Quelle est la performance d’un cristal de silicium qui en fait un composant essentiel à l’informatique

Fredric Quinn

Quelle est la performance d’un cristal de silicium qui en fait un composant essentiel à l’informatique


Je suis sur un fil d’intérêt pour la physique précise qui permet la création du processus informatique. Cela a commencé comme une question publiée à la recherche d’une explication compréhensible de la forme physique exacte que les informations d’instruction de code prennent sur un disque dur qui instruit et permet ainsi à un ordinateur de produire ses résultats de processeur que nous pouvons comprendre en termes humains tels que visualisés. l’intelligence en réponse aux instructions, que ce soit en graphique, mot ou image dynamique.

La réponse a été l’orientation directionnelle exprimée par les polarités magnétiques d’un support électromagnétique physique que les têtes de disques durs électromagnétiques lisent comme le langage numérique de ce qui nous est présenté comme 1 et 0, mais la machine n’a pas de langue en soi, mais peut interpréter seulement quelque chose comme étant activé ou désactivé, ce qui est également une explication trompeuse . La seule chose qu’ils lisent réellement, au niveau de la physique, est celle d’une des deux seules orientations possibles d’un pôle électromagnétique , que nous appelons modèles d’enseignement du langage machine numérique .

Maintenant, je veux comprendre précisément comment, d’un point de vue physique, les cristaux de silicium permettent ce processus de manière prédominante tant de fois par cycle et donc comment ils ont été choisis comme le matériau de choix qui rend possible les processus informatiques.

user_of_math

Êtes-vous dans un environnement collégial / universitaire? Vous devrez suivre un cours sur les appareils à semi-conducteurs dans un département EE pour obtenir une vraie réponse à cette question.

Réponses


 PipperChip

Cette question dépasse la portée de ce site

Ce sujet prend beaucoup, beaucoup plus de place pour répondre avec précision qu’un seul post peut faire ici. Les gens obtiennent des diplômes pour répondre à cette question. Un seul post ici ne répondra pas à votre question avec exactitude. Quelques années d’étude de la physique, puis d’études de la science des matériaux, qui répondront à votre question aussi précisément que possible. Pour l’instant, je vais décrire cela en utilisant des déclarations très larges, mais je vous donne quelques sources pour approfondir votre apprentissage.

Mécanique quantique, lacunes dans les bandes et matériaux

Si vous avez déjà utilisé l’ équation d’onde de Schrödinger pour modéliser des systèmes physiques, vous devriez remarquer que les particules peuvent exister à différents niveaux d’énergie. Si vous modélisez des atomes, vous remarquerez que les atomes ont certaines règles de commande des électrons à des niveaux d’énergie particuliers. Vous trouvez qu’il y a des énergies interdites pour les électrons, et qu’il n’y en a qu’une à un niveau d’énergie particulier (bien que deux puissent exister avec des spins opposés à peu près au même niveau). Si vous avez plusieurs atomes dans un espace proche, comme ceux trouvés dans la matière solide, ces niveaux d’énergie forment des bandes d’énergies autorisées et d’énergies interdites. Dans les semi-conducteurs, ces bandes portent parfois des noms spéciaux . Ces bandes sont également disponibles dans différentes saveurs, ce qui indique généralement comment ce cristal peut être utilisé le plus facilement.

Quoi qu’il en soit, les semi-conducteurs ont des bandes suffisamment proches pour que les électrons puissent sauter des bandes sans avoir besoin de grandes quantités d’énergie. L’énergie pourrait provenir, disons, d’un courant électrique régulier provenant d’un mur ou qui est utilisé dans l’électronique moderne. Ces semi-conducteurs sont ensuite dopés avec divers autres types d’atomes. Le dopant que vous utilisez dépend de ce que vous voulez que le semi-conducteur fasse. L’introduction d’impuretés dans le cristal permet un excès ou une pénurie d’électrons, ce qui donne « une marge de manœuvre » aux électrons pour sauter vers le haut / bas les bandes du matériau pendant leur voyage à travers le matériau.

Il s’avère que, si vous êtes difficile avec la façon dont vous dopez les choses, vous pouvez faire une jonction pn . Ces jonctions sont très utiles, car elles permettent parfois au courant de circuler. Cela en fait de minuscules transistors, qui peuvent être utilisés pour développer les procédures utilisées pour le calcul. C’est l’idée de base derrière le plus petit composant des ordinateurs modernes. (Bien qu’il y ait eu des ordinateurs qui stockaient des données dans des tableaux de morceaux de fer qui seraient magnétisés, mais ceux-ci ont été remplacés.)

Généralement, les électrons que nous parcourons avec du courant à l’intérieur de ces jonctions ont un chemin très court à parcourir, et les électrons peuvent voyager assez rapidement. De toute façon, assez rapidement pour que nous puissions commuter ces jonctions à hauteur de milliards de fois par seconde. La capacité de contrôler les opérations de dopage a considérablement amélioré la densité (en diminuant la taille) des jonctions pn, donc la puissance de traitement et la vitesse ont également augmenté. C’est en fait un problème que nous rencontrons dans le développement de puces de pointe; ces jonctions sont trop petites! Nous pouvons rendre ces jonctions si petites que nous avons du mal à garder les électrons dans certains états en raison de fluctuations thermiques aléatoires et de l’effet tunnel! (Ce n’est pas que les systèmes informatiques actuels ne subissent pas les effets des fluctuations thermiques et des tunnels – ces effets sont juste assez petits pour qu’ils ne comptent pas!)

Une note sur le silicium

Le silicium n’est pas toujours le « médium de choix » pour les matériaux semi-conducteurs . Par exemple, si vous voulez une puce à haute température, vous pouvez choisir de l’yttrium ou un autre cristal pour se doper. Si vous voulez quelque chose qui fonctionne réellement mieux, le GaAs est un cristal populaire. Le point est; il existe d’autres types de semi-conducteurs, et le silicium n’est pas spécial car c’est la seule chose que nous pouvons utiliser.

Le silicium est souvent choisi simplement parce qu’il est si facilement disponible et convient à la plupart des applications. Notre planète a du silicium présent dans de nombreux endroits. Il est également relativement facile à récolter et à purifier pour fabriquer des composants. La saleté elle-même est parfois plus chère que le silicium!

zibadawa timmy

J’ai l’impression que la deuxième partie est un contre-exemple clair de votre revendication de départ. Très agréable.

PipperChip

Il y a beaucoup de choses que je n’ai même pas touchées; les zones brillantes, comment les jonctions pn sont créées, comment les jonctions pn sont manipulées, d’autres jonctions utilisées en électronique, l’espace k, les énergies fermi, l’interaction des trous et des charges, et les modèles mathématiques réels qui soutiennent toutes ces affirmations. Cela peut être un point de nucléation pour les connaissances sur ce sujet au mieux; une brève information qui sert de point de lancement dans la vaste mer qu’est la science des matériaux.

zibadawa timmy

C’est pour cela que je vous félicitais. Je me suis senti éduqué, au moins.


 rodrigo

Le silicium est intéressant car il est semi-conducteur. Autrement dit, il peut être utilisé pour construire des transistors et d’autres appareils. De plus, avec les techniques appropriées, la même tranche de silicium peut être utilisée pour construire des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs et des connexions électriques.

Désormais, transistors, diodes et résistances peuvent être connectés pour construire des portes logiques. Ensuite, construisez quelques millions de ces portes et assemblez-les avec les bonnes connexions, et vous pouvez construire des unités Aritmetic-Logic et des banques de mémoire. Ce sont des circuits intégrés.

Ensuite, assemblez quelques-uns de ces circuits intégrés: une unité centrale de traitement, une mémoire et vous aurez un ordinateur Von-Neumann.

Maintenant, vous avez juste besoin du logiciel. Ce sont les instructions appropriées qui permettront à votre ordinateur, eh bien … de calculer. Dans un sens plus large, l’ordinateur prend quelques 0 et 1 (bits9 en entrée et les mélange pour produire d’autres 0 et 1. La signification de ces 0 et 1 dépendra de leur emplacement.

C’est-à-dire que l’interprétation des bits appartient aux appareils connectés à l’ordinateur, et finalement à l’utilisateur.

Pour en revenir à votre question: qu’en est-il des cristaux de silicium? Ils permettent juste de construire de très, très petits transistors.

 

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