逻辑泛亚电竞电路是如何通过电子元件实现的？

2023-04-08 15:28:33

　　金属的最外层电子数较少，而绝缘体比如说惰性气体，它的最外层电子是最稳定的八电子结构。所以很容易用感官分析出来，金属的电子相比于惰性气体而言更容易发生逃逸。

　　而半导体是个什么鬼呢？？从化学结构上来看，它的最外层电子数恰恰介于导体与绝缘体之间，也就是4个。

　　———————————————备用知识扯淡完成————————————————

　　如图，就是这样喽。注意，共价键中的电子是不能导电的。（如果不知道共价键的话。。。。建议翻一番高中课本）

　　然而当然我们淘气的Si原子君肯定不会这么老实的。它肯定要吸收外界的能量。于是。。。。就变成了这样。

　　我们很容易看到，周围的空穴吸引了旁边的电子跑了过去，周而复始，也就是说空穴在移动，对那玩意可以移动！！！

　　所以可以总结：在半导体中参与导电的是空穴和自由电子。我们统称其为 载流子！

　　在室温为27摄氏度下，载流子浓度与硅原子浓度比大概为 10^-12 几乎连个鸟用都没用，更别说导电了。

　　那么P型类似就是这样的。往本征半导体里加3价元素。人为的增大空穴的数目。

　　当然我们知道半导体中，自由电子与空穴的数目是处于动态平衡状态的。那么往本征半导体里加了那么多奇奇怪怪的东西势必破坏了原有的平衡。有多出来 的就有少的，而相比另一部分远远多出来的我们称其为多子，少的我们叫少子。

　　也就是说对于N型，自由电子是多子，而空穴是少子。P型的话，空穴是多子，自由电子是少子。

　　——————————————载流子运动原则——————————————————————

　　载流子在不加电的情况下其实也会跑——————只要有浓度差，载流子会从高浓度扩散到低浓度。

　　————————————————PN结拉出来走两步——————————————————

　　假如说，把理工大学开到了师范大学的对门，或者把师范大学开到了理工大学的对门。

　　嗯，由于某种目的，嗯，在非正常学习时间，这两个学校的多子都要干什么？？？？？

　　于是乎上图很好的解释了这种现象。串门呗！（其实是各自半导体的多子不同导致巨大的浓度差）

　　当然自由电子与空穴的汇合并不是一场爱情。感觉更像是，约。。。，邪恶了。

　　我们可以发现泛亚电竞，干柴烈火的多子之间的碰撞导致了中间的部分，如图。平衡电荷的多子们都去合体而失去了电性，也自然没办法平衡这一部分的电中性。于是在这一区域出现了内建电场，其电势关系如图。而这一电场恰恰是阻止两边的多子进行扩散。此时半导体进入动态平衡状态。也就是我上面所说的双重作用导致了单向导电。（需要高二上的物理知识）（当然其实是复杂的动态平衡问题，这块简化为只考虑多子）

　　当外加的电场足够强大时，就可以摧毁PN结内部电场（简单粗暴是这么讲），刚才被抑制的多子的扩散运动加强，形成了正向电流。

　　当加反向电压时，电场区域增大（我们管该区域叫耗尽区），直观的扯淡来说，就是抑制了多子的扩散作用，而加剧了少子的漂移作用。

　　————————————————最后水一发————————————————————

　　本人纯小渣，无工程实践，无高端科研，讲点入门的。。。希望后来的各位给予指正

　　U0端处于高压状态。根据以上原则，就是两个信号输入端哪个为低电平，哪个导通，另外一个不导通。翻译过来，两个都是高电平，u0才会是高电平，否则期中一个导通就把电位拉成低电位了。于是我们可以发现这其实是个与门。

　　如图是一个NMOS transistor。简单来说，左右两边source input和drain output可以想象成电线，中间的gate input想象成开关。如果给gate input加上正电压，那么就仿佛开关闭合了一样，左右两边的电路就连通了。如果中间的gate input没有正电压，那么左右两边的电路就没有连通。

　　类似于NMOS，还有一种PMOS，就是与NMOS正好相反，如果有正电压的话反而断路，没有电压反而接通。

　　因为NMOS不擅长传输高电压，而PMOS不擅长传输低电压，换句话说，这个开关质量不行，比方说NMOS开关如果开着并且接着一个5V的电源，那么它的另一边是不到5V的。所以要制作完美的开关的话，那么就需要结合NMOS和PMOS，让输入是0（低电压的时候）用NMOS，输入是1（高电压）的时候，用PMOS。这就是CMOS。

　　用CMOS我们可以制造基础的门（gate），用门与门的组合可以做出逻辑电路。如何用CMOS具体是怎么做电路的呢？

　　如图是一个非门（not gate）输入一个a，输出一个not a。这个最简单的CMOS电路上面是一个PMOS，下面是一个NMOS。如果A是1的时候，PMOS关闭，NMOS开启，输出output=GND。如果A是0的时候，PMOS开启，NMOS关闭，输出=Vdd。

　　类似的，我们可以用CMOS做别的gates。比方说和门（AND gate）是用一个NAND和一个NOT gate（上面刚刚讲的）拼起来的，具体就不细说了。

　　总之，像这样通过NMOS和PMOS的结合，我们可以实现各种各样的逻辑电路。

　　我之前上【计算机组成原理】这门课的时做候，前半学期讲数字逻辑电路，主要是与门非门之类的，后半学期讲组成原理的内容，存储系统、指令系统、总线这类的。我觉得这样的安排存在两个很大的跳跃：

　　逻辑电路是如何实现的？虽然单独在逻辑电路的领域里，看懂泛亚电竞、设计简单电路什么的并不会有问题，所以作业和题都会做，但是毕竟我们学过物理的电学啊，我如何结合电学来理解，就很困惑【高电位通过非门就变成低电位】这类东西在实际电路上到底如何实现。

　　简单的逻辑电路元件如何组成复杂的芯片。这个问题自己想想是能想通的，因为我们也做过通过与非门等元件设计2-4译码器的问题，复杂芯片实质上也是这样通过大量简单元件的组合来实现。

　　上面有答主进行了很专业的回答，但我想如果不是电子相关专业、涉及具体的电路设计的话，大可以不需要理解的那么详细，我们只需要打通逻辑电路与实际电路之间到底是如何联系的即可。

　　从图上可以看出，输入电路里连着一个线圈，输出电路里连着一个开关，输入电路开关闭合，线圈里通电导致产生磁性，将输出电路里的开关向下吸引，使得输出电路被连通。这种可以通过弱电控制强电的功能使得继电器在我们生活中经常被应用。

　　非门！是的，如果输出电路本来是连通的，而输入电路中线圈的磁场会导致输出电路断开的话，就起到非门的作用了。

　　到这里，对我们而言最困难的问题实际上已经解决了——我们已经用实际电路实现了逻辑电路！

　　我们至此可以总结出来：逻辑电路里省略了大量实际的电路，例如上图中实际上非门并不是一根导线输入、一根导线输出的，实质上输入和输出的导线是在不同的闭合环路中。

　　不过为了大家理解更深刻，我把与门、或门、与非门用继电器实现的电路图也发出来，相信大家一看就明白：

　　接下来用逻辑门组成加法器、解码器、触发器之类的复杂元件作为计组课程内教授的内容，大家应该都知道了。

　　不过还是会有困惑：用继电器组成门电路我是明白了，但实际的计算机里难道是数以亿记的继电器？

　　目前的电脑当然不是，不过当时哈佛大学与IBM合作制作的Havard Mark I、Mark II计算机就是用继电器实现的，其中Mark II用了13000个继电器。

　　虽然理论上用继电器就完全可以造出我们目前的计算机，但实际上不可行，因为继电器存在很多问题：比如它是机械的，机械装置的开关都耗费不短的时间，所以性能比较差，而且容易因为机械问题产生故障（还记得“Bug”这个词的渊源吗？就是一只卡在Mark II的某个继电器上的bug）。

　　所以后面出现了真空管，它最大的好处是可以在百万分之一秒内发生转变。从这时开始，计算机才可以叫做电子计算机（之前应该算是电动器械计算机）。我们熟知的ENIAC就是用18000个真空管完成的。

　　但真空管也有坏处，例如价格昂贵、耗电高、发热大、寿命短。于是它被由其他答主答案里提到的PN半导体实现的晶体管替代。

　　当然后面技术也在不断发展，集成电路的制造技术不断飞跃，可以在越来越小的硅片里塞入更多的器件，但其本质还是基于晶体管来实现的。

　　关于真空管、晶体管乃至后面更复杂的实现技术的具体原理，我觉得如果不是很有兴趣的话，其实没必要去了解那么详细的，我们只需要知道它们其实都扮演着继电器的角色就好啦，毕竟通过继电器来理解逻辑电路，实在是太容易了：b。

　　这本书，我觉得用它非常适合用来进行计算机组成原理的入门，比我们用的国内非常学院派的教材不知道高到哪里去了。

　　泻药。所以还是建议先学完半导体原理、模拟电子技术。再来了解这个数字电子技术。要详细只能帖两本《电路》、《电子技术》的课本上来，知乎的这个对话框又放不下那两本书的字和图片。

　　写在前面：由于是根据本人记忆和理解给出的答案，或许存在疏漏、不足之处，如有知友不吝指出，不胜感激。

　　注：以下图片都是自己绘制，所以若需要使用（说得有人会用这些破图似的），请私信我或者在本答案下回复，谢谢合作。

　　如图，在电阻R两端引出两个输出端口。容易看出，输出1的电平是电源电压V，输出2是接地，即为0。所以输出1为高电平，对应逻辑中的1，输入为低电平，对应逻辑中的0。

　　信号为1，即为确认信号；信号为0，即为否认信号。所以只需要用电平来替代就好了。

　　S1闭合：电路导通，因为S1两端电压为零，所以输出1和输出2相同，为低电平；

　　S2断开：电路断开，因为S1通过电流为零，所以输出1等于电源电压，为高电平。

　　再回头看看三门的条件和作用。为了简单起见，我们假设输入为二端（非门这货就算了）

　　与门相当于在说：只要有一个开关闭合，输出就是低电平。那么想到了什么？结合第二张图，想到了什么？对了，并联电路。两个开关并联，只要一个闭合，两端电压为零。

　　言归正传。我们发现，这个S1本身就是个天然的非门。当输入为高电平（大于阈值）的时候，输出为低电平，反之亦成立。

　　但是，因为本身非门的缘故，原先我们的所说的与门和或门的推断都出了问题，需要在判断之前加入判断：

　　——————困了，未完待续————————————继续——————我们来看看与门和或门的线 0 0

　　因此，只需要把这些门的输出作为非门输入，即可以解决问题。所以，可以得到如下电路：

　　>

　　从串联电路角度来说，当且仅当输入全为高电平时，电路导通，泛亚电竞input = 0，output为高电平。

　　从并联电路的角度来看，当且仅当输入全为低电平时，开关全断开，input为高电平，S导通，output=0。泛亚电竞