计算机原理

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。 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。 图 2 二极管的工作原理是什么? # 下面看二极管的工作原理。 ...

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