Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1 .Свойства p-n-перехода

2. Диод, транзистор, тиристор. Свойства. Применение

3. Однокаскадные и двухкаскадные усилители

4. Логические элементы

5. Элементы памяти. Процессор



1. Свойства p-n-перехода

Исключительно важные свойства полупроводников, предопределившие их чрезвычайно широкое применение, проявляются в пограничной области, вернее в очень узком слое вещества между двумя частями полупроводника, обладающими проводимостями различных видов. Этот слой получил название электронно-дырочного перехода или сокращенно р-n-перехода. Определяющее свойство р-n-перехода - его односторонняя проводимость.

Упрощенно механизм односторонней проводимости можно объяснить следующим образом, рисунок ниже:

Так как в области р с дырочной проводимостью подвижных электронов значительно меньше, чем в области п с электронной проводимостью, то электроны из n-слоя начинают переходить в р-слой (у их границы), а дырки в то же время будут двигаться в обратном направлении. При этом электрическая нейтральность каждой области окажется нарушенной. В пограничном слое с проводимостью типа а образуется положительный объемный заряд, а в р-области, то есть по другую сторону границы,-- отрицательный. Таким образом, в тонком слое полупроводника у границы раздела р- и n-областей образуются две зоны объемных разноименных электрических зарядов. Этот слой и представляет собой собственно р-n-переход. Естественно, возникновение разноименных зарядов влечет за собой появление электрического поля. Это поле препятствует проникновению электронов в р-область, а дырок в «-область, причем настолько эффективно, что лишь отдельные электроны и дырки, обладающие повышенной энергией, могут преодолевать его тормозящее действие. Наступает стабильное состояние р-n-перехода.

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Когда отрицательный полюс источника подключен к n-области кристалла, а положительный -- к р-области:

внешнее электрическое поле и поле р-n-перехода направлены в противоположные стороны. Поэтому электрическое поле р-n-перехода окажется в значительной степени ослабленным, и теперь уже электроны из n-области смогут проникать в р-область, а дырки из р-области в n-область. Таким образом, в цепи источник питания -- полупроводник возникает ток. Полярность приложенного напряжения, при которой через полупроводник протекает ток (как в описанном случае), получила название прямой полярности. Когда же отрицательный полюс источника питания подключен к р-области кристалла, а положительный к n-области:

электрические поля источника и р-n-перехода совпадают. Суммарное поле возрастает и в еще большей степени (чем до присоединения источника питания) будет препятствовать передвижению электрических зарядов через р-n-переход. Если рассматривать идеальный случай, то электрического тока через переход не будет. Такую полярность приложенного к кристаллу напряжения называют обратной.

Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Однако в реальных условиях в полупроводнике, кроме основных носителей электрических зарядов -- электронов и дырок, образующихся при введении примесей, имеются, как было показано, и неосновные носители зарядов (их значительно меньше) электроны п дырки, образующиеся вследствие теплового движения атомов в кристалле. Часть этих электронов и дырок способна проходить (дрейфовать) через р-n-переход даже при обратной полярности приложенного к полупроводнику напряжения, создавая так называемый обратный ток, который, разумеется, несравнимо меньше прямого тока. Следовательно, р-n-переход полупроводника весьма определенно проявляет свойство односторонней проводимости, что дает возможность рассматривать кристалл в качестве вентиля. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко увеличивается.

У полупроводников обратные напряжения Uобр значительно больше прямых Uпр, а обратные токи намного слабее прямых токов, однако при некотором возросшем значении обратного напряжения наступает явление так называемого пробоя р--п-перехода и обратный ток резко возрастает (точка А). В этом режиме напряжение на диоде изменяется очень мало, даже при изменении тока через прибор в весьма широких пределах, то есть полупроводник ведет себя как стабилитрон. Подобный режим, который будет аварийным для полупроводниковых выпрямителей, успешно используется в устройствах стабилизации напряжения.

Еще одна интересная особенность р-n-перехода заключается в том, что в диапазоне обратных напряжений, не превышающих напряжения пробоя, переход проявляет емкостные свойства, то есть ведет себя как конденсатор, причем емкость перехода обратно пропорциональна приложенному напряжению. Это свойство широко используется там, где возникает необходимость применения конденсаторов переменной емкости, перестраиваемых не вручную, а автоматически -- в зависимости от обратного напряжения, приложенного к р-n-переходу.

2. Диод, транзистор, тиристор. Свойства. Применение

Диомд (от др.-греч. Дйт -- два и -од -- от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень -од происходит от др.-греч. ?дьт «путь») -- электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического поля. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу -- катодом.

Назначение и применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно и зависит от вида конкретного диода. Основные виды диодов:

1) Выпрямительные диоды - п/п диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основной характеристикой такого диода является коэффициент выпрямления равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.

2) Высокочастотные диоды (СВЧ-диоды) - эти диоды предназначены для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты. Они используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад.

3) Варикапы - это диоды, работа которых основана на изменении емкости электронно-дырочного перехода в зависимости прикладываемого обратного напряжения. Эти диоды применяются в качестве конденсаторов с управляемой емкостью.

4) Стабилитроны - это диоды, используемые для стабилизации напряжения. В этих диодах используется наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический пробой.

5) Туннельные диоды - при больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект p-n-перехода. При этом в ВАХ диода появляется участок с отрицательным сопротивлением, что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний.

6) Импульсные диоды - это диоды, предназначенные для работы в импульсных схемах. В таких диодах перераспределение носителей зарядов в p-n-переходах при смене полярности напряжения происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, а также легируют область p-n-перехода небольшой присадкой золота.

Тиристор

Рис.2.1 Тиристор (схема)



Рис.2.2 Вольтамперная характеристика тиристора

Рис.2.3 Тиристор (двухтранзисторная схема)

Тиристор (от греч. thэra - дверь, вход и англ. resistor - резистор), полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий свойствами вентиля электрического и имеющий нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ). С крайними слоями (областями) монокристалла контактируют силовые электроды (СЭ) - анод и катод, от одного из промежуточных слоев делают вывод электрода управления (УЭ).

К СЭ подсоединяют токоподводы силовой цепи и устройства теплоотвода. В случае, когда к СЭ прикладывается напряжение прямой полярности Unp (как указано на рис.1), первый (П1) и третий (П3) электронно-дырочные переходы смещаются в прямом направлении, а второй (П2) - в обратном. Через переходы П1 и П3 в области, примыкающие к переходу П2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растет медленно, что соответствует участку ОА на ВАХ (рис.2). В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода П2 всё ещё очень велико (при этом напряжения на переходах П1 и П3 малы, и почти всё приложенное напряжение падает на переходе П2). По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на П2, и быстрее возрастают напряжения на П1 и П2, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область П3. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен в), называется напряжением переключения Uпер (точка А на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, Т. переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи (точка В на ВАХ).

Процесс скачкообразного переключения тиристора из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью можно объяснить, рассматривая тиристор как комбинацию двух транзисторов (T1 и Т2), включенных навстречу друг другу (рис.3). Крайние области монокристалла являются эмиттерами (р-слой называется анодным эмиттером, n-слой - катодным), а средние - коллектором одного и одновременно базой др. транзистора. Ток i, протекающий во внешней цепи тиристора, является током первого эмиттера iэ1и током второго эмиттера iэ2. Вместе с тем этот ток складывается из двух коллекторных токов iк1 и iк2, равных соответственно a1iэ1 и a2iэ2, где "a1 и a2 - коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов T1 и Т2; кроме того, в его состав входит ток коллекторного перехода iкo (так называемый обратный ток). Таким образом i =a1iэ1 + a2iэ2 + iкo. С учётом iэ1 = iэ2 = i имеем . При малых токах a1 и a2значительно меньше 1 (и их сумма также меньше 1). С увеличением тока a1 и a2 растут, что ведёт к возрастанию i. Когда он достигает значения, называется током включения Iвк, сумма a1+a2 становится приблизительно равной 1, и ток скачком возрастает до величины, ограничиваемой сопротивлением нагрузки (точка В на рис.2). Всякий тиристор характеризуется предельно допустимым значением прямого тока Iпред (точка Г на рис.2), при котором на приборе будет небольшое остаточное напряжение Uocт. Если же уменьшать ток через тиристор, то при некотором его значении, называется удерживающим током Iyд (точка Б на рис.2), Т. запирается - переходит в состояние с низкой проводимостью, соответствующее участку ОА на ВАХ. При напряжении обратной полярности кривая зависимости тока от напряжения выглядит так же, как соответствующая часть ВАХ полупроводникового диода.

Описанный способ включения тиристора (повышением напряжения между его СЭ) применяют в тиристорах, называемых вентилями-переключателями (реже неуправляемыми тиристорами, или динисторами). Однако преимущественное распространение получили тиристоры, включаемые подачей в цепь УЭ импульса тока определённой величины и длительности при положительной разности потенциалов между анодом и катодом (обычно их называют управляемыми вентилями или тиристорами). Особую группу составляют фототиристоры, перевод которых в состояние с высокой проводимостью осуществляется световым воздействием. Выключение тиристора производят либо снижением тока через тиристор до значения Iyд, либо изменением полярности напряжения на его СЭ.



Рис.2.4 Управляемый тиристор (в разрезе)

Рис.2.5 (а, Тиристоры (общий вид)

Транзистор

Рис.2.8 Структура биполярного n-p-n транзистора. Ток через базу управляет током «коллектор-эмиттер»



Транзистор (от англ. transfer - переносить и resistor - сопротивление), электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин -- BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

На принципиальных схемах обозначается «VT» или «Q». В русскоязычной литературе и документации до 1970-х гг. применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

Рис.2.6(а) Внешний вид сверхвысокочастотных транзисторов в металлокерамических корпусах



Рис.2.6(б) Бескорпусные транзисторы

3. Однокаскадные и двухкаскадные усилители

Однокаскадный усилитель ЗЧ.

Рис.3.1 Однокаскадный усилитель ЗЧ

Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора. Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик - он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена. Тем не менее, его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.

Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда Х1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В - четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда Х3, Х4. Делитель R1 R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усилителя.

Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллектора транзистора. Соответственно увеличится падение напряжения на резисторе R3. В итоге уменьшится ток эмиттера, а значит, и ток коллектора - он достигнет первоначального значения.

Нагрузка усилительного каскада - головной телефон сопротивлением 60...100 Ом.

Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1, например, пинцетом - в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки переменного тока. Ток коллектора транзистора составляет около 3 мА.

Двухкаскадный усилитель ЗЧ на транзисторах разной структуры

Рис.3.2 Двухкаскадный усилитель ЗЧ на транзисторах разной структуры

Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации - резистор R4, "работающий" аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции.

Усилитель более "чувствительный" по сравнению с однокаскадным - коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.

Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 - в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов, например, от микрофона. И конечно, он позволит значительно усилить сигнал ЗЧ, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

4. Логические элементы

Логические элементы -- устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого -- «1» и низкого -- «0» уровней вдвоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике, последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

С развитием электротехники от механических логических элементов перешли к электромеханическим логическим элементам (на электромагнитных реле), а затем к электронным логическим элементам на электронных лампах, позже -- на транзисторах. После доказательства в 1946 г. теоремы Джона фон Неймана об экономичности показательных позиционных систем счисления стало известно о преимуществах двоичной и троичной систем счисления по сравнению с десятичной системой счисления. От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по сравнению с десятичными логическими элементами.

Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) над входными сигналами (операндами, данными).

Всего возможно логических функций и соответствующих им логических элементов, где -- основание системы счисления, -- число входов (аргументов), -- число выходов, то есть бесконечное число логических элементов. Поэтому в данной статье рассматриваются только простейшие и важнейшие логические элементы.

Всего возможны двоичных двухвходовых логических элементов и двоичных трёхвходовых логических элементов (Булева функция).

Кроме 16 двоичных двухвходовых логических элементов и 256 трёхвходовых двоичных логических элементов возможны 19 683 двухвходовых троичных логических элементов и 7 625 597 484 987 трёхвходовых троичных логических элементов (троичные функции).

диод электронный проводимость транзистор

5. Элементы памяти. Процессор

Память

Интегральные схемы памяти состоят из набора базовых элементов памяти различного типа. Рассмотрим некоторые из них.

Элементы памяти статического типа на МДП-транзисторах: в основе ЭП статического типа лежит бистабильная ячейка, которая может находится в одном из двух устойчивых состояниях (логического 0 или логической 1).

Обычно это симметричный триггер, содержащий два инвертора с перекрестными обратными связями.

Рис. 5.1 Схема симметричного триггера

Важнейшими параметрами элемента памяти являются площадь, занимаемая им на кристалле, и потребляемая мощность. Для достижения максимальной информационной ёмкости площадь элемента, а значит, и размеры транзисторов (длина, ширина канала и др.) должны быть минимальными. Они зависят от разрешающей способности фотолитографии, задающей минимальный топологический размер D. При сравнении элементов памяти разных типов удобно оценивать их площадь S не в абсолютных, а в относительных единицах - числом литографических квадратов со стороной D. Относительная площадь S/D2 характеризует “качество” схемотехники и топологического проектирования элементов памяти.

Элементы памяти динамического типа. Принцип действия элементов памяти динамического типа основан на хранении информации с помощью конденсаторов. Наиболее распространены однотранзисторные элементы (рис.3). Схема состоит из запоминающего конденсатора С0 и транзистора VT, связывающего конденсатор с шиной столбца Y матричного накопителя. Ёмкость шины Сy оказывает существенное влияние на работу элемента памяти.

В режиме хранения напряжение на шине строки Х близко к нулю, транзистор закрыт и конденсатор отключён от шины Y. На конденсаторе сохраняется установленное при записи напряжение U1 или U0. В случае хранения лог.1 конденсатор будет постепенно разряжаться вследствие существовании токов утечки в подложку. Обычно это обратный ток p-n перехода транзистора. Если же хранится лог.0 , а напряжение на шине Y положительное, конденсатор будет постепенно заряжаться предпороговым током транзистора. Поэтому необходимо периодическое восстановление исходного напряжения U1 или U0на конденсаторе, называемое регенерацией.

Рис. 5.2 Схема динамического элемента памяти

Она осуществляется путём считывания информации с элемента памяти, преобразования её в напряжение U1 или U0 с помощью усилителя считывания (усилителя- регенератора) и в последующей записи этого напряжения в элемент памяти. Регенерация производится одновременно для всех элементов одной строки. Типичное значение периода регенерации составляет несколько миллисекунд.

В режиме записи на шине Y выбранного столбца устанавливается напряжение U1 или U0 ,а затем подаётся положительный импульс выборки на шину Х. Транзистор отпирается, и на конденсаторе устанавливается то же напряжение, что и на шине Y. В остальных элементах выбранной строки в это время, как правило, осуществляется регенерация.

В режиме считывания шины столбца подключены к входам усилителя считывания с высоким входным сопротивлением. Предварительно на них с помощью формирователя Y устанавливают опорное напряжение Uоп (U0 <Uоп <U1), которое до прихода импульса выборки поддерживаются ёмкостью шин Сy . При поступлении импульса выборки на шину Х транзистор элемента памяти отпирается, конденсаторы С0 и Сyоказываются включенными параллельно и происходит перераспределение заряда между ними. В результате на шине Y устанавливается напряжение Uоп + dU1 при считывании лог.1 или Uоп -dU0 при считывании лог.0, где

dU1 = (U1 - Uоп )/(1+Сy /C0 ),

dU0 = (Uоп -U0 )/(1+Cy /C0 ).

Элементы памяти потребляют мощность только во время переходных процессов перезаряда конденсатора С0 при регенерации, записи или считывания. Поэтому БИС памяти динамического типа характеризуются малой мощностью, потребляемой главным образом схемами управления и считывания. Простота элемента памяти обусловливает его малую площадь и высокую информационную ёмкость БИС (до 4 Мбит), в 4…16 раз большую, чем у БИС памяти статического типа. Однако быстродействие микросхемы существенно ниже, так же, как и у ЭП динамического типа.

Элементы микросхем репрограммируемых постоянных запоминающих устройств. Репрограммируемые ПЗУ хранят информацию при отключенном источнике питания. Ввод информации называют программированием. Установку элементов памяти в исходное одинаковое состояние, соответствующее хранению лог.0 (или лог.1), называют стиранием информации. В зависимости от типов элементов памяти оно может осуществляться электрическим или неэлектрическим способом. Соответствующие устройства обозначают ЭСППЗУ (электрически стираемые программируемые ПЗУ) или СППЗУ. В СППЗУ стирание осуществляется сразу для всех элементов накопителя, в ЭСППЗУ его можно произвести в отдельной строке и даже в произвольно выбранном одном элементе. Стирание и последующее программирование образуют цикл перепрограммирования.

Элементы памяти основываются па бистабильных МДП-транзисторах, которые могут находится в одном из двух состояний, соответствующих хранению лог.1 или лог.0. Наиболее распространёнными являются транзисторы с “плавающим” затвором, у которых между управляющим затвором и подложкой расположен второй затвор, со всех сторон окружённый диэлектриком. Потенциал второго затвора изменяется в зависимости от заряда на нём, отсюда и название “плавающий”. Хранимая информация определяется зарядом на плавающем затворе.

Структура и эквивалентная схема запоминающего элемента показана на рис.5.3(а,б) соответственно. Область 1 является истоком транзистора и одновременно частью общей шины, проходящей в направлении строки перпендикулярно чертежу. Сток 2 соединён с металлической шиной столбца Y. Два затвора транзистора выполнены из сильнолегированного поликремния. Верхний затвор 3 - управляющий, совмещён с шиной строки X, нижний 4, предназначенный для хранения заряда, - плавающий. Толщина диоксида между плавающим затвором и подложкой, с одной стороны, и управляющим затвором - с другой, составляет 0,02…0,04 мкм, длина канала 1…2 мкм.

Рис. 5.3



В случае хранения лог.1 на плавающем затворе существует отрицательный заряд электронов, и пороговое напряжение по управляющему затвору Uпор1 получается высоким (несколько вольт). Если хранится лог.0, то заряд на плавающем затворе равен нулю или положителен, тогда пороговое напряжение Uпор0 низкое (или даже отрицательное). Так как токи утечки диэлектрика ничтожно малы, то время хранения, являющееся важным параметром элемента памяти, большое. По оценкам оно превышает 10 лет при повышенной температуре (70…100 oС), когда токи утечки максимальны.

В режиме считывания на шину Х выбранной строки подают напряжение Ux , лежащее в пределах Uпор0 …Uпор1 , а на шины остальных строк - напряжение, меньшее Uпор0 , так что в элементах памяти этих строк транзисторы закрыты. В выбранной строке транзисторы будут открытыми или закрытыми в зависимости от хранимой информации. Следовательно, в шине Y выбранного столбца в случае хранения лог.0 будет протекать ток, а в случае хранения лог.1 ток равен 0. Ток в шине Y воспринимается усилителем считывания. Время считывания определяется значением тока, чувствительностью и быстродействием усилителя и других схем обслуживания. Оно того же порядка, что и в СБИС ОЗУ.

В режиме программирования напряжение на шине Y выбранного столбца устанавливается высоким (UУ прог 10В), если необходимо создать отрицательный заряд на плавающем затворе (запрограммировать лог.1). В противном случае UY=0. Напряжение на шине выбранной строки также устанавливается высоким, причём UX прог>UY прог . программирование основано на инжекции горячих электронов в окисел у стокового конца канала.

Стирание (удаление электронов с плавающего затвора) производится облучением кристалла ультрафиолетовым светом, для чего в корпусе микросхемы предусматривается окно с кварцевым стеклом. Под действием света электроны приобретают энергию, достаточную для перехода с плавающего затвора в диоксид. Далее они дрейфуют в подложку, потенциал которой должен быть выше, чем на управляющем затворе. Время стирания порядка 1 мин.

В каждом цикле перепрограммирования происходят небольшие изменения в физической структуре элемента. Протекание токов через диоксид приводит к захвату в нём электронов ловушками и образованию дополнительного поверхностного заряда. Установлено, что после большого числа циклов разность Uпор1 - Uпор0 уменьшается. Поэтому существует максимально допустимое число циклов перепрограммирования (около 103).

Достоинством рассмотренного элемента является его простота и малая площадь (6…10 литографических квадратов). Это позволяет создавать СБИС большой информационной ёмкости (1 Мбит и выше).

Процессор

Центрамльный процемссор (ЦП; также центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно -- центральное обрабатывающее устройство) -- электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Процессор - это выращенный по определенной технологии кристалл кремния, который содержит в себе множество отдельных элементов - транзисторов, соединенных металлическими контактами. С их помощью процессор работает с данными, занимается вычислениями, производя конкретные математические операции с числами, из которых и состоит любая поступающая в компьютер информация.

В принципе центральный процессор в устройстве компьютера не единственный, собственный процессор имеет видеоплата, звуковая карта, а также множество различных внешних устройств таких, например, как принтер или сканер. Эти микросхемы работают совместно с Центральным Процессором, но в отличие от него отвечают чисто за определенную функцию компьютера, например за обработку звука или за создание изображения на экране монитора.

Работа процессора с иными устройствами компьютера происходит с помощью так называемой скоростной магистрали - "шины". Таких шин две:

- это шина данных, которая предназначена для передачи информации от процессора к другим устройствам компьютера,

- адресная шина, которая определяет диапазон адресов памяти, которые в свою очередь использует процессор.

На любом кристалле процессора располагаются:

- Ядро процессора - это основное вычислительное устройство компьютера. Именно здесь обрабатываются все данные, поступающие в процессор.

- Сопроцессор - дополнительный блок, входящий в устройство компьютера, который предназначен для особо сложных математических вычислений. Он активно применяется при работе с графическими или мультимедийными программами.

- Кэш-память - буферная память - это некоторый накопитель для данных.

В современных процессорах часто применяется 2 типа кэш-памяти:

- первого уровня - небольшая, объемом всего несколько десятков килобайт, но зато сверхбыстрая память

- второго уровня - чуть помедленнее, зато объемом - от 128 килобайт до 2 мегабайт.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Тактовая частота - это количество элементарных операций или тактов, которые процессор выполняет в течение одной секунды.

Количество процессоров (ядер)

На сегодняшний день двухядерные процессоры Core2 Two Duo, входящие в устройство компьютера, уже заполонили особую часть рынка и не за горами на смену им эпоха четырехядерных процессоров Core Two Quad. Через каждый год количество ядер в процессорах постоянно удваивается.

Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которое процессор способен обрабатывать и передавать одновременно. Тактовая частота - скорость, с которой процессор черпает информацию. А разрядность характеризует объем информации, которая входит в его виртуальную память в один присест. До определенного времени все процессоры в устройстве компьютера были 32-разрядными. С течением времени разрядность информационной магистрали шины, по которой в процессор поступает информация от иных устройств компьютера, изменилась. Она стала 64-битной.

Первой компанией, которая создала 64-битный процессор Аthlon 64, была компания AMD. Позже компания Intel также выпустили новые модели процессоров Pentium 4, где имела место поддержка 64-битных инструкций. При этом необходимо учесть, что в устройстве компьютера для нормальной работы с 64-разрядными процессорами необходима особая, 64-разрядная версия оперативной системы - например, Windows XP 64 bit, Edition. Надо отметить, что обычная 32-разрядная версия Windows, установленная на 64-битные процессоры работать будет, но не сможет раскрыть потенциал процессора, входящий в устройство компьютера.

Частота шины

Шина - это некоторая информационная магистраль, которая соединяет воедино все устройства компьютера, подключенные к материнской плате. У подобной "магистрали", как и у процессора, есть своя так называемая пропускная способность, называемая частотой. Чем выше этот показатель, тем лучше. Правда, необходимо учесть, что на самом деле реальная частота работы шины, связывающей устройства компьютера, значительно меньше. Дело в том, что процессоры имеют способность увеличивать эту частоту, получая информацию от системной платы в несколько потоков.

Не редко компании принудительно заставляют процессор функционировать на более высокой частоте системной шины, чем та частота, на которую изначально было рассчитано это устройство компьютера. Подобную операцию чаще всего называют "разгоном". Она увеличивает производительность устройств компьютера. При этом очень важно учесть, что на подобное способны лишь несколько процессоров из ста, большинство же из них в лучшем случае откажется работать, а в худшем вообще может выйти из строя.

Размер кэш-памяти

В эту встроенную память процессор помещает наиболее часто используемые данные, чтобы постоянно не обращаться к значительно медленной оперативной памяти и жесткому диску, входящих в устройство компьютера.

Кэш-память в процессоре, как правило, бывает двух видов. Самая быстрая - это кэш-память первого уровня, которая в свою очередь обладает не большим объемом памяти в 16, 32 кб.

Второй вид - это кэш-память второго уровня, которая, как правило, менее быстрая, но зато более объемная, объем ее достигает 2 Мб. При этом надо отметить, что каждое ядро многоядерного процессора имеет собственную кэш-память определенного объема.

Дополнительные возможности

Большинство современных процессоров, входящих в устройство компьютера, обладает рядом особых возможностей, которые в свою очередь влияют на скорость обработки информации. В числе их можно выделить специальные системы "мультимедийных команд", которые предназначены для оптимизации работы устройств компьютера с графикой, видео или звуком. Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Размещено на Allbest.ru

...