Въведение в полупроводници

Може би вече научи, че въз основа на това колко лесно един материал позволява на заряда да тече през него, можем да класифицираме материалите като проводници, изолатори и полупроводници. Сега ще се фокусираме върху полупроводниците. Но винаги се чудя защо говорим за полупроводници. Какъв вид приложение би имал един полупроводник? Помисли за това така – проводниците са отлични в това, което правят – те позволяват протичането на електричество, или позволяват поток на заряди. Където е нужно да протича ток, ще използваме проводниците. Изолаторите също са добри в това, което правят – не позволяват, или блокират, протичането на ток. Когато не искаме да протича ток, или на места, където не го искаме, можем да използваме изолиращи материали. Къде бихме използвали полупроводници? Това беше голям въпрос, който винаги ме е преследвал. Защо изобщо говорим за тях? Най-добрият начин да помислим за това е като разгледаме една картинка – нека разгледаме една картинка ето тук. Какво виждаш? Виждаш двама мъже, които бутат това огромно нещо в някаква стая и познай какво било – това е било преди приблизително 60 години. Това, което бутат, е един от първите хард дискове, които са били произведени. Този хард диск, шедьовър на времето си, имал удивителен капацитет от 5МВ. Правилно чу. Нека запиша тук, 5МВ. Нека ти покажа какво имаме днес. Това е карта памет, която използвам за камерата си, която е 32GB. Тук сме днес. (по време на създаване на клипа :) Днес. Говорим за 32GB. Нека спрем за момент, за да осъзнаем това. Шегуваш ли се? Само 5МВ за това огромно нещо? Това дори не може да съхранява... какъв е максимумът? Може да съхранява може би две или три снимки, каквито правим днес с камерите или мобилните си телефони. Това нещо може да съхранява видеа, игри и много повече неща – и това е било само преди 60 години. Не знам за теб, но този технологичен растеж е удивителен за мен. Всеки път, когато говоря за това, кожата ми настръхва, включително сега. Как е възможно това? И не само това, помисли за цялата изчислителна работа, която имаме – компютри, калкулатори, мобилни телефони, всички електронни устройства, с които разполагаме – те са удивителни, имат изключителен капацитет в сравнение с това, което сме имали преди няколко години. Какво позволява всичко това? Защо изчислителната ни технология нараства толкова експоненциално, толкова бързо, с такава невъобразима скорост? Познай? Всичко е поради предимството на полупроводниците. Оказва се, че цялата тази технология, дори вътре в картата ми памет, е направена от полупроводникови материали. Но, отново, въпросът може да е – защо използваме полупроводници? Как полупроводниците ни позволяват да направим това, защо не можем да го направим с проводници или изолатори? Нека проучим това в малко повече подробности. Нека започнем, като се запитаме какво има в един компютър. Каква мислиш е най-основната единица в един компютър? Каква мислиш е тя? Може вече да научи, че компютрите са изградени от ALU, CPU, RAM и ROM, но кое е най-основното нещо? Точно както в живите организми, най-основната, най-фундаменталната единица са клетките, каква мислиш е най-фундаменталната единица тук? Когато научих това за пръв път, се изненадах. Оказва се, че най-фундаменталната единица е ключ. Точно така, ключ, който се включва и изключва. Компютрите са изградени предимно от много, много, много ключове. Има прост начин да мислим за това. Колкото повече ключове вкараш в компютъра, толкова по-голяма е изчислителната мощност, толкова повече памет имаш. Но, разбира се, разликата между ключа, с който сме запознати, и тези в компютъра, е в това, че ключовете в компютрите нямат движещи се части. За разлика от обикновения ключ, който се контролира механично чрез включване и изключване, тези ключове в компютъра биват контролирани от електричество, от напрежение, или от ток. Бихме казали, че са контролирани от електричество. Но, отново, въпросът може да е как да изградиш ключ, който няма движещи се части. Сега идваме до същността на нещата. Говорим за най-фундаменталното нещо, което ни трябва, за да създадем компютър и тайната тук е да изградиш уред, който позволява протичането на ток само в една посока, може би насам – позволява протичането на ток в една посока, но не позволява протичане на ток в противоположната посока. Трябва да построиш нещо такова. По същество това е проводник в едната посока и изолатор в противоположната посока. Ако можеш да изградиш такъв уред, можеш да изградиш ключ, който няма движещи се части, а после можеш да строиш компютри. По-рано, в ранните години на 20-и век, сме ги строели чрез използване на проводници и изолатори и те са изглеждали ето така. Това изглежда много сложно, но не е нужно да се тревожиш за тях, няма да ги изучаваме, те са доста древни, доста остарели, те се използват само за експерименти днес. Били изграждани само от проводници и изолатори. Проблемите с този уред... Проблемът с този уред – това, между другото, е много старо – проблемът бил, че те работели с нагряване. Това означава, че трябвало да ги нагрееш, за да заработят, а това означава, че ако поставиш много от тези неща в един компютър, компютърът ще стане много горещ. Това били огромни уреди, което означава, че компютрите биха били огромни, биха изисквали големи стаи и трябвало да бъдат охлаждани през цялото време. Тъй като го нагряваш, това би изисквало огромно количество мощност, а и били доста големи, били трудни за производство и се разваляли бързо, така че трябвало да ги заменяш доста често. Това е кошмарно. Това, което сме имали преди. Но днес можем да построим тези неща, просто като използваме полупроводници. Големите изглеждат ето така. Да, това са големите, това са тези, които имаме днес, и те са изградени изключително чрез полупроводници. Големите изглеждат ето така и красотата е, че не работят със загряване, не е нужно да ги загряваш, а това означава, че изискват много ниско захранване и са много икономични. Това са големите, а малките са толкова малки, че можеш да сложиш милиарди от тях на нокътя си – те са много малки. Което означава, че ключът ни е станал изключително малък и можем да сложим много такива ключове в компютрите, правейки компютрите чудесни. Накратко, защо използваме полупроводници за компютърни устройства? Понеже с полупроводниците можеш да изградиш изключително малки ключове и можеш да построиш чудесни компютри от тях. В бъдеще ще се фокусираме и ще научим точно как, като проучим характеристиките на полупроводниците, можем да изградим такива уреди. После ще се научим как използвайки тези устройства можем да построяваме ключове, които нямат абсолютно никакви движещи се части, които се контролират само от електричество.