「高等学校情報/情報の科学/論理回路と半導体」の版間の差分
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:※ ANDやORの概念については、『[[高等学校情報 社会と情報/検索]]』 を参照せよ。 |
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ダイオードという半導体素子を用いた回路により、物理的にANDやORの処理を実行できる。 |
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結論を先に示すと、{{-}} |
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である。 |
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このようにして、ダイオードは、P側の電圧が、N側の電圧よりも高い場合にのみ、電流を流す。 |
このようにして、ダイオードは、P側の電圧が、N側の電圧よりも高い場合にのみ、電流を流す。 |
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== AND回路 == |
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:(※ 工業高校教科書でも科目『ハードウェア技術』にしか書いてない!) |
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:[[File:ANDゲート.svg|thumb|left|AND回路]] |
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なぜ、この回路図がAND処理なのか、見ていこう。 |
なぜ、この回路図がAND処理なのか、見ていこう。 |
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よって、ダイオードを用いた回路で、A and B を計算できる。 |
よって、ダイオードを用いた回路で、A and B を計算できる。 |
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また、この回路図のように、論理計算のAND計算をできる回路のことを'''AND回路'''という。 |
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電圧は、 |
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! 条件 A !! 条件 B !! A or B |
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| H || H || H |
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となる。(Hは電圧が高い状態。Lは電圧が低い状態。) |
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これに、Hを論理計算の「真」に対応され、Lを「偽」に対応させれば、 |
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! 条件 A !! 条件 B !! A or B |
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となる。 |
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表から分かるように、図の電気回路は、A or B の計算結果と同じである。 |
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よって、ダイオードを用いた回路で、A or B を計算できる。 |
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また、この回路図のように、論理計算のOR計算をできる回路のことを'''OR回路'''という。 |
2017年5月24日 (水) 08:43時点における版
- ※ ANDやORの概念については、『高等学校情報 社会と情報/検索』 を参照せよ。
はじめに
- (※ 普通科の範囲外)
ダイオードという半導体素子を用いた回路により、物理的にANDやORの処理を実行できる。
結論を先に示すと、
である。
では、まずダイオードについて、学んでいこう。
ダイオード
- (※ 普通科の物理IIでも習う)
p型半導体とn型半導体を接合し(pn接合)た物体が、一方向のみに電流を流す。
このような部品をダイオード(diode)という。
p側に正電圧を掛け、n側に負電圧を掛けた時、電流が流れる。
いっぽう、p側に負電圧を描け、n側に正電圧を掛けても、電流が流れない。
回路において、ダイオードが電流を流す向きを順方向(じゅんほうこう)という。順方向とは反対向きを逆方向という。ダイオードの逆方向には、電流は流れない。
このように一方向に流れる仕組みは、ダイオードでは、つぎのような仕組みで、電流が流れるからである。
- p側に正電圧を掛け、n側に負電圧を掛けた時
ダイオードのp側に正電圧をかけ、いっぽうn側に負電圧をかけると、p側では正電極の正電圧からホールが反発して接合面へと向かい、いっぽうn側では電子が負電極から反発して接合面へと向かう。そして、接合面で、ホールと電子がであい、消滅する。この結果、見掛け上、正電荷が、正電極から負電極に移動したのと、同等の結果になる。
そして、正電極から、つぎつぎとホールが供給されるので、電流が流れ続ける。
- p側に負電圧を描け、n側に正電圧を掛けた時
いっぽう、p側に負電圧を描け、n側に正電圧を掛けた時、p側ではホールは電極(電極には負電圧が掛かってる)に引き寄せられ、接合面からは遠ざかる。同様にn側では電子が電極(正電圧が掛かってる)に引き寄せられ、接合面からは遠ざかる。
この結果、接合面には、余分なホールも余分な電子もない状態となり、よって接合面の付近にはキャリアがなく、この接合面付近のキャリアの無い部分は空乏層(くうぼうそう、depletion layer)と呼ばれる。
そして、それ以降は、ホールも電子も、もうどこにも移動の余地がないので、よって電流が流れない。
このようにして、ダイオードは、P側の電圧が、N側の電圧よりも高い場合にのみ、電流を流す。
ダイオードによる論理計算
AND回路
- (※ 普通科の範囲外)
- (※ 工業高校教科書でも科目『ハードウェア技術』にしか書いてない!)
なぜ、この回路図がAND処理なのか、見ていこう。
まず、図のCは論理計算「A and B」に対応する結果である。
説明の簡単化のため、Aの電圧は0Vか5Vのどちらかを取るとしよう。同様に、Bの電圧は0Vか5Vのどちらかを取るとしよう。
さて、AとBの電圧の両方とも5V以上の場合にのみ、Cが5Vになる。
なぜなら、
- ・ もし、AとBの電圧の両方とも5V以上なら、ダイオードに電流が流れないから、5Vがほぼそのまま出力Cに伝わる。(抵抗Rでの電圧降下はあるが、充分に無視できるように、回路を設計してあるとする。)
- ・ 一方、もし、Aが0Vなら、ダイオードD1が導通する。このとき、オームの法則により、抵抗Rで電圧が5Vぶん低下するので、Cの電圧も0Vになる。よって、Bの電圧が0Vだろうが5Vだろうが、もはやCの電圧は0Vである。
この結果を表にすると、5Vを「H」として、0Vを「L」とすれば、
電圧 A | 電圧 B | 電圧 C |
---|---|---|
H | H | H |
H | L | L |
L | H | L |
L | L | L |
となる。
一方、論理計算 A and B とは、
条件 A | 条件 B | A and B |
---|---|---|
真 | 真 | 真 |
真 | 偽 | 偽 |
偽 | 真 | 偽 |
偽 | 偽 | 偽 |
という計算である。
「真」をHに対応させ、「偽」をLに対応させれば、
表から分かるように、図の電気回路は、A and B の計算結果と同じである。
よって、ダイオードを用いた回路で、A and B を計算できる。
また、この回路図のように、論理計算のAND計算をできる回路のことをAND回路という。
OR回路
電圧は、
条件 A | 条件 B | A or B |
---|---|---|
H | H | H |
H | L | H |
L | H | H |
L | L | L |
となる。(Hは電圧が高い状態。Lは電圧が低い状態。)
これに、Hを論理計算の「真」に対応され、Lを「偽」に対応させれば、
条件 A | 条件 B | A or B |
---|---|---|
真 | 真 | 真 |
真 | 偽 | 真 |
偽 | 真 | 真 |
偽 | 偽 | 偽 |
となる。
表から分かるように、図の電気回路は、A or B の計算結果と同じである。
よって、ダイオードを用いた回路で、A or B を計算できる。
また、この回路図のように、論理計算のOR計算をできる回路のことをOR回路という。