы и полупроводники [0:00]
Транзистор - одно из величайших изобретений в истории человечества, положившее начало современной технологической эпохе. Транзисторы изготавливаются из полупроводников, материалов, занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. В проводниках валентные электроны слабо связаны со своими атомами и могут свободно перемещаться, образуя электронный газ. В диэлектриках электроны жёстко связаны со своими атомами, и ток они не проводят.
Полупроводники: N-тип и P-тип [0:42]
Полупроводники похожи на диэлектрики, но их внешние электроны связаны со своими атомами слабее. Иногда электроны могут отрываться от атомов, образуя электроны проводимости и дырки. В чистом полупроводнике количество электронов и дырок примерно одинаково, и он плохо проводит ток. Однако, можно искусственно увеличить количество носителей заряда, добавив примеси. Добавление атомов с большим количеством электронов (например, фосфора в кремний) создаёт полупроводник n-типа с избытком электронов. Добавление атомов с меньшим количеством электронов (например, бора в кремний) создаёт полупроводник p-типа с избытком дырок.
Диоды: соединение P-типа и N-типа [5:09]
При соединении полупроводников p-типа и n-типа часть дырок из p-области переходит в n-область, а часть электронов из n-области переходит в p-область. В результате образуется область истощения с пониженной концентрацией зарядов, что ухудшает проводимость элемента. При подаче напряжения в прямом направлении (плюс к p-области, минус к n-области) область истощения уменьшается, и ток течёт. При подаче напряжения в обратном направлении область истощения увеличивается, и ток не течёт. Такое устройство называется диодом.
Транзисторы: создание и принцип работы [6:39]
Транзистор (Триод) состоит из трёх полупроводниковых областей: n-p-n или p-n-p. В мосфет-транзисторе два фрагмента полупроводника n-типа внедрены в полупроводник p-типа. К полупроводникам n-типа подключается основная цепь. При подаче напряжения на затвор (третий контакт) в p-области между n-областями создаётся канал с высокой концентрацией электронов, что позволяет току течь между стоком и истоком. Таким образом, транзистор работает как управляемый выключатель.
Логические схемы: основы современной электроники [9:55]
Транзисторы являются идеальным материалом для изготовления логических схем. Рассмотрены три основные логические схемы: "И", "ИЛИ" и "НЕ" (инвертор). Схема "И" выдаёт сигнал 1 только если на оба входа поданы сигналы 1. Схема "ИЛИ" выдаёт сигнал 1, если хотя бы на один вход подан сигнал 1. Схема "НЕ" инвертирует входной сигнал. Комбинируя эти схемы, можно создавать более сложные логические элементы, такие как "И-НЕ".
Двоичная система счисления и сумматор [13:00]
В компьютерах используется двоичная система счисления, в которой числа записываются с помощью степеней двойки. Числа, записанные в двоичной форме, можно складывать с помощью логических схем. Простейший сумматор складывает два двоичных числа и состоит из логических схем "Исключающее ИЛИ" и "И". Для сложения многоразрядных чисел используется полный сумматор, состоящий из двух бинарных сумматоров и схемы "ИЛИ".
Сложение в столбик и полный сумматор [17:23]
Для сложения многоразрядных двоичных чисел используется метод сложения в столбик. Полный сумматор состоит из двух бинарных сумматоров и схемы "ИЛИ" и позволяет складывать числа любой длины. Соединив несколько полных сумматоров, можно создать калькулятор, способный складывать числа любой длины.
Вычитание с помощью сумматора [21:37]
Операцию вычитания можно осуществить с помощью сумматора, представив вычитание числа B из числа A как сложение числа A с отрицательным числом -B. Для превращения числа B в число -B необходимо инвертировать все разряды числа B и прибавить к результату единицу. Для этого используется логическая схема "Исключающее ИЛИ" и сигнал действия, который указывает, складываем мы или вычитаем.
Отрицательные числа и расширение возможностей калькулятора [27:49]
Для работы с отрицательными числами используется способ трактовки записи двоичных чисел, при котором старший разряд берётся с обратным знаком. Это позволяет складывать и вычитать как положительные, так и отрицательные числа. После того, как мы научились складывать и вычитать, можно научить калькулятор умножать и делить.
