cicatrix

cicatrix

На Пикабу
Дата рождения: 06 июня 1976
Useee
Useee и еще 1 донатер
поставил 1608 плюсов и 1665 минусов
отредактировал 25 постов
проголосовал за 42 редактирования
Награды:
За участие в Пикабу-Оскаре самый сохраняемый пост недели 5 лет на Пикабуболее 1000 подписчиков
121К рейтинг 4107 подписчиков 25 подписок 60 постов 51 в горячем

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне?

Предыстория


В 2015 году телескоп Кепплер обнаружил периодическое изменение блеска звезды KIC 8462852 в созвездии Лебедя, которая получила ещё название Звезда Табби. Собственно, в этом явлении не было бы ничего необычного, кроме того, что подобное падение яркости не характерно для звёзд этого типа.


Её светимость падала на величину до 22 процентов, причём такие падения наблюдались на протяжении различных промежутков времени (от 5 до 80 дней), что привело к появлению большого количества гипотез от проблем с телескопом до инопланетян.


Астроном Брэдли Шефер после изучения исторических снимков этой области неба, делавшихся с 1890 по 1989 года, заметил, что за это время яркость звезды уменьшилась на 20 %. Чтобы исключить возможность ошибок, Шеффер лично отправился в Гарвард, чтобы изучить оригиналы снимков. По мнению Шефера, кометная гипотеза для объяснения наблюдаемых эффектов уже не годится. По его расчётам, для такого затемнения перед звездой должно было пролететь не менее 648 000 комет, каждая диаметром от 200 км, что является совершенно невероятным.


24 апреля 2017 года началось очередное падение яркости KIC 8462852 (первое с 2013 года). Наблюдение звезды велось десятками телескопов. После этого звезда стала возвращаться к своей обычной яркости. 19 и 20 мая 2017 года снижение яркости составляло 3 %.


Мерцание KIC 8462852 может указывать на попытку строительства астроинженерного сооружения типа сферы Дайсона (я про них писал в посте "Как укротить звезду") или другого набора гигантских объектов (например, коллекторов света), которые высокоразвитая внеземная цивилизация построила для аккумулирования энергии своей звезды, что сразу взбудоражило общественное мнение.


Теперь, собственно, история


Постепенно страсти углеглись, так как "It is never aliens" (Это никогда не инопланетяне), да и институт SETI, долго вслушиваясь в радиодиапазон, идущий от звезды, не обнаружил никаких упорядоченных сигналов. Но вот месяц назад, была обнаружена ещё одна звезда, которая ведёт себя ещё более странно.


В своей работе The Random Transiter – EPIC 249706694/HD 139139, опубликованной месяц назад ряд астрономов обратили внимание на ещё одну странную звезду (а точнее - систему из двух звёзд), известную как HD 139139, расположенную в созвездии Весов. Редкость и необычность этой системы обуславливается уже тем, что она принадлежит к 0,5% звёзд, из окрестностей которых можно наблюдать прохождение нашей планеты на фоне Солнца.


Но и это было бы не так интересно, как то, что данная звезда тоже изменяет свой блеск. Но, в отличие от звезды Табби, делает она это нерегулярно и очень странно:

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне? Космос, Астрономия, Космические исследования, Наука, Длиннопост

На графике показана наблюдаемая светимость HD 139139 - за период наблюдений в 87 дней, спады яркости происходили 28 раз, и что самое загадочное - они происходили нерегулярно, то есть это явление не могло быть вызвано планетой обращающейся вокруг этой двойной системы (либо вокруг одной из звёзд).


Альтернативой было бы предположить, что в данной системе присутствует 28 очень близких друг другу по размеру планет, движущихся практически по одной и той же орбите, вероятность чего исчезающе мала.


Ещё была сделана попытка объяснить феномен разрушением планеты, однако, и эту гипотезу довольно быстро отмели, так как разрушение планеты должно было выглядеть примерно так:

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне? Космос, Астрономия, Космические исследования, Наука, Длиннопост

Затем была попытка объяснить наблюдаемое снижение яркости особо-крупными тёмными пятнами на поверхности одной из звёзд. Но тогда мы должны были бы наблюдать подобные явления и на других двойных системах схожего типа, коих в наблдюдаемой области космоса не мало.


Разумеется, в опубликованной работе нет ни слова про возможные астросооружения, так как It is never aliens, но я уверен, в ближайшем будущем, журналисты обязательно подробно нам расскажут о том, что именно там строят зелёные человечки.


В опубликованной работе не делается никаких конкретных выводов. Астрономы признаются, что не смогли найти убедительного объяснения наблюдаемым явлениям, а целью работы было привлечь больше внимания со стороны сообщества астрофизиков, чтобы попытаться найти ответ.


Ссылка на публикацию: https://arxiv.org/pdf/1906.11268.pdf


P. S.

Ну конечно же, это инопланетяне! :)

Показать полностью 2

Как делают микропроцессоры

Продолжение

Часть 1 (О полупроводниках вообще и о диодах)

Часть 2 (Транзисторы)

Часть 3 (Как заставить машину считать при помощи транзистора)


...потому как на бумаге всё просто, но блин, как они это всё запихнули в чип размером с ноготь?!

(один из комментариев к предыдущему посту)
Ну что же, вот об этом сейчас и пойдёт речь.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Увеличенное изображение неразрезанных кристаллов процессоров Intel Core I7.


Действительно, разбираясь в том, как работают транзисторы, нельзя обойти вниманием вопрос миниатюризации. На современных чипах размером с тетрадную клетку располагаются несколько миллиардов транзисторов, размер каждого из которых колеблется в пределах нескольких нанометров (одна миллиардная часть метра). Создание подобных монстров - задача, с которой в наше время люди справляются только при помощи средств компьютерного проектирования.


Чтобы дать представление о том, насколько сложна структура современного микропроцессора, предлагаю взглянуть на самую простую схему самого простого, самого первого коммерческого микропроцессора фирмы Intel 4004.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Кристалл этого 4-битного микропроцессора имел площадь 12 мм², размер каждого из 2300 транзисторов был «огромным» по современным меркам (10 мкм), транзисторы на современных кристаллах имеют размер примерно в тысячу раз меньше!

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

А вот, что представлял собой кристалл этого процессора:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Создание микропроцессора начинается с процесса его проектирования. Задача конструкторов создать и предварительно протестировать схему микропроцессора. Выпуск новой схемы занимает труд десятков, если не сотен инженеров, и занимает месяцы подготовки. Когда процесс проектирования будет закончен, необходимо изготовить фотошаблон для нового чипа. Для того чтобы оценить важность данного процесса и цену ошибки, достаточно сказать, что нажатие кнопки PRINT в данном случае «стоит» от 600 тыс. до 1 млн. долларов США, а для набора шаблонов стоимость может исчисляться уже десятками миллионов долларов.


Создание фотошаблона (для современных многослойных схем микропроцессоров речь идёт уже о наборах фотошаблонов) – наверное, наиболее важный (после проектирования) процесс в технологии изготовления микропроцессоров.
Фотошаблон обычно представляет собой кусок стекла, с напылением из хрома, на который нанесено «негативное» изображение интегральной схемы. Оно обычно в несколько раз больше тех размеров, которые впоследствии примет изготовленный микрочип, но исключительная сложность современных процессоров и огромное количество транзисторов всё равно позволяют разглядеть отдельные детали только при помощи довольно мощного микроскопа.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Готовый фотошаблон очень тщательно (буквально каждую дорожку) проверяют на предмет дефектов. Для этих целей служат как специальные машины, но используется и труд людей, проверяющих шаблон при помощи микроскопов. Работа с шаблонами производится в т. н. «чистой комнате», где содержание пыли и посторонних примесей сведено до минимума – люди ходят в специальных костюмах – любая пылинка на шаблоне произведёт эффект деревянного бревна, упавшего на карточный домик.


Когда фотошаблон изготовлен, приходит время его «печати» на том, что впоследствии станет микропроцессором. Процесс (вернее, целое семейство технологических процессов) называется фотолитография и по своим базовым принципам очень похож на процесс печати фотографий с негатива).


Начинается всё с обычного кварцевого песка.


Песок проходит целую серию процессов по очистке и химических реакций, целью которых является получение чистейшего кремния. Для экономии места позвольте мне опустить технические детали процесса очистки.


Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.


В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решётку. Так выращивают кристаллы соли, так растёт и кристалл кремния.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.


За это время образуется цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура — идеальная кристаллическая решётка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объёму.


Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.


После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решётки, заготовку помещают в установку для резки. Проволочная пила с алмазным напылением нарезает кристалл на блины (или вафли от англ. wafer) толщиной примерно в 1 мм.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Когда такой гигант процессоростроения, как Intel только начинал производить чипы, он использовал «вафли» диаметром всего 2 дюйма. Теперь, для удешевления процесса, используются «вафли» диаметром 12 дюймов (~300 мм).


Какой бы тонкой и гладкой ни была пила, всё равно заготовка будет иметь сколы, микроповреждения и царапины, поэтому каждую пластину дополнительно полируют. Но и этого оказывается недостаточно, поэтому окончательная полировка производится уже химическими реагентами.


Следующим этапом является нанесение на вафли фоторезиста – полимерного светочувствительного материала. По своим химическим свойствам фоторезист очень похож на материал, который наносился на фото- и киноплёнки в ещё сравнительно недалёком прошлом. Разница в том, что на старых плёнках фоторезист изменял свои химические свойства под действием видимого света, сейчас же используется ультрафиолетовое излучение.Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту).


Теперь приходит время для непосредственного экспонирования – подготовленный фотошаблон помещается под ультрафиолетовый лазер, и, сильно уменьшенное изображение с фотошаблона проецируется на слой фоторезиста, на машине под названием «степпер» (от англ. step – шаг) – на одну «вафлю» проецируется множество копий одной и той же маски:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Почему ультрафиолет? Всё дело в длине волны. Получение чёткой проекции микроскопического объекта зависит от длины волны излучения и разрешающей силы оптической системы. В современной промышленности используют глубокий ультрафиолет эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Но и этого оказывается недостаточным для изготовления транзисторов по тех. процессу ниже 50 нм (когда говорят о техпроцессе, имеют в виду линейные размеры одного транзистора). Фотолитография на глубоком ультрафиолете использует уже не линзы, а многослойные зеркала, где каждый слой даёт слегка отличающуюся от предыдущей интерференционную картину, а комбинированное отражение всех слоёв позволяет получить изображение меньшее, чем длина волны используемого излучения. Тем, кто интересуется темой более подробно, в англоязычной версии Википедии есть великолепная статья на эту тему.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Но двинемся дальше. Те области на вафле, покрытой фоторезистом, куда попал ультрафиолет, могут быть смыты специальным химическим составом (например Гидроксидом тетраметиламмония), таким образом на нашей заготовке проявится «отпечаток» будущего микропроцессора. Но работа на этом только начинается.
После травления, на кремниевой подложке образуются бороздки, повторяющие рисунок первого слоя микропроцессора:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

На следующем этапе происходит легирование основы. О том, зачем нужно легирование, можно ознакомиться в первой части данной серии. На данном шаге участки подложки обогащаются ионами, в результате чего кремний меняет свои физические свойства, позволяя процессору управлять потоками электрического тока. Ионизированные ядра атомов легирующего вещества разгоняются в электрическом поле до огромных скоростей и внедряются в незащищённые слоем фоторезиста области подложки.


После легирования заготовка покрывается оксидной плёнкой (в данном технологическом процессе используется термин High-K, характеризующий материал с диэлектрической проницаемостью большей, чем у диоксида кремния). Название происходит от диэлектрической константы материала, обозначаемой греческой буквой κ – каппа. В более старых технологических процессах использовался, собственно сам диоксид кремния. Он был хорош до поры, его слой можно было выращивать путём высокотемпературного окисления на самом кремниевом слое, однако, с уменьшением площади транзистора, уменьшалась и площадь затвора, а следственно – его ёмкость. Чтобы увеличить ёмкость можно уменьшать слой диэлектрика под затвором, но если его толщина уменьшается менее 3 нм, начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов, которые попросту туннелируют через этот смехотворный барьер, создавая ток утечки, и, чем тоньше слой, тем сильнее проявляется этот эффект. Изготовление подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить его толщину, одновременно увеличивая ёмкость затвора, обеспечивая снижение тока утечки на несколько порядков по сравнению с более тонким диэлектриком из диоксида кремния. При производстве современных чипов используются силикат или оксид гафния. На картинке слева – транзистор, обработанный слоем фоторезиста, справа – состояние после смывки облучённого фоторезиста.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Ненужный нам теперь слой диэлектрика так же смывается химическим путём:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

На данном этапе транзисторы на схеме уже готовы, но они не соединены друг с другом. Следующие два этапа – нанесение изолирующего слоя, где в местах, где расположены терминалы транзисторов уже знакомым нам образом вытравливаются отверстия. После этого, вафлю помещают в раствор сульфата меди и гальванизируют. В ходе этого процесса, медь покрывает всю поверхность заготовки:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Излишек меди убирается шлифовкой, после чего транзисторы соединяются между собой:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Порядок соединения зависит от архитектуры процессора и определяется на стадии проектирования. Хотя чип и может выглядеть «плоским», соединения могут достигать «этажности» до 30 слоёв.
На заключительной фазе, нашу «вафлю» нарезают, получая, тем самым, отдельные чипы, после чего останется только поместить их в защитный корпус:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Соединение миллиардов транзисторов невероятно сложная задача, от их качества зависит в конечном итоге производительность процессора, поэтому каждый чип проходит этап тестирования (причём, часть тестов проводится ещё до «нарезки») где определяются его выходные характеристики. Поскольку работа идёт с невероятным уровнем миниатюризации, ошибки и дефекты при изготовлении практически неизбежны.


Но наличие дефекта ещё не означает, что процессор не может работать. Коррекции ошибок уделяется особое внимание ещё на стадии проектирования, поэтому в схему нередко заложена некоторая избыточность. Часть бракованных чипов, например, может работать на более низких частотах, поэтому далеко не всегда два процессора, изготовленные на одной «вафле», будут иметь одинаковую маркировку.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

О законе Мура.


Ещё в 1965 году, американский инженер, один из основателей компании Intel, Гордон Мур, в одной из своих работ сделал наблюдение, которое впоследствии назвали «Законом Мура». Он гласил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца (причём, изначально речь шла о 12 месяцев).


И действительно, если проследить эволюцию микропроцессоров, данный закон более-менее соблюдался почти 40 лет, до начала 2010-х годов, пока инженеры не «упёрлись» в физические пределы, во-первых, разрешающей возможности оптики для процесса фотолитографии, во-вторых – в минимально-необходимое расстояние между двумя терминалами транзисторов, где туннельный эффект ещё можно игнорировать. Чтобы ощутить, насколько мал транзистор, изготовленный по тех. процессу 14 нм, достаточно узнать, что это всего лишь 70 атомов (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм).


Хотя, инженеры продолжают добиваться поразительных успехов в данной области, например, в 2012 году, исследовательская команда в университете Нового Южного Уэльса объявила о первом транзисторе, состоящем из единственного атома, несложно предположить, что конец закона Мура не за горами, и тех. процесс в 7 нм, возможно, будет последним в погоне за миниатюризацией.

Показать полностью 16

Как заставить машину считать при помощи транзисторов?

Продолжение. Часть 1 Часть 2

В предыдущих частях я рассказал о полупроводниковых приборах, диоде и транзисторе, благодаря которым человечество смогло сменить технологический уклад и войти в компьютерную эру.
Однако, описывая устройство транзистора, я так и не коснулся того, каким образом из этого относительно простого устройства можно сделать компьютер. Что же, сейчас я постараюсь объяснить.

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Двоичная логика
Думаю, что ни для кого, кто не прогуливал информатику в школе, не будет секретом, что в компьютерах используется двоичная система счисления, и счёт идёт следующим образом: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000, и т .д. Когда мы имеем дело с простой электрической цепью, нам доступно, по сути, всего два состояния: напряжения в цепи нет, и напряжение в цепи есть, которые можно обозначить за 0 и 1, соответственно. Люди привыкли считать в десятичной системе счисления (наверное, потому, что у большинства из нас по 10 пальцев на руках). Машину тоже можно научить считать в десятичной системе, однако это не очень практично, так как нам понадобится различать 10 различных состояний электрической цепи, что значительно усложнит конструкцию. Но и двух состояний, как показывает практика, достаточно практически для любой вычислительной задачи.

Для тех, кто не читал предыдущие посты в этой серии, я напомню, что транзистор может работать как запорный кран на водопроводной трубе – включая и выключая напряжение на базе, мы можем либо «открывать кран» (пропускать ток через транзистор), либо «запирать» его. Соответственно, если абстрагироваться от технических деталей, то, подав «единицу» на базу, мы получим «единицу» и на выходе.

Логические вентили
Сразу оговорюсь – одну и ту же схему можно построить, используя несколько способов, здесь предложен лишь один из вариантов.
Здесь и далее, условно мы считаем поданное напряжение за 1 (или ИСТИНА), отсутствие напряжение – 0 (ЛОЖЬ).
Сила транзисторов приходит с их числом. Давайте посмотрим на следующую схему:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

На данной схеме, если мы подадим на вход (In) 1, электричество потечёт от коллектора на эмиттер (сверху вниз). Так как ток всегда идёт по линии наименьшего сопротивления, на выходе будет 0. Если на входе будет 0, то транзистор предотвратит ток от коллектора на эмиттер, и на выходе (Out) мы получим 1.

Эта схема является логическим инвертором (превращает 0 в 1 или 1 в 0), представляя собой логическую операцию НЕ (NOT). В логических схемах, по стандарту ANSI 91-1984, она обозначается так:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

(есть и другие стандарты обозначений, но в подавляющем большинстве случаев, если вы будете дополнительно изучать эту тему, вы будете встречать именно такие символы).

Забегая вперёд, скажу, что для каждой операции существует так называемая «таблица истинности» (truth table), которая показывает, как данная операция изменяет входящий сигнал. Входящие сигналы обычно обозначают буквами латинского алфавита по порядку (A, B и т. д.) Для операции NOT существует всего 1 входящий сигнал А:

А = 0 → 1

А = 1 → 0


Рассмотрим пример посложнее:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Здесь, если вы уже хоть чуточку разбираетесь в том, что уже было сказано, можно увидеть, что на выходе (Out) мы получим 1 только если на входах A и B тоже будут единицы, а в любом другом случае, на выходе будет 0. Мы получили логический вентиль И (AND), который обозначается так:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Вентиль И имеет следующую таблицу истинности:

A = 0, B = 0 → 0

A = 0, B = 1 → 0

A = 1, B = 0 → 0

A = 1, B = 1 → 1

Для полноты комплекта набора базовых логических вентилей, рассмотрим ещё и вентиль ИЛИ (OR):

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Данный вентиль позволяет получить 1 на выходе, если хотя бы один из входов (или сразу оба) на вход получают 1.

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

У вентиля ИЛИ, как легко предположить имеется следующая таблица истинности:

A = 0, B = 0 → 0

A = 0, B = 1 → 1

A = 1, B = 0 → 1

A = 1, B = 1 → 1

Есть и другие вентили, например XOR, NAND, NOR, и т. д. С целью экономии места и времени, я пропущу их описание, остановлюсь подробнее только на одном из них, под названием NAND (НЕ-И). Дело в том, что при помощи вентилей этого типа, мы можем сконструировать вентиль любого другого типа. Это было математически доказано ещё в далёком 1913 году американским логиком Генри Шеффером. Любая комбинация логических вентилей может быть реализована при помощи вентилей типа НЕ-И или НЕ-ИЛИ.

Почему NAND?
На самом деле всё просто. Вентили NAND быстрее. Есть такой термин «логические трудозатраты». Это параметр, который характеризует временную задержку в логических элементах. На практике при построении интегральных схем чаще всего используются вентили типа NAND.

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Как можно уяснить уже из названия, NAND (Not AND) или НЕ-И представляет собой вентиль И с инверсией результата. То есть, он всегда на выходе имеет 1, кроме того случая, когда единица подаётся на оба входа одновременно:
A = 0, B = 0 → 1

A = 0, B = 1 → 1

A = 1, B = 0 → 1

A = 1, B = 1 → 0

На этой схеме представлены варианты изготовления вентилей НЕ (NOT), И (AND), ИЛИ (OR) и исключающего ИЛИ (XOR) только при помощи вентилей типа NAND:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Так как же компьютер считает?
Посмотрите на схему, она состоит из вентиля XOR (исключающее ИЛИ) и вентиля AND:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

В качестве разминки для ума, попробуйте сами составить таблицу истинности для этой схемы. Если у вас всё получилось, то вы должны прийти к следующей логике:
A = 0, B = 0 → S = 0, C = 0

A = 0, B = 1 → S = 1, C = 0

A = 1, B = 0 → S = 1, C = 0

A = 1, B = 1 → S = 0, C = 1


Или, если хочется поиграться самому, вот ссылка на работающую симуляцию:https://simulator.io/board/mgWFjacWov/1
(Щёлкайте по сигналам - 0 и 1, чтобы зажечь или погасить лампочку).

Ура! Мы научились складывать 1 и 1! И действительно, мы получили устройство, способное сложить значения двух бит (которые подаются на входы A и B) и получить результат на выходе S (Sum – сумма). 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1. Что же происходит, когда складывается 1 + 1 – в этом случае вывод S обнуляется, но зато единица подаётся на вывод C (Carry – перенос). Это сигнал о том, что у нас возникло переполнение, и нам необходим следующий разряд для записи числа 2 (или 10 в двоичном представлении).
Описанная схема называется «полусумматором» (half-adder).

Если мы захотим перерисовать эту схему, используя только вентили типа NAND, то получим вот это:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Очевидно, что полусумматор может работать только с одним разрядом. Теперь давайте совместим два полусумматора вместе:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Симуляция: https://simulator.io/board/2Cf3xg9qcE/1

Заметьте, слева у нас появился ещё один ввод (который обозначен Carry-in). Построим для этой схемы таблицу истинности:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Обратите внимание, как, в зависимости от ввода Carry-In меняется результат. Если на этот ввод подавать состояние вывода переполнения/переноса (C-out) с соседнего сумматора, то будет понятно, что, расположив 8 таких сумматоров в цепочку, мы можем заставить компьютер складывать числа ёмкостью до 8 бит (то есть, в пределах от 0 до 255 или от -127 до 128). Ниже представлена цепочка из 4 полных сумматоров, позволяющих складывать числа до 4 бит:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Cовременные компьютеры работают с шинами в 64 бит, а иногда и в 128 бит. Но мы можем масштабировать подобную схему, в принципе, до любой разрядности.

Со сложением определились. А как быть с вычитанием?

Да, в общем-то, ничего сложного, как вы поняли, в вычитании нет. Вот схема вычитателя, состоящая из двух идентичных половинок. Как видно, мы решаем проблему просто добавлением вентилей НЕ:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

И таблица истинности для данной схемы:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Чтобы поупражняться самостоятельно, можете взять симуляцию схемы сумматора (https://simulator.io/board/2Cf3xg9qcE/1), и, добавив вентили НЕ (NOT) превратить его в вычитатель.

Расположив сумматоры параллельно, и добавив на один вход вентиль типа НЕ, мы получим схему, способную вычитать одно двоичное число из другого. Но, как вы уже заметили, сумматор и вычитатель, по сути, являются одной и той же схемой, сама операция зависит лишь от инверсии одного из сигналов. И действительно, мы можем построить универсальную логическую машину, позволяющую как складывать, так и вычитать числа при помощи такой схемы (для 4 бит):

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Логика, Логические элементы, Длиннопост

Симуляция: https://simulator.io/board/Kx7SAVz4P6/1


Последний вывод Cout на симуляции обозначает переполнение (лампочка красного цвета).

Мы добавили на входы битовых сумматоров вентили исключающего ИЛИ (XOR), которые выдают единицу только в том случае, если на его входы подаются разные сигналы. Когда M = 0, вентили выдадут значение сигналов B0-B3, когда M = 1, они инвертируют входящие сигналы. Таким образом, когда сигнал М = 1, данная схема становится вычитателем, а когда М = 0 – сумматором.

Надеюсь, этот пост дал вам первичное представление о том, как научить машину считать при помощи транзисторов. В следующем посте я расскажу о том, как производят интегральные схемы, на которых располагаются миллиарды транзисторов, и насколько малых размеров вообще возможно сделать транзистор.

Показать полностью 17

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы

Как я уже упомянул в предыдущем посте, именно благодаря полупроводникам, человеческая цивилизация совершила грандиозный рывок вперёд на пути прогресса. Без них немыслим быт современного человека и практически любое устройство, подключаемое к розетке электропитания, содержит электронные компоненты на основе полупроводников.



Мы живём в эпоху информации, почти половина населения нашей планеты подключена к глобальной сети, мы ежедневно обмениваемся друг с другом мегабайтами информации, и всё это было бы не возможно, если бы не было транзисторов – относительно простых устройств, без которых была бы немыслима работа ни одного микропроцессора.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Наверное, перед началом повествования стоит ещё назвать причины, по которым люди вообще задумались над изобретением транзистора. А основная причина была в том, что при использовании как телеграфа, так и радиосвязи приходящий сигнал был весьма слабым, что зачастую не позволяло нормально его принимать. Вот если бы было устройство, которое бы смогло регулировать уровень напряжения в цепи пропорционально приходящему сигналу, т. е. по факту – усиливать сигнал!



Очень часто, когда дают материал по электротехнике ученикам приводят аналоги из гидравлики, так как представить поток жидкости внутри трубы людям бывает проще, чем поток электрических зарядов по проводнику. Надеюсь, эта аналогия меня не подведёт, потому что сейчас мы для абсолютно гипотетического примера изобретём гидравлический транзистор:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Представим, что у нас есть слабый волновой сигнал (не важно, кто и откуда нам его посылает), и этот сигнал приходит к нам в виде изменений давления в ёмкости, которая обозначена на схеме Gate (затвор). Очевидно, что чем больше там давление, тем шире откроется заслонка, и тем большее количество жидкости сможет протекать от истока (Source) к стоку (Drain). Что характерно – интенсивность тока жидкости на сливе будет в точности повторять приходящий сигнал, однако он будет гораздо более сильным.



В электрических цепях до изобретения транзистора использовались лампы под названием триоды:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Устроен триод почти так же, как и ламповый диод (см. предыдущий пост), с тем лишь исключением, что между катодом и анодом натянута сетка, которая называется «управляющей» к которой подведён дополнительный контакт. Продолжая аналогию с предыдущей гифкой, можно увидеть, что сетка играет роль затвора. Поле, создаваемое управляющей сеткой, оказывает влияние на анодный ток. Под управлением находятся электроны, эмитированные катодом в виде пространственного заряда. Степень воздействия зависит от расстояния того или иного электрода до катода.



Поскольку расположение управляющей сетки получается ближе к катоду по сравнению с анодом, соответственно, и влияние её электрического поля на заряд катода будет выше, чем у анода. Во время прохождения электрического тока по триоду движение электронов осуществляется в направлении от катода к аноду. При этом, они проходят сквозь отверстия управляющей сетки. Если на неё подать в небольшом количестве отрицательный потенциал через ножку в основании лампы, то у нас появится возможность изменять число электронов, движущихся от одного электрода к другому. Действие отрицательного потенциала, подведённого к сетке, вызывает отталкивание некоторой части электронов. Другие электроны, попавшие в триод, все равно преодолевают открытое пространство между электродами и движутся в направлении анода. Так можно управлять течением тока через лампу и внешнюю цепь.



Лампы были, с одной стороны, весьма прогрессивным изобретением, однако, в то же время, они были очень хрупкими и очень громоздкими и требовали много энергии (помните, катод надо нагревать). Вот, к примеру, один из первых радиоприёмников образца 1914 года:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Мы можем использовать эту управляющую сетку не только для регулировки, но и в качестве выключателя. Если мы подадим на управляющий электрод отрицательный заряд, он начнёт отталкивать вылетающие электроны из катода и цепь будет разомкнута. В этом была заложена основа двоичного кодирования – ноль и единица. Лампы открыли нам путь для создания компьютеров. Для постройки одного из первых в мире компьютеров общего назначения ENIAC в 1945 году было использовано около 18 тысяч ламп! Компьютер весил 30 тонн и занимал целый зал, не говоря уже о той прорве электричества, которую он пожирал. Лампы регулярно перегорали и требовали замены. Тем не менее, эта машина за 30 минут справлялась с таким же объёмом расчётов траекторий артиллерийской стрельбы, на проведение которых человеку требовались сутки. Теперь же, похожая задачка решается в тех же Angry Birds, и справиться с ней может чип величиной с песчинку, и всё благодаря транзистору. В современных микропроцессорах находятся миллиарды транзисторов, каждый из которых выполняет точно такую же функцию, как и лампа.



Давайте же разберёмся, как он работает.



Прежде всего, если вы не читали предыдущий пост, настоятельно советую для начала ознакомиться с ним, потому что дальнейшее изложение я буду строить исходя из предположения, что читатель знаком с понятиями P-N перехода. Вкратце – в полупроводники с правильной кристаллической решёткой вносятся добавки (процесс называется «легирование»), обеспечивающие либо дополнительные электроны в зоне проводимости (полупроводник N-типа), либо наоборот – создающие их дефицит (дырки) – полупроводник P-типа.
Для того, чтобы создать диод, нам понадобилось 2 типа полупроводников, соединённых друг с другом. Но что будет, если мы на этом не остановимся и добавим ещё один полупроводник? Ура! Мы соорудили транзистор, а точнее – биполярный транзистор (но о том, какие они вообще бывают, поговорим позднее):

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Обратите внимание, что, в зависимости от порядка чередования слоёв полупроводников, мы можем соорудить 2 типа транзисторов – PNP и NPN. Принцип работы у того и другого типа примерно одинаковый, разные только носители заряда и способ управления, поэтому пока просто запомните эту информацию, а к разнице между ними я вернусь чуть позже.



Рассмотрим транзистор первого типа NPN. Носителем заряда в нём являются электроны, поэтому на рисунке ниже, дырки не показаны (но помните, что они там есть!). Принципиально, он напоминает «бутерброд», сооружённый из двух диодов, и обладает, соответственно, двумя переходами NP и PN, поэтому, в каком бы направлении мы не пропускали ток, один из двух переходов всегда будет де-факто диодом с обратным подключением, и ток через цепь такое устройство не пропустит.



Однако, если подвести к внутреннему слою дополнительный положительный заряд, например, подключив дополнительный источник питания, как на рисунке с напряжением, достаточным для преодоления инверсного слоя, мы получим такую картину:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Что здесь происходит? Посмотрите на область, обведённую красным пунктиром. По сути, мы видим иллюстрацию из предыдущей части – диод с прямым подключением. Отрицательно заряженный терминал (слева) выпустит большое количество электронов, которые будут толкать другие электроны дальше. Перескакивая от дырки к дырке, часть электронов устремится к месту подключения положительного полюса батареи (кстати, этот вывод транзистора называется База), и дальше. Этот путь показан тонкой пунктирной стрелкой синего цвета.



Отрицательно-заряженный терминал вводит в N-область всё больше и больше электронов (тот терминал, из которого производится выпуск носителей заряда (в нашем случае – электронов) называется Эмиттер, от англ. to emit – выпускать, испускать), и большая их часть продолжает свой путь дальше. Они притягиваются положительным зарядом нижней батареи – к положительно-заряженному терминалу, который в нашем случае называется Коллектор (от англ. to collect – собирать). Их путь показан жирной пунктирной стрелкой синего цвета.


Во избежание путаницы здесь и далее напомню, что под током мы подразумеваем не движение по цепи отрицательных электронов, а движение положительных зарядов. Почему?


Спасибо за это надо сказать Бенджамину Франклину (да, да, тому самому). Именно он ввёл общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «−». Про электрон тогда не знали, фактически, было абсолютно всё равно, какой именно тип зарядов называть положительным, а какой – отрицательным. Но с него повелось, что ток в цепи течёт от положительного полюса источника питания к отрицательному, хотя электроны движутся в противоположном направлении. Поэтому, хотя носителем заряда в NPN транзисторе являются электроны, считается, что электрический ток идёт в противоположном направлении.
Поскольку количество носителей заряда (электронов), проходящих от эмиттера к коллектору намного больше, чем на пути от эмиттера к базе, мы, имея слабый ток на базе, получили его усиление на коллекторе.



Разумеется, если мы будем динамически менять напряжение на базе, ток на коллекторе будет изменяться синхронно, на чём и основан базовый принцип усиления сигнала. Как видите, аналогия с шлюзом, малое изменения давления в котором позволяло регулировать давление основного потока в большем диапазоне, очень удачна. Если сравнивать с триодной лампой, то легко увидеть аналогию – здесь эмиттер выполняет роль катода, коллектор – анода, а база играет роль управляющей решётки.



Самое время понять, в чём разница между транзисторами PNP и NPN типа.



В транзисторе NPN положительное напряжение подаётся на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подаётся на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течёт от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.



Ниже три простых правила, которые нужно запомнить про разные типы биполярных транзисторов:



1) PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN – положительной.
2) PNP пропускают ток от эмиттера к коллектору, NPN – наоборот.
3) В NPN транзисторах основные носители заряда – электроны, а в PNP – дырки, которые менее мобильны (мобильность - скорость переноса мощности), соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

Полевые (FET) транзисторы
Другим типом транзисторов, являются полевые транзисторы (FET – Field Effect Transistors). По сути своей, они выполняют ту же функцию, что и биполярные, однако их принцип действия несколько иной. Есть множество разновидностей современных полевых транзисторов, и на то, чтобы описывать их все не хватит ни времени, ни места в посте, поэтому я остановлюсь на том типе, который используются в современных микропроцессорах. По-русски они называются полевые МОП-транзисторы (Металл-Оксид-Полупроводник), но более часто встречается английская аббревиатура MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).Как следует из названия, управление током в полевом транзисторе происходит не при помощи регулирующего напряжения, а при помощи электрического поля.И так, возьмём подложку из слабо-легированного полупроводника P-типа и внедрим на неё две полоски высоколегированного полупроводника N-типа (напомню – в полупроводника N-типа примеси создают избыток свободных электронов, а в P-типе – их дефицит):

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Тут стоит сказать, что даже в P-области, где преобладают дырки, нет-нет, да и встречаются свободные электроны, способные проводить ток, которые мы будем называть неосновными носителями заряда (англ. minority carriers). Чуть позже я объясню, почему это важно.
Как мы уже знаем, на границе P-N переходов свободные электроны из N-областей рекомбинируют с дырками в P области и формируют своебразный барьер, где нет ни дырок, ни свободных электронов, так называемый инверсный слой (англ. depletion region).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Если сейчас подать на наш недотранзистор напряжение, то электроны из N областей станут дрейфовать в сторону положительно-заряженного терминала, а дырки – наоборот, сдвинутся подальше от него, инверсный слой ещё больше увеличится, и это означает, что ток через такое устройство проходить не будет.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Так как же нам заставить ток проходить через наше устройство? Для начала, давайте разберёмся (или вспомним), как работает конденсатор. В простейшем виде, конденсатор – это две проводящие пластины, с проложенным между ними диэлектриком (изолятором).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Если подключить его к источнику постоянного тока, то положительный полюс батареи начнёт притягивать свободные электроны, находящиеся в подсоединённом электроде, и эти электроны в конечном счёте начнут скапливаться на электроде по ту сторону изолятора. Накопленные таким образом заряды создадут между электродами электрическое поле.



Давайте теперь возьмём одну пластину этого конденсатора а, вместо второй воспользуемся подложкой нашего недотранзистора. Электроны с металлической платы начнут мигрировать в сторону полупроводниковой подложки, а сама пластина начнёт приобретать положительный заряд, вследствие чего между верхним и нижним контактом сформируется электрическое поле (так же, как это происходит в конденсаторе). Помните, я просил запомнить, что даже в P-области присутствуют свободные электроны (неосновные носители заряда) – так вот, здесь они нам и пригодились. Эти электроны будут притягиваться к верхнему положительно заряженному электроду. Область непосредственно под положительно-заряженном электродом будет, как следствие переполнена электронами:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Непосредственно под областью насыщения электронами сформируется новый инверсный слой, состоящий из рекомбинированных электронов и дырок. Эта конфигурация «ломает» инверсный слой между P-областями и позволяет, наконец, току проходить через эту область.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Ура! Мы собрали свой MOSFET транзистор. Левый электрод на рисунке называется исток (англ. source), электрод конденсатора в центре – затвор (англ. gate), а правый, соответственно, сток (англ. drain). Названия отражают роль данных контактов в движении электронов через транзистор. Располагая уже имеющимися в нашем распоряжении знаниями, легко понять, что, регулируя ток на цепи от затвора к базе, мы так же будем регулировать прохождение электронов от истока к стоку.



Казалось бы, зачем нам нужны такие сложности, если у нас уже были биполярные транзисторы?
Наверное, самым важным преимуществом полевых транзисторов является то, что они требуют гораздо меньшей энергии для поддержания режима проводимости, и, соответственно, меньше греются. А когда у вас на интегральной схеме расположено компактно несколько миллиардов таких штук, проблемы отвода тепла и снижения энергопотребления становятся весьма важны.

Из этого факта следует ещё одно дополнительное преимущество – полевые транзисторы гораздо больше помехоустойчивы, поскольку ток через затвор транзистора практически не проходит, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

Ещё полевые транзисторы способны обеспечивать гораздо большее усиление по току и способны переключаться между состояниями проводимости и непроводимости гораздо быстрее, соответственно, они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
Но, помимо преимуществ, есть у полевых транзисторов и недостатки. В частности, структура полевого транзистора начнёт разрушаться уже при 150°C, в то время как биполярные выдерживают до 200°C. Кроме того, низкое энергопотребление полевых транзисторов на высоких частотах (примерно начиная с 1,5 ГГц) потребление энергии у них начинает возрастать по экспоненте. Это, кстати, является одной из основных причин замедления роста скорости микропроцессоров, а производители перешли к стратегии многоядерных процессоров.
***

Самым сложным при подготовке этого поста было решить, что важно, о чём стоит написать, а что можно пропустить. Тема настолько обширна, что заранее прошу меня простить за то, что кое-что я либо осознанно, либо случайно оставил за скобками.
Зато теперь я понимаю, что не закончил, и придётся «пилить» продолжение. Как минимум, хочется рассказать о современных технологиях изготовления микропроцессоров и о том, как законы квантовой механики становятся на пути производителей, а так же о том, как же, всё-таки, люди научили компьютеры считать при помощи транзисторов.
Но на сегодня, спасибо за внимание, у меня пока всё.

Показать полностью 14

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды

Если попытаться создать рейтинг изобретений 20 века, которые оказали наибольшее влияние на нашу жизнь, полупроводники и полупроводниковые приборы окажутся, если не на первом месте, то в десятке – непременно.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

В основе технологий полупроводниковой электроники, как очевидно из названия, лежат полупроводники. В недавней беседе с одним своим знакомым, я был несколько удивлён, когда узнал, что, хотя он и был осведомлён, в принципе, что делают и для чего нужны такие устройства, как диод и транзистор, он понятия не имел, как они устроены, и почему они так работают. Мысленно я поблагодарил его за то, что нашёл тему для своего следующего поста.
И так, давайте рассмотрим первый столп современной электроники – диод.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Для начала упомяну тот факт, который знают, если не всё, то многие – основное свойство диода – пропускать электрический ток только в одном направлении. Но чтобы понять, почему так происходит, сперва давайте более пристально посмотрим на химический элемент с номером 14 – кремний. Кремний весьма распространён в природе, он содержится, в частности, в обычном песке или в кварце. Если посмотреть на то, где «прописан» кремний в периодической таблице, то, вспомнив школьный курс химии, можно определить, что у таких элементов как углерод, кремний или германий есть достаточно редкое свойство – у всех них по 4 электрона на внешней орбитали (подробнее об орбиталях и внутреннем устройстве атома можно почитать в посте "Правила общежития электронов внутри атома").

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Это свойство позволяет им формировать идеальные ковалентные связи с соседними атомами, создавая, тем самым, правильную кристаллическую решётку. В случае с углеродом, в зависимости от конфигурации атомов, мы можем получить либо графит, либо алмаз. В случае же с кремнием, его кристаллическая форма выглядит как серебристое вещество с металлическим блеском:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Лирическое отступление: многие, наверное, слышали или встречали название Silicon Valley, которую безмозглые переводчики иногда переводят как «Силиконовая долина». Так вот, этимологически-правильный перевод: «Кремниевая долина». Силиконы – это общее название химических соединений кремния, ещё называемые полиорганосилоксаны. В частности, из них делают смазки, герметики, ну и самое замечательное – имплантаты для увеличения груди. Не уподобляйтесь пожалуйста безграмотным, не путайте силиконы и кремний!

Хотя кристаллы кремния и выглядят металлическими, металлом кремний не являются. Как я уже сказал, все четыре его электрона «заняты» в ковалентных связях с соседями, а основным требованием для тог, чтобы вещество проводило электрический ток, является наличие свободных электронов на внешней оболочке (как у металлов). Чистый кремний ведёт себя практически как изолятор.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Так что же сделать, чтобы кремний стал проводить ток? Для этого используется процесс, который называется «легирование» (doping). По факту, легирование – это внесение «загрязнений» (посторонних атомов) в кристаллическую решётку.
Ведь, что, по сути, надо сделать? Либо добавить свободных электронов, чтобы они смогли переносить отрицательный заряд, и тогда мы получим полупроводник N-типа (от Negative – отрицательный), либо уберём часть электронов так, чтобы получился полупроводник P-типа (от Positive – положительный).
Для легирования кремния с целью получить полупроводник N-типа используют небольшое добавление фосфора или мышьяка. Эти атомы имеют по 5 электронов на внешней оболочке, и, когда такие атомы внедряются в кристалл кремния, один электрон не формирует связи и остаётся свободным.
Для полупроводников P-типа используют, наоборот, атомы бора или галлия. У них по три внешних электрона, и, когда они внедряются в кристаллическую решётку, остаются «дырки», где у соседнего атома кремния остаётся электрон, который не может сформировать ковалентную связь. Отсутствие электрона создаёт эффект положительного заряда. Этот электрон может перескакивать от дырки к дырке, таким образом, тоже проводя электрический ток.
Хотя легирование и позволяет нашему кристаллу проводить электрический ток, но хорошим проводником его не делает, отсюда и название – полупроводник.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Ад перфекциониста – людям с ОКР теперь требуется соблюдать осторожность при обращении с полупроводниковыми приборами!

Сами по себе, ни полупроводники N-типа, ни полупроводники P-типа не замечены в чём-либо замечательном. «Волшебство» начинается, когда мы соединяем их вместе. На месте соединения свободные электроны полупроводника N-типа начинают занимать места «дырок» в полупроводнике P-типа, и приграничная область в полупроводнике P-типа становится от этого слегка отрицательно заряженной, а в N-полупроводнике эта область станет слегка положительно заряженной. На границе образуется так называемый «Инверсный слой» (англ. depletion region), в котором отсутствуют как свободные электроны, так и «дырки»:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Образовавшееся в этом слое электрическое поле создаст потенциальный барьер, который воспрепятствует какой-либо дальнейшей естественной миграции электронов в ту или другую сторону. Величина потенциала колеблется от 0,3 В при 25°C для германиевых P-N соединений, и примерно 0,7 В (при 25°C) для кремниевых.
Давайте посмотрим, что будет происходить, когда мы пропустим электрический ток по нашему P-N соединению.
Если подключить положительный полюс батареи к N-области, а отрицательный – к P области, то электроны и «дырки» будут притягиваться к местам подключения электродов, и толщина инверсного слоя увеличится, что прохождение тока через эту пару полупроводников будет невозможным. Подобное подключение называют подключением с Обратным (запорным) смещением (англ. Reverse bias).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Если же мы теперь перевернём батарею и подключим положительный полюс к P-области, а отрицательный – к N области, то электроны в N-области начнут отталкиваться от отрицательного заряда батареи устремятся в сторону положительного полюса, перескакивая из дырки в дырку, и, если поданное напряжение будет превышать потенциальный барьер (для кремниевого полупроводника он составляет ≈0,7 Вольт), то по цепи пойдёт электрический ток.Такой тип подключения называют подключением с «прямым смещение» (англ. forward bias).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

По описанному принципу работает простейшее полупроводниковое устройство под названием диод. Этимология слова происходит от двух греческих корней ди- (от δί), что означает «два» или «двойной» и –од (от ὁδός), что означает «путь», «тропа».
В электрических схемах, диоды обозначаются следующим символом, сами же диоды промаркированы полоской со стороны катода:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Диод в электронике играет роль своего рода клапана, который позволяет проходить току только в одну сторону. Но не стоит обольщаться. Диод, как и любое другое устройство можно испортить. Если подключить по схеме обратного смещения слишком большое напряжение, то диод выйдет из строя и, таки, пропустит через себя ток. К счастью, подобное напряжение в случае нормальной работы электронной схемы возникнуть не должно. Для полупроводников с малой долей примесей величина напряжения пробоя больше, чем для полупроводников с высокой концентрацией легирующих элементов:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Свойства диодов проводить ток только в одном направлении нашли самое широкое применение. Наверное, наиболее востребованной и известной стала роль диодов в так называемых «выпрямителях» – устройствах, позволяющих преобразовать переменный ток в постоянный. Кроме этого, диоды применяются в радиоприёмных устройствах (см. диодные детекторы), диоды защищают электронные устройства от неправильной полярности включения, защищают от перегрузок. Диодные переключатели применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Диоды используются в барьерах искрозащиты, и ещё в огромном количестве устройств, названия которых могут ничего вам и не сказать, однако, без них, почти ни один ваш электронный гаджет не смог бы работать.
Есть, однако, одна разновидность диодов, на которой стоит остановиться поподробнее, так как они настолько тесно интегрированы в нашу повседневную жизнь, что современная цивилизация без них попросту немыслима.
Речь идёт о светодиодах (англ. Light Emitting Diode – LED).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

По сути, эти устройства являются теми же самыми диодами, то есть в них присутствует P-N переход, а свечение вызвано интересным «побочным» эффектом, который наблюдается при встрече свободного электрона и «дырки».
В одном из моих предыдущих постов (Как выглядит атом) я описал подробно механизм испускания фотонов электронами, так что останавливаться подробно не буду, скажу лишь, что электроны могут испускать фотоны света определённой частоты при переходе с более высокого уровня на более низкий. То же происходит и здесь – электрон, нормально имеющие большую энергию, чем позволяет место в «дырке», отдаёт излишек в виде фотона определённой частоты. Этот процесс происходит в любом диоде и называется «рекомбинация». Однако, видеть эти фотоны мы можем только, если диод состоит из определённых материалов. Например, разница в энергетических уровнях электронов и «дырок» в стандартном кремниевом диоде настолько мала, что частота испускаемого фотона не попадает в видимый человеческому глазу спектр излучения – по большей части, «светиться» подобный диод будет в инфракрасном диапазоне.
Собственно, это не всегда плохо. Например, инфракрасные светодиоды широко используются в пультах дистанционного управления к разнообразной бытовой технике.
Если мы хотим получить от диода видимый свет, нам нужна большая разница между энергией электрона и энергией «дырки». Эта разница определяет частоту испускания фотонов, и, соответственно, цвет, с которым будет светиться светодиод. Не все полупроводниковые материалы эффективны для данных целей. Наиболее распространёнными комбинациями полупроводников для данной цели являются арсенид галлия (GaAs), фосфит индия (InP), селенид цинка ZnSe или теллурид кадмия (CdTe).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост


Как жили до полупроводников?

Наверное, стоит ещё сказать пару слов о том, как мы жили до эры полупроводников, и какими раньше были диоды. А диоды раньше были тёплыми и ламповыми.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Работа электронных ламп основана на использовании термоэлектронной эмиссии, которая состоит в том, что накалённый до высокой температуры проводник выделяет в окружающее пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвободные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивается. При высокой температуре они движутся так быстро, что некоторые из них вылетают за пределы проводника.
Катод служит для эмиссии электронов. Количество электронов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током эмиссии или просто эмиссией
При малых температурах эмиссии практически нет, а при увеличении температуры она растёт все быстрее и быстрее, достигая значительной величины при температурах порядка сотен градусов и выше. Чрезмерно повышать температуру нельзя, так как в конце концов нить перекалится и расплавится, что обычно не совсем правильно называют перегоранием.
Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия. При увеличении поверхности катода эмиссия также становится больше. На величину эмиссии большое влияние оказывает материал катода.
Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, выделяемые катодом, и создавать в лампе поток свободных электронов.
Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть заряжен положительно. Притяжение электронов к аноду объясняется тем, что между анодом и катодом образуется электрическое поле. Электроны, вылетевшие из катода, под действием этого поля движутся к аноду.
Баллон служит для того, чтобы внутри лампы можно было создать вакуум, т.е. пространство, из которого удалён почти весь воздух. Для свободного движения электронов к аноду вакуум должен быть очень высоким. Наличие воздуха в лампе недопустимо и потому, что накалённый катод сгорит, т.е. вступит в химическое соединение с кислородом.
Из того, что мы уже знаем, мы можем предсказать, что ток не будет проходить через лампу, если изменится его направление, так как анод в этом случае не будет заряжен положительно, и не сможет притягивать электроны.
На этом первая часть поста заканчивается, а следующая часть будет посвящена не менее великому полупроводниковому устройству – его величеству транзистору.

Показать полностью 14

Что именно изображено на фотке чёрной дыры?

10 апреля 2019 года учёные порадовали нас впервые полученным изображением чёрной дыры в центе галактики М87 при помощи телескопа горизонта событий. Думаю, все уже видели, но вот эта боянистая фотка, на всякий случай:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Я встречал много разных интерпретаций данного изображения, зачастую, упрощённых. В этом посте я хочу развеять несколько заблуждений относительно этого изображения, которые я встречал, а так же проанализировать, что в действительности мы увидели.


Я не буду долго вдаваться в особенности устройства чёрных дыр, тем более, что материалов по ним много, да и я уже касался теории в этом посте. Коснусь лишь самого главного.


Диск аккреции (Аккреционный диск) — диск, который формируется из материи вблизи космического объекта, обладающего большим гравитационным потенциалом. Ну посудите сами — практически нет двух объектов в космосе, которые имели бы абсолютно параллельные векторы скоростей, соответственно, "падать" строго по направлению к чёрной дыре (радиально) невозможно... вернее, очень маловероятно, что получится. Обычно траектория падения происходит под некоторым углом, по искривлённой спиралевидной траектории. Частички материи по мере приближения к чёрной дыре всё больше ускоряются, и всё чаще соударяются с соседями, отчего ещё больше разогреваются, отчего начинают светиться (и не только в видимом диапазоне). Подробнее о природе данного свечения можно почитать в моём посте "Как выглядит атом".


Ну, собственно, словами "вот аккреционный диск" учёные и сфотографировали, обычно заканчивают повествование. Но мы только начинаем.


Горизонт событий — сфера вокруг центра чёрной дыры радиусом, называемом радиусом Шварцшильда (RS), внутри которой не существует мировых линий, направленных вовне, то есть всё, что находится внутри этого радиуса, никак не может повлиять на то, что находится вовне (электромагнитные волны и информация никогда не смогут покинуть эту сферу).


Но, как и вокруг любого небесного тела, вокруг чёрной дыры существуют стабильные орбиты, то есть, если у какого-то тела скорость достаточна, чтобы обращаться по данной орбите, данное тело не упадёт на чёрную дыру.


Разумеется, самой низкой орбитой, на которой можно существовать, не падая в чёрную дыру, является орбита, на которой орбитальная скорость равна скорости света.

Очень часто приходилось слышать, что вот эта тёмная область в центре — это и есть "тень" горизонта событий, хотя это не совсем так. Эта область несколько больше горизонта событий. Дело в том, что ядра атомов, образующих аккреционный диск, имеют массу, и не могут развить скорость света, соответственно, для них существует предельная орбитальная скорость. Иными словами, существует наиболее низкая устойчивая круговая орбита (англ. innermost stable circular orbit или ICSO).


Если бы чёрная дыра не вращалась, то такая орбита составляла бы 3 радиуса Шварцшильда (3RS), однако, почти все чёрные дыры вращаются, и высота ISCO обычно ниже 3Rs, и зависит от скорости вращения и направления орбиты.


Любое массивное тело, опустившееся ниже данной орбиты, неизбежно упадёт в чёрную дыру.


Соответственно, тёмная область, которую мы видим на фото - это не тень чёрной дыры, а область, ограниченная ISCO.


Фотоны, тем не менее, не имеют массы, поэтому вокруг чёрной дыры ещё ближе к горизонту событий, чем ISCO, существует ещё и так называемая "фотонная сфера" (ссылка на англ.). Для невращающейся чёрной дыры, её радиус составляет всего 1,5 RS. Фотоны света на поверхности данной сферы будут вынуждены вечно вращаться по круговой орбите вокруг чёрной дыры, и, если бы было возможно провести там наблюдение, то, глядя вперёд, можно было бы увидеть свой затылок, так как фотон света, отразившись от нашего затылка, описал бы полный круг вокруг чёрной дыры и вернулся бы в наш глаз. По этой причине, мы практически не видим свет внутри ISCO.


Тем не мене, существуют траектории, позволяющие фотону посетить зону ниже ISCO, но, тем не менее, ускользнуть от притяжения чёрной дыры. Такая траектория показана на рисунке:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

На ней видно, что фотон может подлететь к чёрной дыре, сделать виток вокруг неё, и улететь прочь. Именно этим объясняется тот феномен, что, с какой бы стороны мы не посмотрели на чёрную дыру, мы всегда увидим аккреционный диск, будто бы мы смотрим на него "сверху".


Для сравнения, возьмём планету Сатурн, с его хорошо видимыми кольцами. В зависимости от взаимной ориентации наблюдателя и колец, мы можем видеть их под разными углами:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Так что же, учёным просто повезло пронаблюдать акреционный диск, расположенный под "нужным" углом? Разумеется, нет! Дело в том, что под воздействием огромной гравитации чёрной дыры, пространство-время искривляется таким образом, что по "кромке" чёрного контура мы видим не только "вид спереди", но и то, что происходит позади чёрной дыры. Более наглядно это можно представить по этой картинке. Здесь мы видим аккреционный диск, расположенный практически "ребром" к наблюдателю. Тем не менее, область диска, которая должна скрываться "позади" чёрной дыры, так же видна наблюдателю из-за того, что фотоны света описывают полный круг вокруг наблюдаемой чёрной дыры.

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Для большей наглядности, вот ещё она картинка:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

В теории, если бы мы обладали очень большими и мощными телескопами, мы могли бы смотреть на чёрные дыры и заглядывать, таким образом, в собственное прошлое.

Показать полностью 4

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи

Сегодня в честь 1 апреля я хочу подробнее рассмотреть элегантное оружие из более цивилизованной эпохи – световой меч Джедая.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Мы все видели его в действии, однако, если смотреть внимательно, то можно заметить некоторые неточности, которые позволили себе режиссёры, описывая это замечательное оружие.


Начнём с мощности. Наиболее наглядно мощность данного оружия показана в I эпизоде, когда Квай-Гон Джин плавит мечом дверь:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

В этой сцене примерно за 1 секунду меч расплавляет объём металла, по крайней мере, соответствующего объёму самого меча. Предположим, меч имеет длину 1 м и диаметр 3 см, а плотность, температура плавления и удельная теплоёмкость двери – как у стали (плотностью 7800 кг/куб. м). Иными словами, масса стали 5,513 кг с удельной теплоёмкостью 462 Дж/кг*К, была нагрета на 1507 градусов (1800 К – температура плавления, 293 К – комнатная температура).

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Таким образом, имеем мощность светового меча КАК МИНИМУМ в 3,8 МВт!


Если брать выделение электрических мощностей по 15 КВт на домохозяйство, то при помощи одного меча Квай-Гон Джина можно было бы снабжать электроэнергией небольшой посёлок.


Как известно, световой меч в руках мастера-Джедая может останавливать и даже отражать назад выстрелы из бластеров, однако, давайте посмотрим, сможет ли такой меч остановить обычную свинцовую пулю? Чтобы понять это, давайте посмотрим, хватит ли мощности в 3,8 МВт чтобы полностью расплавить и испарить 9 грамм свинца, летящих со скоростью 400 м/с?


Такая пуля преодолевает расстояние, равное диаметру меча (3 см) за 0,000075 секунды. За это время меч передаст пуле энергию равную 0,000075 * 3800000 = 285 Дж. Теплоёмкость свинца 130 Дж/кг * К. Для массы в 9 г нагрев составит 333 градуса. Этого едва достаточно, чтобы её расплавить (температура плавления свинца 327 градусов), однако, хорошего по-прежнему мало – вместо твёрдой пули, в мастера-Джедая влетит капля расплавленного свинца со скоростью 400 м/с. По останавливающему действию, эффект будет, пусть не смертельным, но достаточным для нанесения глубоких ожогов. После попадания такой капли, думается, вторую пулю он отбить уже не сможет. Впрочем, начинающему охотнику на Джедаев рекомендуется иметь пули со стальным или урановым сердечником. Как показали наши исследования, против таких пуль световой меч абсолютно неэффективен.


Теперь о безопасности.


Даже если мы отбросим тот факт, что согласно закону Стефана – Больцмана, световой меч должен излучать столько тепла, что при такой мощности он должен был бы немедленно воспламенить всё, что его окружает, списав это на какое-либо универсальное отражающее поле, сама плотность энергии, заключённая в рукояти светового меча, не может не поражать воображение.


Мы часто видели, как мечи ломаются, разрубаются пополам, как их роняют или разрушают иными способами:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Науке неизвестно, как в подобном объёме можно запасти такое количество энергии, и при этом, чтобы вся запасённая не высвобождалась бы при разрушении контейнера. Разрушение меча в любой момент времени должно было бы сопровождаться мощнейшим взрывом, сопоставимым с ядерным по мощности (помните, в рабочем режиме эта штука выдаёт минимум 3,8 МДж энергии в секунду). Представьте, насколько более эпичными были бы сцены боёв джедаев, если бы в при разрубании меча одного из противников, происходил бы ядерный взрыв!


Хочу коснуться также и вопроса элегантности.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Думаю, Оби-Ван покривил душой, когда говорил об этом оружии, как об элегантном. В действительности, если сравнить с обычным мечом, который рубит благодаря приложению большого давления на малую площадь, тем самым, раздвигая разрубаемый материал, световой меч попросту нагревает. Строго говоря, когда мы видим сцену, в которой кого-то протыкают световым мечом, мы должны понимать, что материал попросту испаряется (в физике, процесс перехода из твёрдого состояние в газообразное, минуя жидкую фазу, называется сублимация).


Все мы помним, что при переходе в газообразную фазу объём вещества увеличивается. Вода, например, при переходе из жидкой фазы в пар увеличивается в объёме почти в 1500 раз. Когда испарение происходит относительно медленно, с этим ещё можно справиться, однако, если всё это происходит мгновенно, это больше похоже на взрыв бомбы. Вот посмотрите, что происходит, когда одна особо-одарённая личность бросает бутылку с водой в расплавленную сталь:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

То же самое произойдёт, если вы разрубите такую же бутылку световым мечом. То же самое, или что-то очень похожее произойдёт и с телом человека, так как оно на 60 – 70% состоит из воды.


Давайте представим, что острие светового меча приближается к жертве. Уже на некотором расстоянии от него, одежда нашего врага вспыхивает из-за тепла, которое излучает наш меч. (Сам Джедай, видимо, контролирует тепло, излучаемое мечом при помощи Силы, поэтому остаётся невредим), кожа врага так же обугливается. Само тело нашей жертвы начинает светиться оранжевым цветом из-за нагрева, но это ненадолго. В момент, когда меч протыкает тело врага, его лезвие оказывается окружено плотью, и испаряет около килограмма жидкости, находящейся в этом теле за 1 секунду. Образовавшемуся пару некуда деться, кроме как выходить из открытой раны со скоростью звука, причём всё это происходит примерно за несколько сотых секунды. Мы наблюдаем паровой взрыв, очень похожий на то, что мы видели на гифке чуть раньше. Этот взрыв разрывает тело нашей жертвы на части и обдаёт нас взрывной волной из перегретого пара.


В этом отношении много вопросов вызывает смерть Хана Соло, который пробыл в контакте со световым мечом дольше всего – порядка 10 секунд. Этого времени было достаточно, чтобы испарить половину массы его тела.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Словом, элегантным данное оружие назвать никак нельзя, а мы делаем вывод, что Оби Ван несколько приукрашивал действительность.


(подготовлено по материалам youtube-канала Because science)

Оригинальное видео.

Показать полностью 7

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы

Все из нас, наверное, знакомы с явлением преломления света (рефракции), когда при переходе из одной оптической среды в другую (например, при переходе из воздуха в воду), лучи видимого света изменяют своё направление. Многие даже знакомы с понятием коэффициента преломления – характеристики оптической среды, величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде. Однако, задумывались ли вы, какими свойствами будет обладать материал, если коэффициент его преломления будет отрицательным?

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Материалы, проявляющие подобные свойства называются метаматериалы.


Приставка «мета-» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.


Одним из основных свойств метаматериалов является их возможность на макро-уровне манипулировать световыми или звуковыми волнами, либо изменять свои электромагнитные свойства.


Существует много теоретических сфер применения высокотехнологичных материалов.

Мы не будем касаться такой фантастической экзотики как компьютроний, нейтроний, странная или кварковая материя, а коснёмся лишь «обычных» метаматериалов, способных изменять свои акустические или электромагнитные свойства, ведь человечество уже начало использовать некоторые из них, а в принципе, подобные метаматериалы способны изменить нашу жизнь кардинальным образом.


Чтобы дальше не вдаваться в тонкости физики, нас интересуют в первую очередь такие свойства как магнитная и диэлектрическая проницаемость.


Магнитная проницаемость – характеристика материала, показывающая способность материала к формированию внутри себя магнитного поля, иными словами – степень магнетизации материала под воздействием внешнего магнитного поля.


Диэлектрическая проницаемость отвечает за скорость изменения электрического заряда при формировании электрического поля (при изменении электрического потенциала).


Данные свойства так же влияют на коэффициент преломления (рефракции) материала, и в целом, определяют характер их взаимодействия с электромагнитными полями.


Природные материалы имеют положительные по величине значения диэлектрической или магнитной проницаемости, в метаматериалах данные значения могут быть и отрицательными (к способам изготовления вернёмся позднее). В равной степени метаматериал может обладать и отрицательным коэффициентом преломления (причём, мы говорим не только о видимом свете, но так же и об инфракрасном, микроволновом и радио-диапазонах).

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Чтобы представить себе отрицательный коэффициент преломления, сначала представьте зеркало, отражающее свет из верхнего левого угла в нижний левый. Теперь, если мы заменим зеркало на расположенную горизонтально пластину метаматериала, мы получим тот же самый эффект.


Электродинамика сред, проявляющих отрицательный коэффициент преломления, была впервые изучена советским теоретиком Виктором Веселаго в 1967 году. Он предсказал многие свойства метаматериалов, которые появились лишь тремя десятилетиями позже.


Как они изготавливаются? Принцип создания подобного материала основывается на конструировании геометрически-упорядоченных «ячеек» из материалов с отрицательной магнитной или диэлектрической проницаемостью. Каждый индивидуальный элемент подобного материала не проявляет никаких особых свойств, однако, в целом, набор подобных ячеек начинает проявлять свойства метаматериала. Подобная ячейка должна быть меньше длины волны видимого спектра, и мы только сейчас начинаем подступаться к нанотехнологиям, способным конструировать объекты с подобной точностью. Неудивительно, что изначально такие метаматериалы были найдены для радиоволн и микроволнового диапазона, имеющего существенно большую длину волны в сравнении с длиной волны видимого спектра, однако уже в 2007 году были найдены метаматериалы, работающие и в оптическом диапазоне:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2007-01/dl-mft010407.php


Как уже было сказано, большинство природных материалов имеют положительную магнитную и диэлектрическую проницаемость, но есть и исключения. Ферриты, например, обладают магнитными свойствами ферромагнитного металла, и электрическими свойствами диэлектрика. Если скомбинировать крохотные ферритовые кольца с крохотными металлическими стержнями, мы можем добиться проявления свойств метаматериала.

https://cyberleninka.ru/article/v/printsipy-postroeniya-kompozitnoy-sredy-s-otritsatelnoy-magnitnoy-pronitsaemostyu


Чтобы понять, как это происходит, нужно понимать, что электромагнитная волна, проходящая сквозь металл, возбуждает электроны в атомах. Электрон выходит из своего стационарного положения. При смещении электрона возникает разность потенциалов между электроном и ионом, которые оказались разнесены. Разность потенциалов вызывает электрическое поле, которое стремится вернуть электрон в исходное состояние. В этом движении он приобретает инерцию и по инерции проходит своё стационарное состояние, оказываясь в противоположной стороне. Поле снова воздействует на него, но оно противоположного направления. Возникает колебательный процесс, при достаточно высокой частоте которого, металл приобретёт свойства диэлектрика, а электромагнитная волна проходит сквозь него, словно сквозь вакуум.

Крохотные стержни такого металла обеспечат нам отрицательную магнитную, а малые ферритовые кольца – отрицательную диэлектрическую проницаемость для той частоты электромагнитного излучения, которая нам нужна.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

https://www.iflscience.com/technology/beyond-invisibility-engineering-light-metamaterials/


Каждый из этих материалов по отдельности не сможет обеспечить нам отрицательный коэффициент преломления, но если их скомбинировать, получится «ячейка» метаматериала.


У нас теперь есть метаматериал, давайте посмотрим, что мы можем с ним сделать?


Представим, что нам необходимо сконцентрировать радиоволны на приёмнике. С метаматериалом, мы можем создать крохотную антенну, которая будет справляться с задачей не хуже, и даже лучше стандартной громоздкой конструкции. Более того, наша антенна может быть абсолютно плоской.


По сути, мы создали идеальную линзу, которая может фокусировать излучение, но может быть при этом абсолютно плоской и тонкой.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Чем большей миниатюризации мы добьёмся при изготовлении такой линзы, тем меньше длина волны, которую она сможет фокусировать.


Более того, мы можем тонко подстраивать нашу линзу лишь на интересующий нас диапазон частот (например, диапазон Wi-Fi 2,4 ГГц с длиной волны 12,5 см), а всё остальное – рассеивать. С такой линзой отношение сигнал/шум улучшается на порядки.


Ещё одним свойством метаматериала является возможность компенсировать эффект Доплера (https://arstechnica.com/science/2011/03/inverse-doppler-effect/), что сильно облегчит связь с космическими аппаратами, сигнал от которых приходит либо с красным, либо с синим смещением, в зависимости от направления движения. Например, немало головной боли доставила инженерам НАСА посадка зонда «Гюйгенс» на Титан (один из спутников Сатурна), когда огромная скорость его материнского корабля «Кассини» и торможение зонда об атмосферу Титана привело к сильному проявлению эффекта Доплера на канале связи между ними (http://www.thespacereview.com/article/306/1).

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

С метаматериалом мы можем заставить приёмник принимать сигнал с нужной нам частотой без эффекта Доплера.


Отрицательный коэффициент рефракции метаматериала подводит нас к ещё одному интересному направлению – военному. Возьмём современного солдата, который носит камуфляж, маскирующий его на местности в видимом диапазоне, однако, он ничего не может сделать с теплом собственного тела, которое его абсолютно демаскирует при наличии тепловизора.


В боевой обстановке, его подразделение не всегда осведомлено о том, где находятся «соседи», поэтому в военных конфликтах нередки случаи «стрельбы по своим». Электронное оборудование в его подразделении питается от тяжёлых батарей, которые он подзаряжает солнечными панелями. Для обеспечения спутниковой связи, нему необходимо направлять антенну в определённую точку на небе практически «на глаз». Возможности батарей не безграничны, а необходимость в шифровке и дешифровке сигнала дополнительно увеличивают расход энергии.


В военном деле широко используется разнообразная оптика и приборы ночного видения, а возможность приближения прямо зависит от размера линзы – чем лучшее разрешение требуется получить, тем большая линза вам нужна.


Теперь посмотрим, как может измениться жизнь этого солдата при помощи метаматериалов. Его камуфляж теперь делает его практически невидимым как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне, так как способен перенаправлять электромагнитные волны в требуемом направлении, при этом режим «стелс» не требует энергии. Разумеется, это не полноценный «плащ-невидимка» из Гарри Поттера, но заметность подобного камуфляжа намного меньше, чем у обычной ткани. Настолько меньше, что обнаружить подобного солдата будет проще по звукам, которые он издаёт либо при помощи эхолокации.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Транспондеры из метаматериала позволяют обеспечить надёжное опознавание «свой-чужой». Солнечные панели для подзарядки оборудования теперь имеют значительно меньшую массу и габариты. Получение сигнала со спутника теперь не потребует точного «прицеливания» антенны. Его оптика теперь позволяет добиться гораздо лучшего разрешения на большем расстоянии, его оборудование надёжно защищено от электромагнитных помех.


Не стоит, наверное, говорить, что подобные технологии помогают существенно снизить заметность не только живой силы, но и техники, особенно это важно для инфракрасного диапазона, так как множество вооружений наводится на цель именно по тепловому следу.


Но и в мирной жизни возможности для применения метаматериалов далеко не исчерпаны.

Ещё более замечательным свойством метаматериалов является возможность преодоления дифракционного предела в оптических системах, что позволит повысить разрешающую способность оптических микроскопов, создавать микросхемы нано-масштаба, существенно повысить плотность записи на оптические носители информации.


Там, где оптоволокно может заменить медный кабель, метаматериал может заменить оптоволокно, что приведёт к к более компактным, лёгким и энергоэффективным электронным приборам, антеннам и оптике.


Такой материал так же поможет существенно сэкономить место под расположение зеркал, а соответственно – увеличить мощность гелиотермальных электростанций.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Применять метаматериалы можно не только там, где требуется манипуляция электромагнитными волнами. Те же принципы вполне можно применять и для акустических волн, даже проще, так как их длины вполне сопоставимы с нашими размерами (длина акустической волны различаемого человеческим ухом диапазона колеблется в пределах от 2 см до 20 м).


Шумовое загрязнение сейчас является серьёзной проблемой для крупных городов, а новые тонкие и лёгкие шумоизолирующие материалы помогут значительно улучшить жизнь населения. Своё применения акустические метаматериалы смогут найти и в таких обыденных приборах, как микрофоны и динамики, а в перспективе (поскольку при помощи звука можно и предметы двигать), можно вообразить узконаправленные звуковые линзы или защитные барьеры.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

В завершении хочется сказать, что мы пока только начали подступаться к технологиям создания метаматериалов, и не в состоянии охватить воображением полностью всё, где можно использовать метаматериалы, как не могли себе вообразить важность своих исследований первые экспериментаторы с полупроводниками, как не могли вообразить всего даже те, кто создавал из полупроводников первые транзисторы. Но метаматериалы – это не какой-то прожект из далёкого будущего, это технологии, которые войдут в повседневную жизнь быть может, уже следующего поколения.

Показать полностью 8
Отличная работа, все прочитано!