0:00 это невзрачно выглядящие собой одно из величайших изобретений за всю историю человечества оно называется транзистор и именно изобретение полупроводниковых транзисторов положило начало нынешней технологической эпохи эпохи умных машин в этом видео мы поговорим о том что такое транзистор как он устроен Как работает и главное как посредством него Мы научились создавать электронные аналоги человеческого мозга способные И чем дальше тем более успешно выполнять те или иные его функции подписывайтесь на канал и поехали транзисторы изготавливают из особых материалов которые называют полупроводниками как
0:46 следует из названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками в проводниках об этом У нас есть отдельное видео внешние или как их ещ называют валентные электроны очень слабо связаны со своими атомами настолько что сила их взаимодействия с атомными ядрами сравнима с силой взаимодействия с ядрами соседних атомов в результате происходит явление известное как обобществление электронов характерное для металлов электроны переходят в квази свободное состояние и могут перемещаться по проводнику а под действием внешнего электрического поля приходят состояние направленного движения то есть возникает электрический ток такие квази где свободные электроны ещё называют
1:31 электронами проводимости а множество таких электронов в проводнике электронным газом в диэлектриках электроны жёстко связаны со своими атомами носителей заряда в диэлектриках нет и ток они не проводят поэтому их ещё называют изоляторами полупроводники похожи на диэлектрики тем что обычно все их валентные электроны находятся в связанных состояниях электроны соседних атомов попарно притягиваются друг к другу Что приводит к сцеплению соседних атомов и образованию кристаллической рештки тем не менее внешние электроны в полупроводниках связаны со своими атомами слабее чем в диэлектриках и иногда могут отрываться от родительских атомов превращаясь в электроны проводимости Кроме того на том месте где
2:17 раньше находился сбежавший Электрон образуется пустое место его ещё называют дыркой этот процесс не является необратимым с определённой вероятностью свободный Электрон может занять дырку в одном из атомов этот процесс ещё называют рекомбинации в полупроводниках оба процесса уравновешены и скорость образования пар Электрон дырка равна скорости рекомбинации проще говоря количество таких пар в каждый момент времени остаётся постоянным при приложении внешнего поля свободные электроны начинают перемещаться под его действием так же как это было в проводниках и возникает электрический ток правда так как свободных электронов в полупроводниках гораздо меньше то проводимость их будет гораздо хуже Кроме того под действием поля Электрон из атома соседнего с атомом с дыркой
3:04 может переместиться так чтобы заполнить дырку Но взамен дырка образуется в самом атоме из которого этот Электрон переместился внешне это выглядит так как будто помимо тока обеспечиваемого электронами проводимости в полупроводнике течёт ещё один Ток ток дырок квази частиц имеющих положительный заряд эти два типа проводимости полупроводников называются соответственно электронным и дырочный несложно понять что количество электронов и дырок в чистом полупроводнике будут плюс-минус равны друг другу и важно что оба эти количества будут незначительными чистый полупроводник проводит ток достаточно плохо Однако мы можем искусственно увеличить количество носителей свободного заряда нарочно загз нев полупроводник примесями атомами имеющими другое количество электронов например мы
3:51 можем добавить в кремний с четырьмя электронами атомы соседнего с ним в таблице Менделеева фосфора у которого пять электронов четыре электрона фосфора образуют связи с соседними атомами кремния а пятый окажется как бы лишним такие лишние электроны легче покидают родительские атомы увеличивая число электронов проводимости и проводимость полупроводника в целом Кроме того электронов в таком проводнике становится больше чем дырок подобные полупроводники с избытком электронов и дефицитом дырок называют полупроводниками N типа можно поступить и наоборот с меньшим количеством электронов для кремния это могут быть например Бор или алюминий с тремя валентными электронами
4:37 когда такие атомы встраиваются в решётку одно из отведённых в ней для электронов мест окажется не занятым то есть замена атомов приводит к внесению в материал дополнительных дырок Что также увеличивает проводимость этого материала полупроводники с избытком дырок называются полупроводниками P типа стоит отметить что при этом ти всегда будет иметься Некоторое количество дырок А в полупроводниках P типа Некоторое количество свободных электронов и они тоже будут участвовать в проводимости теперь соединим между собой два полупроводника P типа и N типа каждый из которых По отдельности напомним проводит электрический ток часть дырок из полупроводника P типа при этом мигрирует в полупроводник N типа также как часть электронов из
5:23 полупроводника типа мигрирует в область здесь электроны ре комбинируют с дырками и Нани полупроводников образуется область обладающая пониженной концентрацией зарядов так называемая область истощения по сути кусочек чистого полупроводника который как мы говорили ток проводит так себе в результате проводимость и всего элемента в целом ухудшится теперь подадим на наш полупроводниковый бутерброд электрическое напряжение например Пусть плюс у нас будет слева там где находится P полупроводник А минус соответственно справа поле будет как бы заталкивает из N области и дырки из P области в объединённую зону уменьшая тем самым её величину и облегчая протекание через
6:09 такой элемент тока чем большее напряжение мы приложим к бутерброду тем меньшим будет его сопротивление Но если Мы поступим наоборот то поле будет тянуть электроны и дырки в противоположные стороны увеличивая ширину области истощения и усиливая электрическое сопротивление по сути Сколь сильное напряжение мы не прилагали ток через неправильно подключённый бутерброд течь не будет такое устройство способное пропускать ток лишь в одном направлении называют диодом добавим слева от P полупроводника ещё один кусочек полупроводника N типа превратив бутерброд в сэндвич или как его ещё называют полупроводниковый Триод несложно видеть что если наш бутерброд то есть диод проводил ток лишь в одном
6:55 направлении то сэндвич не будет его проводить вообще как мы не подключили питание поле будет увеличивать одну из зон истощения препятствуя протеканию тока Казалось бы Мы создали на удивление бесполезную вещь просто обычный изолятор только до Странности сложной структуры однако на самом деле мы находимся буквально в шаге от величайшего открытия ведь оказывается что Триод можно заставить проводить ток а точнее состоянием его проводимостью можно управлять заставляя его превращаться то в полупроводник то в изолятор когда нам это требуется такой управляемый изолятор и называют транзистором есть много типов транзисторов Однако мы сейчас рассмотрим тот из них который получил наибольшее распространение в микроэлектронике так
7:42 называемый моб или как его ещё называют по-английски мосфет транзистор который выглядит как два фрагмента полупроводника одного типа например N типа как бы внедряя в полупроводник P типа к полупроводникам N типа мы подключим соответственно нашу основную цепь а Однако как мы уже видели выше Ток по такой цепи течь просто не сможет но теперь присоединимся их и гораздо меньше чем
8:28 дырок под действием приложенного вертикального поля эти электроны со всего полупроводника будут стягивать к верхнему контакту и наоборот дырки будут отталкиваться от него и покидать прилегающую к контакту область получится что хотя в целом в большом полупроводнике дырок гораздо больше чем электронов в узкой области в верхней части полупроводника вблизи верхнего Контакта и как раз между двумя частями N полупроводника концентрация электронов станет больше концентрации дырок по сути в этой локальной области P полупроводник превратится в n полупроводник Ну а N полупроводник как мы знаем прекрасно проводит электрический ток Так что если мы теперь подадим на вход и выход нашего триода напряжени то ток потечёт так и
9:13 получается транзистор устройство протекание тока между концами которого эти концы ещё называют стоком и истоком зависит от того есть ли напряжение на третьем контакте который ещё называют затвором по сути Мы создали ни что иное как обычный выключатель но только не механический который просто соединяет или разъединяет цеп физически а электрический управляемый внешним напряжением такой выключатель не содержит движущихся частей то есть будет иметь гораздо больший срок службы Кроме того он будет обладать гораздо большим быстродействием А главное его можно сделать очень очень маленьким именно благодаря этому транзисторы оказались идеальным материалом для изготовления так называемых логических схем основы
9:58 основ современной электронике И в частности компьютеров и сейчас мы с вами посмотрим что это такое пусть у нас будет простейшая цепь вход выход лампочкой транзистор переключатель обладающий собственным источником питания подключённым к его затвору очевидно что лампочка будет гореть лишь в случае если транзистор открыт то есть питание на затвор подано мы обозначим такое состояние как один и будет гаснуть когда он закрывается такое состояние мы обозначим как ноль теперь добавим в нашу цепь второй транзистор последовать с первым для того чтобы лампочка горела то есть находилась в состоянии один оба транзистора должны быть открыты то есть тоже находиться в состоянии один стоит одному транзисторы перейти в состояние ноль то есть закрыться как в состояние ноль перейдёт и вся цепь в целом
10:44 лампочка погаснет рассмотрим другой случай когда транзисторы подключены параллельно друг к другу в этом случае для того чтобы лампочка находилась в состоянии оди то есть горело будет достаточно чтобы в состоянии один находился хотя бы один изт Ну или Оба сразу а в состоянии ноль лампочка будет лишь в том случае когда в состоянии ноль будут находиться оба транзистора наконец мы можем подключить транзистор и лампочку параллельно друг другу предположив что наша лампочка обладает гораздо большим сопротивлением чем транзистор в открытом состоянии если транзистор будет открыт то почти весь ток будет течь через эту ветку цепи и лампочка гореть не будет закроем транзистор и току будет просто некуда деваться кроме как потеть через лампочку которая соотве загори то есть лампочка
11:31 будет находиться в состоянии оди в том случае если транзистор будет находиться в состоянии ноль и наоборот иными словами располагая определённым образом транзисторы и лампочку мы можем конструировать схемы которые будут вести себя по-разному в зависимости от сигналов которые мы подаём на транзисторы первая схема в которой лампочка горит лишь в случае если оба транзистора находятся в состоянии о называется логической схемой и Рая когда для включения лампочки достаточно пребывания в состоянии один хотя бы одного из транзисторов называется схемой или третья схема когда включённая лампочка соответствует выключенному транзистор и наоборот называется схемой не или инвертором комбинируя перечисленные выше Элементарные
12:16 логические схемы можно получать более сложное например соединив последовательно схему и и схему не можно получить элемент и не или элемент нен работает это так Мы сначала должны получить результат по схеме I а затем прогнать его через схему не проще говоря если схема I даёт ноль во всех случаях Кроме того когда на оба входа подают единицу то тут будет наоборот единица будет во всех случаях Кроме того когда на входы подадут единицы тогда схема даст ноль существуют и другие производные логические схемы перечислять которые здесь не имеет смысла да и это уже больше математика а точнее булева алгебра чем физика вместо этого лучше посмотрим как с помощью логических схем
13:03 можно создать умную машину в самом простом случае хотя бы обычный калькулятор способный складывать Вычитать перемножать или делить числа для того чтобы это стало возможным эти числа надо сначала перевести на понятной машине язык мы оперируем десятичной системой исчисления и у нас для этого есть очень простая причина у нас 10 пальцев Так что мы самой природой наделены инструментом позволяю нам предельно просто показывать числа от одного до 10 чтобы записывать большие числа мы придумали систему разрядов числа записываются в виде последовательности цифр от нуля до девяти Каждую из которых мы затем домностроителей
13:54 степени то есть на оди и тройки умноженной на 10 первой степени То есть просто на 10 и наконец из двойки умноже на 10к то есть на 100 у компьютера пальцев Нет он работает с логическими схемами у которых есть только два состояния включено или выключено или ноль или один поэтому в компьютерных системах для записи чисел используется разрядов схема с основанием два то есть числа записываются через степени двойки то же число 235 в ней запишется как 1 1 1 0 1 0 1 1 проверим 1 на 2 в нулевой степени то есть на 1 + 1 x 2 в первой степени то есть 2 + 0 X 2К
14:40 то есть 0 + 1 x 2 Вт степени то есть 8 0 X 2 вче степени то есть 16 1 x 2 п степени то есть на 32 1 x 2 в 6 степени то есть 64 и 1 x 2 се степени то есть 128 суммируем 1 + 2 + 8 + 32 + 64 п 128 получаем как раз 235 и Вот оказывается что числа записанные в двоичной форме можно достаточно просто складывать и Вычитать автоматически посредством описанных выше логических схем для начала рассмотрим самый простой случай сложение двух простых двоичных чисел то есть нулей или единиц несложно понять что всего возможны три варианта Исхода такой
15:26 операции ноль если оба числа будут равны нулю один если одно из них будет равно нулю а второе единице и два если оба они будут равны единице в двоичной системе это запишется так 0 0 если оба сигнала равны нулю 01 если будет равен 0 о а второй единице и 1 0 если оба они равны единице на языке булевой алгебры это запишется так второй разряд итогового числа равен единице если оба входящих числа тоже равны единице и равен нулю во все прочих случаях то есть чтобы получить правильный результат нам нужно пропустить наши сигналы через логическую схему и для первого разряда будет немножко по-другому там будет ноль в случае если оба входящих числа равны
16:12 нулю или единице и единиц в случае если они будут различаться Это точное описание логической схемы исключающее или или как ещё говорят Ир Ладно Теперь соберём всё это дело вместе сигнал со схемы исключающее или направим на разряд а сигнал со схемы и на второй проверяем работоспособность нашего устройства если на входы поданы нули то и схема и и исключающая или дают ноль и сумма будет соответственно ноль если на выход поданы ноль или один любой комбинации то исключающая или даёт оди а и даёт ноль то есть имеем единицу наконец если мы складываем две единицы то исключающее или даёт но а и единицу то есть имеем двоичное число 1 то есть д
17:00 всё работает ура Таким образом мы получили устройство способное автоматически осуществлять сложение двух простых двоичных чисел его ещё называют бинарным сумматора поздравляю мы только что научили машину считать хотя пока что всего лишь до двух тем не менее первый шаг к Майнкрафту соцсетям и чату gpt успешно сделан конечно это только первый шаг причём в весьма долгом пути и настала пора сделать Второй научить машину складывать более сложные числа для этого воспользуемся старым добрым методом сложения в столбик но только в двоичной системе где этот процесс можно описать на уже понятном и нам и что ещё более важно компьютерам языке булевой логики если в одном рядке У нас стоят
17:47 нули то и в соответствующем разряде результата У нас тоже будет ноль если в одном из суммируем чисел в данном разряде стоит один то и в суммарном числе в этом разряде тоже будет один если в обоих числах в данном разряде стоит один то мы должны будем записать в результат ноль но при этом перенести единичку в следующий разряд по сути Это то же самое что мы уже делали с помощью бинарного сумматора но только с той разницей что результат схемы и мы не выводим на экран а держим в уме в данном случае в электронном уме нашего устройства то же самое проделаем с помощью такого же бинарного сумматора для следующего разряда ноль если оба слагаемых нули один если одно из них ноль и если оба из них единицы то тогда снова таки ноль и один в уме Однако
18:34 Теперь мы должны ещё посмотреть осталось ли у нас что-то в уме от предыдущей операции и Если да то это число нужно прибавить к результату как а очень просто с помощью ещё одного уже третьего бинарного сумматора несложно видеть что в этой ситуации У нас может возникнуть уже две ситуации в которых мы получим единичку которую нам надо держать в уме для переноса на следующий разряд это может получиться слу если в данном разряде у обоих слагаемых единички либо же в случае если единичка только в одном из них А ещё одна дополнительная единичка досталась нам по наследству от предыдущего разряда слово либо как бы само намекает нам что решение о том записывать ли что-то в память нашего калькулятора для передачи на следующий разряд нам нужно принимать с помощью
19:20 логической схемы или замкнув на неё выходы со схем и обоих бинарных сумматора второго разряда а результат точно таким же образом передав на следующий третий разряд такую структуру состоящую из двух бинарных сумматора и соединяющий их схемы или называют полным сумматора ещё его называют трина сумматора ведь отличие от бинарного у нас здесь не два а три входа два для текущего разряда складываемых чисел и ещё один для сигнала переносимого из предыдущего разряда несложно видеть что из полных сумматора можно собрать калькулятор способный складывать уже числа любой длины всё что нам для этого нужно - это соединить параллельно столько сумматора сколько знаков в
20:05 двоичной системе исчисления Нам нужно в сумматоре нулевого разряда вот этот вот третий боковой Выход будет заблокирован то есть на нём всегда будет ноль а в последнем сумматоре мы можем вывести боковой выход на экран вот так например будет выглядеть четырёхразрядного четырёх битный сумматор способный складывать числа от нуля до 16 кстати для того чтобы конструировать логически схемы а потом собирать из них например сумматоры нам вовсе не обязательно нужны собственно транзисторы в этом смысле подойдут совершенно любые переключатели способные размыкает бы и обычные механические ключи Однако следует учитывать что стандартный полный сумматор состоит из ше переключателей транзисторов хотя есть схемы позволяющие уменьшить их
20:51 количество Так что в четырёхразрядного машине позволяющей складывать всё НАТО навсего числа от нуля до 15 переключать будет уже более 100 и это только для одной единственной арифметической операции современные компьютеры используют уже миллиарды таких переключателей Так что без транзисторов которые можно сделать Поистине микроскопическими тут буквально никак Вот поэтому в начале видео я и сказал что именно изобретение транзистора открыло нам двери в эпоху умных машин кстати сегодня учёные и инженеры активно ищут способы заменить транзисторы в логических схемах ещё более компактными шустрым а также потребляющие меньше энергии штуками Но об этом мы поговорим в одном из наших следующих видео Ладно
21:36 со сложением Мы вроде бы разобрались Но ведь сложение - это не единственная математическая операция которая Онам может понадобиться К сожалению в жизни не всегда получается только складывать Иногда приходится также и Вычитать к счастью операцию вычитания тоже можно осуществить с помощью сумматора Хотя для этого и придётся немножко повозиться по сути вычитание числа B из числа а можно представить себе как сложение числа а с отрицательным числом - B всё что нам теперь остаётся сделать - это понять как с помощью логических схем превратить число b в число - b в данном примере Мы тоже ограничимся четырьмя разрядами но в целом эту операцию не сложно масштабировать и на любое количество разрядов чтобы найти - B нам надо найти
22:23 такое число которое будучи прибавлено к B даст нам но оказ что в двоичной записи это можно сделать достаточно легко во-первых число нужно инвертировать то есть заменить единички во всех разрядах на нули а нули наоборот на единички после чего прибавить к результату оди звучит на первый взгляд странно но это реально работает например пусть у нас будет число 1 чему оно будет равно в десятичной системе Нам сейчас вообще неважно Хотя это и будет де прово с ним описанную процедуру после инвертирование получим число 0 1 1 0 А после прибавления единицы 0 1 1 1 то есть 7 да вы
23:10 правильно поняли я хочу сказать что 7 + 9 четырёхразрядного разряде 1 + 1 = 2 то есть 1 0 в этот разряд записываем ноль единичку переносим на следующий с учётом этого во втором разряде у нас уже будет 0 + 1 + 1 то есть 1 0 но пишем О в уме та же история в третьем и четвёртом разряде и того получаем число 1 или 16 как и положено при сложении семи и Дев Но ведь мы договорились считать всё в четырёх разрядах Так что вот эта вот Пятая единичка у нас просто сгорает и мы получаем 0 0 или просто Но что нам и требовалось
23:57 Тео мы могли бы построить отдельное устройство для проведения операции вычитания экий вычи но куда приятнее согласитесь будет создать машинку которая будет уметь Как складывать так и Вычитать основой её будет всё тот же составной сумматор из четырёх полных сумматора но только мы заблокирую ему последний вывод в итоге мы вдвое сократим его возможности ведь он больше не сможет складывать числа сумма которых превосходит 15 то есть 7 + 8 мы на НМ сложим А вот 8 + 8 или скажем 10 + 10 не получится а точнее получится Полная ерунда но зато мы сможем осуществлять на таком устройстве уже два действия а не одно что конечно же гораздо лучше потому что разрядность можно без проблем
24:43 нарастить просто добавив в схему больше полных сумматора далее нам понадобится ещё один входящий сигнал сигнал вида действия который будет говорить складываем мы или вычитаем пусть для сложения это будет ноль а для вычитания единица если режим вычитания выключен то мы просто должны подать наши числа на вход сумматора без изменений как мы это делали раньше Если же мы говорим нашему калькулятору Вычитать то уменьшаемое Мы тоже оставляем без изменений а вычитаемое Превращаем в его противоположность инвертировать цифры во всех разрядах а потом прибавив к результату единичку для начала составим логическую схему которая будет инвертировать цифры Ну или не будет если сигнал вычитания выключен если режим вычитание выключен то есть сигнал вида
25:30 действия ноль то Ноль остаётся нулём а единица единицей если сигнал действие включён то Ноль превращается в единицу а единица в ноль э таблица уже знакомой нам логической схемы исключающая или которую мы использовали в нашем сумматоре то есть всё что нам нужно - это пропустить каждый разряд второго числа через схему исключающее или на другой конец которой мы подадим наш сигнал действия в этом случае если мы говорим нашему калькулятору складывать то число останется без перемен А если говорим Вычитать то оно превратится в свою противоположность в любом случае результат можно будет направлять непосредственно в сумматор Хотя нет не совсем ведь мы же ещё забыли прибавить к числу с инвертированные цифрами единичку теоретически для этого можно было бы
26:17 поставить перед итоговым сумматора ещё один который будет осуществлять эту операцию складывая наше инвертированные число с сигналом вида действия Но как-то жалко тратить на такую ерунду це 28 транзисторов не так ли Да нам это и не нужно в конце концов сочетательное свойство сложения ещё никто не отменял Так что мы подадим в сумматор просто наше инвертированные число а ещё подадим сигнал вида действия на заглушенный первый вход нашего сумматора что в принципе Аналогично прибавления к результату той самой единички Ладно проверим что у нас получилось Пусть Мы хотим посчитать сколько будет 5 - 3 то есть что получит если вычесть 00 из
27:02 0 после прохождения тройки Через наш инвертаза просто один теперь прибавляем к этой единице единицу пришедшую с нашего сигнала действия и получаем 0 1 0 или проще говоря двойку как известно 5 - 3 и правда равно двум то есть наше устройство работает правда в таком виде Оно ещё не может оперировать с реально отрицательными числами например вычесть
27:49 три из пяти у нас не получится Однако оказывается что в принципе это можно сделать причём с таким же устройством немножко изменив способ трактовки записи двоичных чисел договоримся что когда мы пересчитывает выч нам десятичные числа мы будем считать что самый старший разряд мы берём с обратным знаком То есть если раньше мы раскрывали число 1 1 1 0 как 8 + 4 + 2 + 0 и говорили что это будет 14 то теперь формула изменится Это будет -8 + 4 + 2 + 0 или -2 число -3 соответственно запишется как 1 1 0 -4 как 1 00 и так далее То есть если
28:37 раньше мы могли складывать числа только так чтобы результат был от нуля до 15 то теперь диапазон результатов будет располагаться от -8 до се протестируем устройство выч 5 изт или 0 из 00 1 10 сложим 0 1 1 и 1 10 получив 1 1 0 прибавим единичку получив 1 1 1 0 пересчитай это в привычную нам десятичную запись но по новым правилам -8 + 4 + 2 + 0 = -2 точно то что нам нужно А как насчёт сложения двух
29:23 отрицательных чисел Да пожалуйста например -4 -2 или 1 1 0 + 1 1 1 0 мы складываем так что эти числа подаются в сумматор напрямую и получаем 1 1 0 1 0 Пятая единичка не влазит на экран нашего калькулятора Так что мы её отбрасывая и остаётся -8 + 2 -6 ровно столько сколько нам и нужно теперь когда Мы научились складывать и Вычитать причём не только положительные но и отрицательные числа нам не составит особого труда научить наш калькулятор также Умно жать И делить в конце концов сложение - это сумма числа самого с собой заданное количество раз а деление - это выяснение того сколько раз делимое можно Вычесть из
30:08 делителя Ну а отделение с умножением уже рукой подать и до возведения в степень извлечение корней и прочих операций которые должен уметь делать Каждый уважающий себя калькулятор подробнее рассказывать о том как это реализуется я не буду это уже чистая математика А у нас тут всё-таки больше про физику конечно же калькулятор - это ещё далеко не компьютер и для того чтобы создать устройство на котором можно будет сыграть в дотур кино нам предстоит решить ещё немало технических технологических и математических проблем Однако начало положено и мы можем заслуженно гордиться собой а также порази тому как изобретение такого не замысловатой как полупроводниковый транзистор открыла перед нами столь
30:54 Блестящие перспективы если тема показалась вам интересно то обязательно пишите об этом в комментариях и мы рассмотрим физические основы других аспектов работы компьютеров и подобных устройств в наших следующих видео Всем удачи и до новых встреч
