Физические основы действия современных компьютеров

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: как оформить реферат, курсовики скачать бесплатно
| Добавил(а) на сайт: Паринов.

Заключение 25

Список использованной литературы: 26

Введение

Сейчас, когда человечество входит в третье тысячелетие, для обитателей мегаполисов незаменимой вещью, фактически правой (или левой) рукой стал компьютер. Однако, очень мало кто действительно представляет себе, как работает этот «черный ящик». В данной работе мы попытаемся описать не только структурное устройство компьютера, но и продемонстрировать, благодаря каким физическим законам он действует.

Двоичная система счисления и логика.

Для большинства людей не является тайной, что компьютеры работают в двоичной системе счисления. Однако, что это за система такая, и почему именно в ней - знают не все. N-ичная позиционная система счисления суть такая система, где роль «десятки» выполняет число N. В случае двоичной системы счисления роль десятки играет число 2, и в ней числа будут записываться как 0, 1, 10, 11, 100, 101, 111… и т.д. Таким образом, число
1310 (13 в привычной нам, десятичной, системе счисления) в двоичной будет записываться как 11012.
Почему же была избранна именно двоичная система счисления? Дело в том, что компьютер, как любое электрическое устройство, может оперировать либо с модулированным сигналом, либо с наличиемотсутствием сигнала. Таким образом, если бы нам захотелось заставить компьютер считать в десятичной
(привычной всем нам) системе счисления, то пришлось бы решать задачу как, например, различать сигнал по напряжению. Например, сигнал в 1 вольт – это будет единица, 3 вольта – тройка и так до десяти. Однако, модулированный сигнал требует измерения. А это не очень удобно, т.к. требует дополнительного усложнения системы. Тем не менее, подобные попытки все же предпринимались, и компьютеры, измерявшие поступивший сигнал назывались аналоговыми. Таким образом, родилась идея использовать троичную систему счисления, где роль нуля, единицы и минус единицы играли отсутствие напряжения, наличие положительного напряжения и наличие отрицательного напряжения на входе в элемент. Однако, И это оказалось не совсем удобным
(хотя многие первые компьютеры использовали именно эту систему).
В результате, остановились на двоичной системе, где роль единицы и нуля играло наличие и отсутствие напряжения на входе. Это оказалось еще удобно тем, что двоичная система счисления очень удобно связывается с логикой, т.к. логика оперирует понятиями истинности и ложности – чем не нуль и единица? С помощью двоичной системы счисления оказалось возможным кодировать любую информацию. Так, если одну цифру (0 или 1) считать минимальной единицей информации (ее назвали «бит), то 8 бит (23 бит) – 8 цифр 0 или 1 (называемые «байт») в виде одного числа могут принимать значение от 0000000 до 111111112 т.е. 25510. Таким образом, в один байт можно записать 256 разных значений, что вполне достаточно для представления одним байтом всех цифр десятичной системы счисления, двух алфавитов
(например, латинского и греческого), набора специальных символов типа точек, тире, и т.п. и еще «место осталось».
Таким образом, оказалось очень удобно использовать в компьютерах двоичную систему счисления, а информацию мереть в битах, байтах и тысячах, миллионах, миллиардах и т.п. байт (килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт).
Следует заметить, что килобайт – это вовсе не 1000 байт, а 1024 (210 – система-то двоичная) и т.п. Как же эти нулики и единички циркулируют в компьютере?

Схема действия компьютера.

В общем и целом, компьютер состоит из устройств ввода-вывода, памяти и центрального процессора. Вполне понятно, что устройства ввода – это клавиатура, мышь, сканер, дисководы, жесткие диски, накопители на магнитной ленте, CD и DVD-ROM и т.п. Устройства вывода – монитор, принтер, плоттер, а так же снова дисководы, жесткие диски, накопители на магнитной ленте, CD и
DVD-ROM и т.п. Строго говоря, поименованные накопители, которые вошли в устройства ввода и устройства вывода одновременно так же можно отнести и к разряду памяти, но не оперативной, а долговременной. Впрочем, о них позже.
Память (оперативная) – это буфер для содержания непосредственно необходимых для выполнения данной задачи данных, а центральный процессор – устройство, которое собственно ведает выполнением программы и управляет остальными.
Именно центральный процессор занимается счетом и решением логических задач.
Легко догадаться, что любую задачу (от похода в магазин до расчета параметров аэрокосмического истребителя) можно задать как набор логических и математических параметров, увязанных логическими структурами типа «если – то – иначе). Как функционирует процессора мы рассмотрим ближе к концу данного труда, а сейчас обратимся снова к памяти.

Долговременная память.

Накопители на магнитных дисках и лентах.

Это самый известный нам способ хранения информации. Суть его заключается в намагничивании областей на носителе (ленте, диске) а потом считывании наличияотсутствия намагниченности. Накопители на магнитных лентах сейчас отошли в прошлое из-за крайне невысокой скорости поиски информации, а диски используются и по сю пору крайне широко.
Бегло рассмотрим параметры современных магнитных дисков. На данный момент используются три их вида: дискеты 5.25 дюйма диаметром, дискеты 3.14 дюйма и накопители на жестких магнитных дисках, в простонародье называемых
“винчестерами” (что связано с объемом первых НЖМД, численно равным калибру наиболее распространенных ружей данного производителя). Диски 5.25 дюйма имеют объем до 1.2 мегабайта, таким образом, минимальная область намагничивания (область одного бита, если можно так выразиться) имеет площадь:
[pic]3.14*(5.25*2.54*10-2)2/(4*1.2*220)(1.16*10-8м2.
По той же формуле рассчитываем размеры единицы информации на диске 3.14 дюйма, кторые достигают объемом 1.44 мегабайта. Получаем примерно 4*10-9м2.
Современные же жесткие диски имеют линейные размеры 3.14 дюйма, в одной сборке (одном «винчестере») содержится до 10 дисков, а объем его может достигать сотен терабайт. Таким образом, размеры единицы информации на них по прядку величины – до 10-14м2. Понятное дело, что накопители на жестких дисках очень чувствительны к пыли и потому содержатся в герметичных корпусах.

CD и DVD-ROM.

На этих накопителях используется оптическая система записи данных. Сам диск состоит из зеркальной поверхности, на которой имеются углубления. Диск облучается лазером, и в зависимости от наличия или отсутствия, фотодиод улавливает либо не улавливает отраженный свет. Таким образом формируются единицы и нули.
[pic]
Сравнительные характеристики этих накопителей:
| |CD |DVD |
|Диаметр диска |120 мм. |120 мм. |
|Толщина диска |1.2 мм |1.2 мм |
|Структура диска |Один слой |Два слоя по 0.6 мм |
|Длинна волны лазера |708 нм. |650 и 635 нм. |
|Числовая апертура |0.45 |0.60 |
|Ширина дорожки |1.6 мкм |0.74 мкм |
|Длинна единичного |0.83 мкм |0.4 мкм |
|«углубления» | | |
|«Слоев» данных |1 |1 или 2 |
|Емкость |Около 680 |При одном слое данных: |
| |мегабайт |2*4.7 Gb, при двух – |
| | |2*8.5Gb |

Само собой разумеется, что размеры «углублений» должны быть сравнимы с длинной волны лазера, чтобы в достаточной мере проявлялись корпускулярные свойства его света, а волновые себя практически не проявляли. Впрочем, это и следует из таблицы.

Полупроводниковые устройства.

Для начала рассмотрим принцип действия полупроводниковых приборов.
Поскольку для компьютера наиболее важными является транзисторы, именно ими мы рассмотрение полупроводниковых устройств и ограничим.

Полупроводниками называют группу элементов и их соединений, у которых удельное сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Исходным материалом для изготовления полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы периодической системы
Менделеева (кремний, германия и т.п.), а так же их соединения. Все они являются кристаллическими веществами при нормальных условиях.
При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией, часть валентных электронов, получив необходимую энергию, уходят из ковалентных связей, при этом они становятся носителями электрических зарядов. Одновременно, при разрыве ковалентных связей, образуются и «дырки»
– незаполненные ковалентные связи. В химически чистых полупроводниках, как легко догадаться, количество свободных электронов равняется количеству дырок. Таким образом, полупроводник не теряет электрической нейтральности, т.к. кол-во дырок и кол-во свободных электронов в ем равны. В электрическом и магнитных полях дырка ведет себя как частица с положительным зарядом, равным заряду электрона.
Дырка (незаполненная ковалентная связь) может быть заполнена электроном, покинувшим соседнюю ковалентную связь. Одна ковалентная связь разрывается, другая – восстанавливается. Таким образом получается впечатление, что дырка перемещается по кристаллу. Разрыв ковалентных связей, в результате которого образуются свободный электрон и дырка называется генерацией, а восстановление ковалентной связи – рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выделением некоторого кол-ва энергии, а рекомбинация – поглощением.
При отсутствии электрического поля свободные электроны и дырки совершают хаотические тепловые перемещения по кристаллу, что, соответственно, не сопровождается появлением тока. При наличие же внешнего электрического поля перемещение свободных электронов и дырок упорядочивается, и в результате через полупроводник начинает течь ток. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной (n-тип от “negative”
– отрицательный), а дырок – соответственно дырочной (p-тип от “positive” – положительный).
Основным для чистых полупроводников является n-тип, т.к. электроны имеют большую подвижность. Если же внести в полупроводник атомы с более низкой валентностью (т.н. акцепторы), чем сам полупроводник, то он приобретет p- тип, т.к. низковалентные атомы охотно поглотят свободные электроны.
Область, где полупроводник с электронным типом проводимости стыкуется с полупроводником с дырочным типом проводимости называется p-n переходом.
Рассмотрим физические процессы, проходящие в монокристалле с разными типами проводимости.
В n-области концентрация электронов больше, чем в p-области и наоборот – для дырок.
Под действием градиента концентрации возникает диффузия основных носителей заряда. Электроны диффундируют в p-область, а дырки – в n- область. Возникают области с избыточными концентрациями неподвижных зарядов неосновного носителя для данного типа полупроводника. Таким образом возникает внутренне диффузионное поле Езап p-n перехода, и устанавливается контактная разность потенциалов между двумя типам полупроводника, которая зависит от материала, примеси и степени ее концентрации.
Под действием внутреннего диффузионного поля основные носители оттесняются от границы полупроводников, таким образом, на границе образуется тонкий слой, практически лишенный основных носителей заряда, обладающий высоким сопротивлением. Этот слой называется запирающим.
Неосновные носители свободно проходят через внутренне поле p-n перехода, т.к. оно для них является разгоняющим, и производят ток проводимости
(дрейфа). Основные носителя, преодолевая диффузионное поле, создают диффузионный ток. При отсутствии внешнего поля диффузионный ток и ток дрейфа равны. Такое состояние называется равновесным.
Если к p-n переходу приложить внешнее прямое напряжение (положительный полюс подсоединен к p-области, отрицательный – к n. Внешнее электрическое поле этого источника противоположно внутреннему диффузному полю.
Напряженность поля перехода падает, ширина запирающего слоя уменьшается, а вместе с ней – и высота потенциального барьера. Из-за уменьшение высоты потенциального барьера возрастает диффузионный ток, а токи дрейфа уменьшаются. В результате образуется результирующий т.н. прямой ток Iпр, текущий в направлении от p к n-области.
Если же приложит напряжение обратной направленности (т.н. обратное включение), то напряженность внутреннего поля p-n перехода возрастает, диффузионные токи уменьшаются практически до нуля (растет потенциальный барьер). Ток же дрейфа практически не меняет своего значения. Возникает обратный ток – Iобр, который пропорционален количеству неосновых носителей в полупроводнике и много меньше (примерно на 6 порядков) прямого тока.
Таким образом, можно считать, что полупроводник с p-n переходом имеет одностороннюю проводимость.
При работе в p-n переходе может наблюдаться его пробой при обратном напряжении, т.к. при росте обратного напряжения растет напряженность внутреннего поля перехода, ведущий к росту подвижности носителей, формирующих обратный ток. При их достаточной скорости из-за разрыва ковалентных связей образуются добавочные электроны и дырки, которые, в свою очередь могут при соударениях могут создавать новые и новые носители. Этот процесс называется лавинным размножением и ведет к быстрому нарастанию обратного тока. Данный процесс обратим, пока он не перешел в тепловой.
Наличие объемных зарядов и электрического поля в обедненном слое придает p- n переходу свойства электрической емкости ( т.н. барьерная емкость p-n перехода). Она зависит от площади перехода и подаваемого к нему напряжения.
(удельная электрическая проницаемость на площадь p-n перехода, деленная на четыре пи на ширину запорного слоя.
Физические характеристики, такие как ток пробоя, допустимые температуры работы, допустимая мощность рассеяния, мощность прибора и т.п. зависят от материала и и способа исполнения прибора.

Биполярные транзисторы.

Биполярный транзистор – монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости (p-n-p или n-p-n). Среднюю область называют базой, а крайние – коллектором и эмиттером. Переход между эмиттером и базой – эмиттерный переход, между базой и коллектором – коллекторный.
[pic]Назначение эмиттерного перехода – впрыскивание (инжекция) основных носителей эмиттера в базовую область.
Инжекция эмиттерного перезода оценивается через коэффициент инжекции:

(отношение эмиттерного тока, обусловленного носителями эмиттера к общему току эмиттера, созданному как основными носителями эмиттера, так и основными носителями базы). Для повышения эффективности эмиттера и уменьшения составляющей тока основных носителей базы область эмиттера делают с большей концентрацией основных носителей, нежели область базы.
Для базы инжектированные эмиттером носителями являются неосновными. При прямо смещении эмиттерного перехода вблизи него в базе возникает значительный рост неосновных носителей. Создается диффузионный поток от эмиттерного перехода к коллекторному (где их наоборот – недостаток). Под действием ускоряющего поля неосновные носители базы втягиваются в область коллектора, что создает управляемый коллекторный ток Iку в его цепи.
Коэффициент переноса показывает какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода (т.к. естественно, достигают не все). Этот коэффициент определяется как отношение управляемого коллектором тока к току эмиттера, созданного основными носителями.

Также важным параметром является коэффициент передачи тока эмиттера
(приращение тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменно напряжении на коллекторном переходе).
Этот коэффициент мало отличается от единицы (от 0.95 до 0.99). Но кроме коллекторного тока, созданного инжекцией, в коллекторной цепи течет еще и небольшой по величине обратный ток коллекторного перехода Iкбо, обусловленный неосновными носителями коллектора и базы. При изменении окружающей температуры обратный ток нарушает стабильность работы транзистора., т.к. Iк = Iку + Iкбо.

Можно также упомянуть, что каждый транзистор обладает рядом параметров.
Часть из них можно назвать параметрами транзисторов при малых токах, а остальные – физическими параметрами транзистора.
Рассмотрим для начала параметры при малых токах. При малых токах транзистор можно рассматривать как линейный активный четырехполюсник, описываемый следующими уравнениями:
[pic]U1=h11I1+h12U2
I2=h21I1+h22U2
Где h11 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе h12 – коэффициент обратной передачи при холостом ходе на входе h21 – коэффициент усиления по току при коротком замыкании на выходе h22 – выходная проводимость при холостом ходе на входе.

К физическим параметрам транзисторов относятся: rэ – сопротивление эмиттерного перехода с учетом объемного сопротивления эмиттерной области
(обычно – несколько десятков Ом); rк – сопротивление коллекторного перехода
(от нескольких сотен килоом до мегаома); rб – объемно сопротивление базы
(несколько сот Ом).
Также любой транзистор обладает т.н. предельным характеристиками: предельной температурой переходов (для кремниевых транзисторов до 200 градусов по Цельсию, для германиевых – до 100) и максимальная мощность, рассеиваемая транзистором:
[pic] где Tокр – температура окружающей среды, RTокр – тепловое сопротивление,
Tnmax – предельная температура переходов.
От температуры зависят и другие характеристики транзисторов, как то, например, при повышении температуры на 10 градусов ток Iкбо возрастает в 2 раза, что нарушает режим работы транзистора в сторону больших токов.
Поэтому в промышленности применяются транзисторы из более термостойких материалов (кремниевые) и различные методы охлаждения схемы.
Однако, биполярные транзисторы обладают весьма небольшим входным сопротивлением и высокой инерционностью. Поэтому в компьютерах используются в основном полевые транзисторы, которые (к тому же) гораздо легче поддаются миниатюризации. Биполярные транзисторы дают большее быстродействие.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы бывают двух типов – канальные и с изолированным затвором. Последние и применяются в компьютерах, их мы и рассмотрим.
[pic]
(здесь и далее серым цветом обозначается окисел кремния SiO2).
Металлический электрод затвора изолирован от канала тонким слоем диэлектрика (двуокисью кремния SiO2). Концентрация примеси в областях стока и истока значительно больше, чем в канале. Основанием для транзистора служит полупроводник p-типа. Исток, сток и затвор имеют металлические выводы, с помощью которых транзистор и подключается к схеме. Такой транзистор также называется МОП-транзистором (металл-окисел-полупроводник).
МОП-транзисторы характеризуются следующими статическими параметрами режима насыщения:
[pic] при Uc=const, где S – крутизна характеристик, (Ic – изменение тока стока, (Uзи – изменение напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке.
[pic] при Uзи=const, где Ri – внутренне сопротивление, (Uc – изменение напряжения на стоке,
(Ic – изменение тока стока при постоянном напряжении на затворе.
[pic] при Iс=const, где ( – коэффициент усиления, показывающий, во сколько раз сильнее влияет на ток стока изменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке.
Uзи отс – обратное напряжение на затворе (напряжение отсечки), при котором токопроводящий канал оказывается перекрытым.
Входное напряжение между затвором и истоком определяется при максимально допустимом напряжении между этими электродами.
На высоких частотах также очень важными являются междуэлектродные емкости: входная, проходная и выходная.
К важнейшим достоинствам полевых транзисторов относятся:
1) Высокое входное сопротивление (до 1015 Ом).
2) Малый уровень собственных шумов
3) Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий
4) Высокая плотность элементов при использовании в интегральных схемах
5) Низкая инерционность.