二极管工作原理,及计算机内电信号是如何向数字信号转化的?

二极管工作原理,及计算机内电信号是如何向数字信号转化的?

2022-09-13
编程
计算机原理

数字信号纯粹是给我们人类阅读和理解用的,在计算机的物质世界里,就是不同的具象化形态。这和我们人类的「意识」很像,人到底有没有意识?人的意识就像计算机世界的数字信号一样,其实是不存在的。当医生把死人的大脑打开的时候,和我们把磁盘打开看到的东西是一样的,什么也没有。

二极管工作原理,及计算机内电信号是如何向数字信号转化的? #

二极管的工作原理是什么?

还有这三个问题:

  • 机器指令(整数)是如何转换成高低电平,从而被硬件识别?
  • 计算机最底层的机器语言是如何变成物理电平信号输给 CPU 的呢?
  • 程序里 0 和 1 是怎么转化成高低电平的?(最初的受 0 和 1 控制的高低电平如何产生的)?

这三个问题本质上是一个问题,并且,和二极管的工作原理是密不可分的。

什么是半导体? #

首先看一个物理概念,什么是半导体?

能导电的,材料中有自由电子可以流动的,是导体,例如铜线、铝线;反之,不能导电的叫非导体,或者叫绝缘体,例如包裹在手机充电线外层的塑胶,没有这层塑胶,我们可能都无法给手机充电。

自然界的物质,除了导体、绝缘体,剩下的就是半导体。半导体源于材料的导电性质会发生变化,例如硅(Si)、锗(Ge)及砷化镓(GaAs)等,它们的原子会随着温度的升高,而出现易于移动的价电子,从而具有导电性。

半导体按物质是否纯粹还可以分为本征半导体和杂质半导体。高度提纯的硅(Si)便是本征半导体。硅具有稳定的 4 阶电子,在本征半导体中加入一些 3 阶电子物质(例如铟或铝),或 5 阶电子物质(例如磷),便变成了杂质半导体。

CPU 是计算机的核心部件,它的主要生产原料是高度提纯后的硅,这种原料在自然界并不存在,为了得到它,人类必须将海滩上的沙子一遍一遍煅烧,才能得到它。然而在得到高纯度的硅以后,还要想办法掺入一些杂质,使它变得又不纯粹了。提纯与掺杂,都是为了同一个目的:制造晶体管半导体电子元件。

晶体管包裹二极管、三极管、场效应管等多种类型,原理是类似的,可以从二极管上理解它们。那么一个二极管是怎么构成的?它的原理是什么呢?

二极管的构成 #

如下所示,一个经典的二极管从左到右由正极(导电金属)、P(Positive)型半导体材质区、PN 结、N(Negative)型半导体材质区和负极(导电金属)组成。

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图 1

正极和负极都是导电金属。P 和 N 是两种杂质半导体。PN 结不是一种材质,或者说不是人为制造的材质,它是由 P、N 两种材质连在一起时,自然形成的。图示中 PN 结看起来很宽,事实上它非常窄。在二极管中同时使用 P、N 两种杂质半导体就是为了产生 PN 结。PN 结是电子计算机最原始的物质基础,没有 PN 结就没有电子计算机。

如下所示,这是现实世界中的二极管。后两个像灯泡一样,它们还可以发光,本质上它们还是二极管,只是在二极管有电流通过时可以亮起来而已。

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图 2

二极管的工作原理是什么? #

下面看二极管的工作原理。

平衡是一种美,尤其在物理世界中,物体或材质总是尽力想办法保持平衡。例如电,电是怎么产生的?本质上是电子的移动对不对。那电子为什么要移动?还不是因为一边的物质缺少电子,另一边的物质自由电子太多,从而发生了自由电子的移动。可以自由移动的电子有时也称作载流子,两边物质载流子的浓度相差越大,电压就越大,电流就越大。这是一种简单的对电的理解,稍后对我们理解二极管有帮助。

下面我们看二极管。

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图 3

P 型区的材质因为人为地注入了 3 阶电子的物质(例如铟),从而拥有更有可以容纳自由电子的空穴;而 N 型区的材质因为人为地注入了 5 阶电子的物质(例如磷),从而拥有更多自由电子。但是请注意,虽然 P 型区拥有空穴,及 N 型区拥有电子,他们本身都是电中性的,他们本身并没有使用羊毛毡或玻璃棒摩擦过,它们本身是不带电的。

当它们接触到一起的时候,在它们接触的截面,发生了一些电子移动。如下所示:

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图 4

右边是 N 型区,左边是 P 型区。在截面处,N 型区的电子会跑到 P 型区,从而让 P 型区截面处的物质带上负电荷,而截面处失去电子的 N 型区物质则会带上正电荷。根据电的一般定义,电场的方向总是从正电荷区域指向负电荷区域,所以在截面处,有一个从右向左的内电场。

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图 5

但是,N 型区的电子为什么没有一直、全部移向 P 型区呢?这可以从两个方面理解:

1)如果全部移过去了,那么内电场的电压将达到最大,根据物理世界万物都追求平衡的道理,这种没有地方释放的电压是不可能存在的。

2)继续看上面的图 4,P 型区的正载流子浓度(红色)从左向右是降低的,相反,N 型区的负载流子浓度(蓝色)从左向右是升高的,两条线在中间,也就是 PN 结的中间,达到了平衡,或者说相等。截面处载流子达到平衡了,电子也就没有移动的必要了。

在自然状态下,PN 结达到平衡的状态下,PN 结的宽度有多少,本质上取决于 P 型区和 N 型区它们注入的杂质的原子性质及浓度。有的地方写,二极管导通的临界电压是 0.7V,为什么是 0.7V?这与注入的杂质有关,这 0.7V 的电压要克服内电场做功。

正向偏置和反向偏置 #

正向偏置和反向偏置这两个概念很容易混淆,我们只需要记住二极管在正向偏置下是导电的就可以了。如下所示,这是正向偏置的示意图。

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图 6

整个电路在外电场的作用下,出现了顺时针方向的电流。电流方向与带负电的电子的运动方向是相反的,在二极管的管体内,电子在外部电场的作用下,会持续从 N 型区跑到 P 型区。此时二极管会有一些热量产生,这些热量是外电场克服内电场而做的功。

在正向偏置下,二极管中是有电流通过的,如果二极管是发光二极管,将有亮光出现。反之,在反向偏置下,如下所示,外电场方向在管体内,与内电场方向重合了,此时 PN 结变宽了,二极管处于非导通状态。

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图 7

伏安特性曲线 #

如果我们考察二极管中的电流大小,在正向偏置和反向偏置中的变化,可以得出一条伏安特性曲线,如下所示。

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图 8

在这条二维曲线中:

  • 蓝色表示正向偏置下,正向导通的状态;
  • 红色部分表示即将被导通的状态;
  • 绿色为反向偏置下,反向饱和电流的状态;
  • 黄色表示 PN 结被击穿的状态,电流又变得负向无穷大了。

什么是二极管的击穿态? #

在反向偏置下,虽然内外电场的方向在管体内是相同的,但当外部电压大到一定程度后,大到中性粒子分离出价电子的程度了,这时候二极管变成了一根导线了,内部小电场丝毫起不到任何的阻滞作用了。

所以,无论是手机,还是电脑,都有一个适用的最大电压和最小电压。电压太小了带不动,太大了主板又可能被击穿,俗称「烧坏」了。超负荷做功产生大量的热,有时候甚至能闻到绝缘体烧糊的味道。

电信号怎么转化为数字信号? #

二极管通电与不通电,其实是一个开关,是电信号。

有了二极管,就可以设计各种逻辑门电路了,例如与门电路:

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图 9

它由两个二极管组成,只有 A 与 B 同时都处于导通,也就是正向偏置的状态,L 端才有输出,否则没有输出。注意上方的 R 是一个电阻,电流是不会往这边跑的。

下面这个是或门电路:

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图 10

A 与 B 只要有一个输入,L 端就有输出。

还有其他的逻辑门电路,都可以基于二极管实现。基本的逻辑门电路又可以组成基本的计算模块,例如半加器、全加器等。除了加法器,还有乘法器、除法器、减法器,都可以基于逻辑门电路实现。

如下所示,这是一个两位加法器的示意图:

两位加法器, 使用全加器

图 11

注意输入和输出都在下方。当输入是 11(3)和 01(1)时,输出是 100(4)。输入相同,输出必定相同。

现在,我们思考终极问题:电信号是怎么转化为数字信号的?

其实压根就没有转化,所谓的数字信号(0110 这种)只是我们人类便于自己理解所发明的一种描述。二进制和这个世界上存在的英语、汉语一样,它们只是我们人类具象化的符号而已。

以我们敲击键盘为例,当我们敲击字母 A 时,产生的 ASCII 码是 65,它的二进制是 1000001,在计算机中就是 1 个高电平+5 个低电平+1 个高电平。这个数据(1000001)如果存在 CPU 的寄存器里,就是一些电子元件的基本状态;如果存在磁带或者磁盘里,就是一些磁信号,那里有什么数字信号?

数字信号纯粹是给我们人类阅读和理解用的,在计算机的物质世界里,就是不同的具象化形态。这和我们人类的「意识」很像,人到底有没有意识?人的意识就像计算机世界的数字信号一样,其实是不存在的。当医生把死人的大脑打开的时候,和我们把磁盘打开看到的东西是一样的,什么也没有。

数字信号在计算机内是如何暂存的? #

前面我们谈到的都是计算用的电子元件,例如加法器、乘法器等。计算后的结果,在计算机内是如何保存的呢?例如在 CPU 的寄存器内,是如何保存的?

这涉及到触发器元件。以 D 触发器为例,它用于存储一位(0 或 1)数据,它可以做到,无论输入电平是高电平还是低电平,它的输出值保持不变,这是它的元件特性。而触发器也需要能够存储值,它存储的值也需要能够改变,这是怎么做到的呢?

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图 12

电平的状态不止有低、高两种。电平从低电平跃升到高电平,这叫上升沿;反之从高电平下降到低电平,这叫下降沿。上升沿和下降沿的时机也可以被电子元件捕捉。以 D 触发器为例,依据边缘触发时机的不同,可以分为 上升沿 D 触发器 和 下降沿 D 触发器。D 触发器可以在特定时机改变它存储的值。

计算机内的高低电平是怎么产生的? #

是不是存在一个不停吹哨子的「人」?其实没有。计算机启动时,从指定的内存地址启动,启动以后就开始不停地执行二进制指令。系统及程序的指令,就是计算机的「心跳」,由于每台计算机执行一个基本指令所需的时间是固定的,看起来不停运行的计算机就像有节拍、有心跳一样,其实并没有。

相关问题 #

二极管正负极如何判定? #

人类在生产的时候做了一些规定。

1)一般有色环的为负极,有白线的一端为负极。

二极管正负极

图 13

2)对于发光二极管,引脚长的为正极,短的为负极。

发光二极管正负极

图 14

3)发光二极管管体内部金属极较小的是正极,大的片状的是负极。

二极管正负极判断

图 15

4)看图示,竖杠一端为阴极(负极),三角一端为阳极(正极)。三角是一个箭头,箭头指向的方向是电流的方向,在电的一般定义中,电流与正电荷的方向一致(虽然没有正电荷,移动的只有反方向的带负电的电子)。

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图 16

什么是二极管思维? #

是一个讽刺比喻。思想偏激,非黑即白,不能辩证地、客观地看待问题。看待事物的观点比较单一,自带立场,只认为与自己立场的观点是正确的,其他的都是错误的。没有独立人格和独立思维意识。

送一张畅学卡 #

最后,说一个与二极管无关的小事。中秋节的时候,极客时间送了我一些畅学卡,相当于是一个临时会员,可以免费学习上面的付费课程。还剩几张,如果对你有用,你想体验,私信我发给你。先到先得,发完为止。

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图 17

没有想到,到现在还没有送完。不知道是朋友们以为没有用,还是以为早已经送完了。好在截止 2023 年 9 月前有效,一时半会不会过期。

2022 年 9 月 13 日

参考链接

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