Приключения радиолуча - Валерий Родиков

Если «транзистор» — термин, изобретенный в середине XX века, то слово «полупроводник» было в ходу уже в XIX веке. В учебнике 1826 года «Начальные основания опытной физики», написанном Иваном Двигубским, есть такие слова: «Английский физик Кавендиш опытами доказал, что вода проводит электричество в 400 миллионов раз хуже металла; невзирая на сие, она еще не совсем худой проводник электричества. Тела, кои в рассуждении способности проводить электричество, занимающие как бы среднее место между проводниками и непроводниками, обыкновенно называются полупроводниками».

А теперь откроем последний Советский энциклопедический словарь и прочитаем значение слова «полупроводники»: «Вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов… и диэлектриков…» Как мы видим, несмотря на более чем 150-летнюю временную дистанцию, формулировки весьма схожи.

В 1821 году немецкий физик Томас Зеебек под впечатлением опытов Эрстеда провел следующий эксперимент. Он припаивал друг к другу два разнородных металла и соединял их медным проводником, а внутри петли, образованной проводником, помещал магнитную стрелку. При нагреве места спая магнитная стрелка отклонялась. Значит, нагретый спай служил источником электрического тока. Когда одним из элементов спая были теллур, сульфид свинца и некоторые другие материалы, стрелка реагировала более энергично. Через сто лет такие вещества станут называться полупроводниками. Пожалуй, это был первый сигнал о наличии у полупроводников необычайных свойств.

«Термоэлектрический эффект» — так окрестили впоследствии данное явление. На его основе в 1940 году в Ленинградском физико-техническом институте пол руководством Ю. П. Маслаковца была собрана и испытана первая экспериментальная полупроводниковая термобатарея. Материалом у нее (как и в опыте Зеебека) служил сульфид свинца.

В 1833 году Майкл Фарадей столкнулся с необычной ситуацией: он заметил, что электропроводность сульфида серебра растет с повышением температуры (у металлов все происходит наоборот). «…Если поискать, то можно будет найти немало таких веществ», — прозорливо заметил Фарадей. И действительно, впоследствии он обнаружил еще ряд образцов с необычной зависимостью сопротивления от температуры — одной из характерных особенностей полупроводников.

В 1873 году было открыто еще одно их свойство. Инженер-электрик из Лондона У. Смит объявил, что при освещении селен, химический элемент, открытый еще в начале века, изменяет свою электропроводность. Сам инженер занимался испытанием подводного телеграфного кабеля, для изоляции которого применялся селен. В расплавленном состоянии он застывал, образуя стекловидную массу с очень большим сопротивлением. Наблюдательный помощник Смита заметил, что на свету сопротивление селена становится меньше, чем в темноте. Сообщение вызвало живейший интерес. Физики бросились воспроизводить опыт и обнаружили, что селен, названный так в честь Луны, чувствителен даже к ее свету.

Свойству селена изменять свое сопротивление в зависимости от падающего света нашел интересное применение Грэхем Белл. Тот самый Белл, в честь которого названа логарифмическая единица отношений двух одноименных физических величин — бел. Правда, на практике мы сталкиваемся с более мелкой величиной: одной десятой бела — децибелом.

Так вот, Белл придумал прибор, передававший звук на большое расстояние при помощи светового луча, и назвал его фотофоном. Принцип действия прибора состоял в следующем. Гибкое плоское зеркало освещалось сильным источником света так, что отраженный луч попадал на приемном конце на линзу, фокусировавшую свет на селеновую пластинку, соединенную с батареей и телефоном. При передаче звук, направленный на заднюю поверхность зеркала, заставлял его колебаться. В такт с колебаниями «дрожал» и световой луч, а от этого менялась и освещенность селеновой пластины.

В цепи телефона возникали колебания электрического тока звуковой частоты, и речь отлично воспроизводилась в наушниках. Но фотофон быстро сошел со сцены: не выдержал соперничества с другим, более удачливым детищем Белла — телефоном.

Как говорят, все повторяется. Через сто лет на более высоком уровне — в лазерном исполнении — этот принцип возродился. В частности, в подслушивающих лазерных устройствах. Оконное стекло комнаты, где происходят переговоры, освещают снаружи лазерным лучом. Роль зеркала выполняет стекло, а вместо селеновой пластинки — лазерный приемник.

В 1874 году уже упоминавшийся К. Ф. Браун обнаружил выпрямляющую способность контакта металла и сернистого свинца: при одном направлении тока сопротивление контакта мало, при противоположном — очень велико. Позже, используя эту особенность, Браун создал детектор — полупроводниковый диод.

В последнее 20-летие XIX века полупроводники не были обделены вниманием ученых, и число опубликованных работ, им посвященных, исчислялось сотнями, так что уже в начале XX века сформировались правильные представления о природе электропроводимости полупроводников. Потом с началом эры радиоэлектронной лампы интерес к полупроводникам упал. Это продолжалось вплоть до конца первой мировой войны.

В 20-х и особенно в 30-х годах полупроводники вновь стали объектами научного любопытства. На вооружении ученых появилась квантовая теория и уравнение Эрвина Шредингера, которые могли объяснить поведение электронов в твердых телах. Большой вклад в экспериментальные и теоретические исследования полупроводниковых приборов внесли и советские ученые О. В. Лосев, Б. И. Давыдов, Я. И. Френкель, А. Ф. Иоффе. А в 1931 году вышла первая в нашей стране книга под названием «Полупроводники» известного ученого Д. Н. Наследова.

Многие изобретатели бились над созданием полупроводникового усилителя. В 1925 году в США, а в 1935 году в Англии были выданы патенты на прибор, который впоследствии назовут полевым транзистором. Но экспериментально его воспроизвести не удалось.

И вот в 1947 году к тройке американских ученых пришел заслуженный успех. Их настойчивость была вознаграждена появлением транзистора.

Так же как и лампа, транзистор может быть и электронным переключателем, и усилителем. Только в отличие от лампы он управляется током, а не напряжением. В лампе через ее вход (участок сетка-катод) в большинстве режимов работы ток пренебрежимо мал, так что с ним можно было не считаться. А в транзисторе входной ток приходилось учитывать. Хоть небольшой, но есть. Он течет через определенную часть транзистора, и его изменения вызывают соответствующие изменения большего тока, текущего через весь транзистор. Поэтому транзистор иногда называли усилителем тока. И названия электродам в транзисторе придумали другие. Если провести аналогию с радиолампой, то роль катода в нем выполняет эмиттер (выпускает носители электрического тока), анода — коллектор (собирает их), а сетки — база.

В современной электронике получили распространение два типа транзисторов — биполярные и полевые. Кстати, прибор, созданный Бардиным и Браттейном, относится к биполярным транзисторам, а запатентованные в 1925 и 1935 годах — к полевым. Хотя запатентованы полевые транзисторы много раньше — применять их стали много позже: в конце 50-х — начале 60-х годов. Несмотря на различия между ними, принципы работы биполярного и полевого транзистора похожи. Правда, соответствующие электроды у последнего носят иные названия: эмиттер — это исток, коллектор — сток, а база — затвор. Проходящий через полевой транзистор ток между истоком и стоком управляется электрическим полем, возникающим в области, прилегающей к затвору, за счет поданного на него напряжения (поэтому и название — полевой транзистор), а затвор находится как раз на пути между истоком и стоком.

Электрическое поле может как бы сужать диаметр канала в полупроводнике, по которому бегут электроны от истока к стоку, или вообще перекрывать его.

Похожая картина наблюдается в поливочном шланге, если наступить на него ногой. Можно уменьшить напор воды, а можно и совсем перекрыть воду. Роль ноги в полевом транзисторе и выполняет электрическое поле у затвора. Входной ток у полевого транзистора, протекающий в нем между истоком и затвором, может быть очень малым. В этом отношении полевые транзисторы приближаются к вакуумным лампам.

Поначалу американская и западноевропейская промышленность не проявили интереса к новому прибору. Трудно было в одночасье сбросить со счетов почти три десятилетия разработки и совершенствования радиоламп разных конструкций. А ведь транзисторы требовали абсолютно новых методов производства. Лампы же применялись не только в радиоприемниках и телевизорах, но и в передатчиках радаров, систем связи, телевизионных и радиопередающих станциях, словом, и там, где требуются большие мощности излучения. (Кстати, в этих областях лампы еще и по сей день не сошли со сцены.)