Полупроводники. Их свойства и характеристики.

Полупроводники. Их свойства и характеристики.

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическимсвойствам занимают промежуточное положение между проводниками идиэлектриками.Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость ихэлектропроводности от темпера­туры, концентрации примесей, воздействиясветового и ионизирующего излучений.В создании электрического тока могут принимать учас­тие только подвижныеносители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше,чем больше в единице объема этого вещества находится под­вижных носителейэлектрических зарядов. В металлах прак­тически все валентные электроны(являющиеся носителя­ми элементарного отрицательного заряда) свободны, что иобусловливает их высокую электропроводность. Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженнаятемпературная зависимость удельного электрического сопротивления. Сповышением температу­ры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, вто время как у металлов удельное электрическое сопро­тивление с повышениемтемпературы растет. Удельное сопротивлениеполу­проводника также резко уменьшается при введении в него незначительногоколичества примеси.

 

Понятие р-н перехода. Вольтамперная характеристика.

p-n-Перехо́д (n (negative) отрицательный, электронный, p (positive) положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двухполупроводников

p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.

 

Вольт-ампе́рная характери́стика (ВАХ) — график зависимости тока,, от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и не представляет особого интереса.

Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.

Для трёхполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.

Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства реальная зависимость напряжения от времени может пробегать по траекториям, весьма далёким от «идеальной» ВАХ. Чаще всего это связано с ёмкостью или другими инерционными свойствами элемента.

 

Биполярный транзистор. Основн-е характеристики.

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый

прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для

усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово

“биполярный” оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением

носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов

обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко - на расстоянии,

меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате

чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от

порядка че­редования различают БТ типа

n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p),

условные изображения которых по­казаны на рисунке 3.1.

 

а)	б)
Рисунок 3.1 Структуры БТ.

Понятие алгебры логики.

АЛГЕБРА ЛОГИКИ

система алгебраич. методов решения логич. задач, а также совокупность задач, решаемых такими методами. А. л. в узком смысле слова — алгебраич. (табличное, матричное) построение классич. логики высказываний, в котором рассматриваются логические операциинад высказываниями, каждое из которых имеет одно из двух значений истинности: «истина» (сокр. «и» или 1) и «ложь» («л» или 0).

АЛ базируется на трёх функциях, определяющих три основные логические операции.

1. Функция отрицания (НЕ). f1 =`X читается, как f1 есть (эквивалентна) НЕ Х. Элемент, реализующий функцию НЕ, называется элементом НЕ (инвертором).

2. Функция логического умножения (конъюнкции). Функция логического умножения записывается в виде f2=X1·X2. Символы логического умножения &, L,,?. Функция конъюнкции читается так: f2 есть (эквивалентна) Х1 и Х2, поскольку функция истинна тогда, когда истинны 1-й и 2-й аргументы (переменные). Конъюнкцию называют функцией И, элемент, реализующий эту функцию, элементом И.

 

3. Логическое сложение (дизъюнкция). Функция логического сложения записывается в виде f3=X1 + X2, и читается так: f3 есть Х1 или Х2, поскольку функция истинна, когда истинна одна или другая переменная (хотя бы одна). Поэтому функцию дизъюнкции часто называют функцией ИЛИ. Символы логического сложения +,V. В общем случае функция ИЛИ записывается:

 

 

Используя операции (функции) И, ИЛИ, НЕ можно описать поведение любого комбинационного устройства, задав сколь угодно сложное булево выражение. Любое булево выражение состоит из булевых констант и переменных, связанных операциями И, ИЛИ, НЕ.

 

 

D- триггер.

D ‑триггер (от слова delay -задержка) принимает информацию по одному входу. Его состояние повторяет входной сигнал, но с задержкой, определяемой тактовым сигналом.
Условное графическое обозначение D ‑триггера показано на рис.12.10.

Рис.12.10.Условное графическое обозначение D ‑триггера
Табл.12.3 показывает, что сигнал на выходе Q в такте n+1 (Qn+1) повторяет сигнал, который был на входе D в предыдущем такте n (Dn).
Таблица 12.3.Таблица истинности для D ‑триггера

D ‑триггеры бывают только синхронными. В соответствии с табл.12.3, характеристическое уравнение D ‑триггера имеет вид:
Qn+1 =Dn

T- триггер

Триггер типа Т называется триггером со счётным входом. Он изменяет своё состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход приходит очередной сигнал. Обозначение триггера произошло от первой буквы английского слова toggle – защёлка.
Условное графическое обозначение Т -триггера показано на рис. 12.14. Т ‑триггер имеет один вход Т и два выхода Q и . T - счётный вход триггера.

Рис.12.14. Условное графическое обозначение T ‑триггера
Принцип работы триггера иллюстрирует его таблица истинности (табл.12.5).

Состояние его выхода меняется на противоположное при поступлении на вход счётного сигнала Т=1 и сохраняется неизменным при Т=0. В соответствии с табл.12.5 характеристическое уравнение Т ‑триггера имеет вид:

Согласно этому уравнению Т ‑триггер сохраняет неизменное состояние при Т=0, когда Q n+1=Q n и при Т=1, когда Q n+1= .
Т ‑триггер может быть реализован введением в RS ‑ и D ‑триггеры обратных связей (рис.12.15).

Рис.12.15. Схемы T ‑триггера
Временная диаграмма сигналов Т ‑триггера показана на рис.12.16.

Рис.12.16. Временные диаграммы Т ‑триггера
Из рис.12.16 видно, что Т ‑триггер осуществляет деление частоты тактовой последовательности в 2 раза и переключение триггера происходит отрицательным фронтом счётного сигнала.

JK- триггер

JK ‑триггер наиболее широко используемый универсальный триггер, обладающий характеристиками всех других типов триггеров. JK ‑триггер в отличии от RS ‑триггера не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов, которые следует исключать при работе цифровых систем.
На рис.12.18 показано условное графическое обозначение JK ‑триггера.

Рис.12.18. Условное графическое обозначение JK ‑триггера
Рассмотрим табл.12.6, иллюстрирующую принципы работы JK ‑триггера.

Таблица 12.6. Таблица истинности для JK ‑триггера

Из табл.12.6 видно, что когда на оба входа J и K подается уровень логического 0, триггер блокируется, и состояния его выходов не изменяются. В этом случае триггер находится в режиме хранения.
Строки 2 и 3 табл.12.6 описывают режимы, соответствующие установке триггера в состояние 0 и 1. Строка 4 соответствует переключательному режиму работы JK ‑триггера. Если на обоих входах J и K установлен уровень логической 1, то следующие друг за другом тактовые импульсы будут вызывать перебросы уровней сигналов на выходах триггера от 1 к 0, от 0 к 1 и т.д. Такая работа триггера напоминает последовательно производимые переключения тумблера, откуда и происходит название режима.
Характеристическое уравнение JK ‑триггера имеет вид:

 

Рис.12.27. Временная диаграмма управления двухступенчатым JK ‑триггером
Привлекательное свойство двухступенчатого триггера состоит в том, что входы приёма данных за период тактового импульса, т.е. во время загрузки 1 бита информации, не имеют сквозной связи с выходными цепями. Изоляция входов от выходов обеспечивает устойчивое переключение триггера, если частота тактовых импульсов нестабильна.

 

 

По назначению.

Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач (от математических расчетов до обработки мультимедиа), т.е. такие ВС должны обслуживать программные приложения, разработанные для самых разных и далеко отстоящих друг от друга направлений научных исследований.

Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач.

 

По типу.

Многопроцессорные. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память. Параллельная работа процессоров и использование общей оперативной памяти обеспечиваются под управлением общей операционной системы. Это позволяет в случае отказа одного из процессора, перераспределить нагрузку между оставшимися процессорами см. рис. 5.

Многомашинные.

По характеру устройств.

Однородные системы содержат несколько однотипных ЭВМ (или процессоров). Основной недостаток однородных ВС - неполная загруженность отдельных ЭВМ (процессоров) во время её работы. В связи с этим недостатком применяются неоднородные ВС;

Неоднородные. Неоднородные системы содержат разнотипные ЭВМ (или процессоры).

 

По управлению.

Централизованные. Функции управления сосредоточены в главной ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия.

Децентрализованные. Функции управления распределены между ее элементами, т.е. каждый процессор или ЭВМ действуют автономно, решая свои задачи.

Смешенные. Совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Т.е. ВС разбивается на группы взаимодействующих ЭВМ (или процессоров), где в каждой группе осуществляется централизованное управление, а между группами - децентрализованное.

 

МиниЭВМ

Похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют на крупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют для управления производственными процессами. Характеризуются мультипроцессорной архитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающими устройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией. Для организации работы с миниЭВМ, нужен вычислительный центр, но меньший чем для больших ЭВМ.

МикроЭВМ

Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его настройку и согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Могут вносить изменения в отдельные фрагменты программного и системного обеспечения.

Персональные компьютеры

Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональный компьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением Интернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и развлекательной информацией.
Персональные компьютеры условно можно поделить на профессиональные и бытовые, но в связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними размывается. С 1999 года введен международный сертификационный стандарт - спецификация РС99:

· массовый персональный компьютер (Consumer PC)

· деловой персональный компьютер (Office PC)

· портативный персональный компьютер (Mobile PC)

· рабочая станция (WorkStation)

· развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC)

Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают до категории массовых ПК. Деловые ПК - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука. Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции - увеличенные требования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК - основной акцент на средствах воспроизведения графики и звука.

 

Архитектура фон Неймана

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

 

 

конвейерная архитектура (англ. pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-Iсодержит четыре стадии:

· получение и декодирование инструкции,

· адресация и выборка операнда из ОЗУ,

· выполнение арифметических операций,

· сохранение результата операции.

Принцип работы

В процессорах с использованием этой технологии каждый физический процессор может хранить состояние сразу двух потоков, что для операционной системы выглядит как наличие двух логических процессоров (англ. Logical processor). Физически у каждого из логических процессоров есть свой набор регистров и контроллер прерываний (APIC), а остальные элементы процессора являются общими. Когда при исполнении потока одним из логических процессоров возникает пауза (в результате кэш-промаха, ошибки предсказания ветвлений, ожидания результата предыдущей инструкции), то управление передаётся потоку в другом логическом процессоре. Таким образом, пока один процесс ждёт, например, данные из памяти, вычислительные ресурсы физического процессора используются для обработки другого процесса

 

Описание принципа работы: Шина является последовательной. Скорость передачи зависит от двух параметров – ширины шины и частоты её функционирования. Шина, кроме передачи самих данных, может использоваться для передачи прерывания, служебных, системных и конфигурационных сообщений.

Шина может работать в двух режимах: Posted и Non-Posted. Первый обычно используется в настольных потребительских системах (для DMA-передачи к примеру) и обеспечивает максимальную скорость передачи данных. Posted операция записи просто посылает пакет с данными на определённый адрес, данные записываются и на этом всё. Non-Posted подразумевает передачу данных на определённый адрес, а после успешной записи в обратном направлении отправляется пакет с подтверждением успешной записи. Данный тип записи работает значительно медленней, но исключает возникновение ошибок передачи. Потому он используется преимущественно в серверных, научных, высокоточных машинах.

Шина поддерживает энерго-сберерегающие режимы, предусмотренные в ACPI. А именно – C / D - state.

 

Версии шины искорость работы: 2001-2002 год - 1.0 и 1.1 версии, работают на частоте до 800 МГц и имеют максимальную скорость 12.8 Гб/с. 2004 год – 2.0 версия, имеет частоту функционирования до 1400 МГц и пропускную способность до 22.4 Гб/с. 2006 год – 3.0 версия, частота до 2600 МГц, скорость передачи данных до 41.6 Гб/с. 2008 год – 3.1 версия, частота до 3200 МГц, скорость передачи данных до 51.6 Гб/с.

 

Применение.

- Одними из первых устройств, которые стали массово выпускаться для шины PCI-Express, конечно же, стали видеоадаптеры.

На сегодняшний день видеокарта – не единственное устройство, нацелившееся на перспективную шину PCI-Express. В эту когорту следует добавить всех тех, кому уже не хватает возможностей морально устаревшей шины PCI. Это прежде всего: сетевые контроллеры Gigabit Ethernet, RAID-контроллеры массивов жёстких дисков, карты для кодирования HDTV-потока в реальном времени. Ходит слух, что с помощью PCI-Express шины можно будет установить связь между южным и северным мостами чипсета. Тайваньская компания Prolink объявила о выпуске популярного бытового устройства – "первого в мире" ТВ-тюнера PixelView® PlayTV PCX600 для шины PCI-Express, поддерживающего одновременный показ двух каналов, с поддержкой NTSC, PAL, SECAM вместе со всеми субформатами, а также видео и стерео-аудиовходами в композитном и S-Video форматах плюс оптический вход S/PDIF. Не приходится сомневаться, что количество устройств с поддержкой шины PCI-Express со временем будет только расти, хотя это и не случится слишком быстро.

 

 

Применение

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров

Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин: чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым машинам; чем быстрее были машины, тем сложнее были задачи, которые на них можно было решать. Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в «мирных» расчётах, создавая новые научные дисциплины, как то: численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.

Ниже приведён далеко не полный список областей применения суперкомпьютеров:

Наука о Земле: прогноз погоды, состояния морей и океанов, предсказание климатических изменений и их последствий,исследование процессов, происходящих в земной коре, для предсказания землетрясений и извержений вулканов,

Полупроводники. Их свойства и характеристики.

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическимсвойствам занимают промежуточное положение между проводниками идиэлектриками.Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость ихэлектропроводности от темпера­туры, концентрации примесей, воздействиясветового и ионизирующего излучений.В создании электрического тока могут принимать учас­тие только подвижныеносители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше,чем больше в единице объема этого вещества находится под­вижных носителейэлектрических зарядов. В металлах прак­тически все валентные электроны(являющиеся носителя­ми элементарного отрицательного заряда) свободны, что иобусловливает их высокую электропроводность. Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженнаятемпературная зависимость удельного электрического сопротивления. Сповышением температу­ры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, вто время как у металлов удельное электрическое сопро­тивление с повышениемтемпературы растет. Удельное сопротивлениеполу­проводника также резко уменьшается при введении в него незначительногоколичества примеси.