Электричество и магнетизм

Выпрямители. Кристаллы и лампы

Техника наших дней широко пользуется выпрямителями - устройствами, которые преобразуют переменный электрический ток в постоянный. Чаще всего это особые радиолампы - кенотроны. Их можно найти в любом сетевом радиоприемнике. Главными частями мощных выпрямителей для радиостанций, электроплавильных печей, электровозов были до недавних пор мотор-генераторы или приборы газового разряда - ртутные лампы. Такие устройства громоздки (для мощного мотор-генератора строят целое здание), неэкономичны, часто выходят из строя. Теперь появились полупроводниковые выпрямители с запирающим слоем. Они прочны, надежны, миниатюрны и вместе с тем рекордно экономичны.

Пограничное электрическое поле в полупроводнике, состоящем из дырочной и электронной областей, существует независимо от того, подведены провода от электрической батареи к разным частям полупроводника или нет (рис. 4, а). Но внешнее поле сильно влияет на внутреннее поле запирающего слоя. Если к электронной части полупроводника присоединить положительный полюс батареи, а к дырочной - отрицательный, то направление электрического поля батареи совпадет с направлением внутреннего поля в запирающем слое. Это расширит запирающий слой, и ток через прибор не пойдет (рис. 4, б). А если поменять местами полюсы батареи, то поле батареи и поле запирающего слоя будут направлены в разные стороны. Сильное поле батареи переборет слабенькое поле запирающего слоя, "стража пограничников" - электронов и дырок - будет сметена, и через прибор потечет ток (рис. 4, в).

Теперь подведем к прибору переменное внешнее поле, т. е. такое поле, направление которого беспрестанно меняется. Запирающий слой станет то расширяться, то пропадать. При его расширении ток не будет идти через полупроводник, а в моменты исчезновения - пойдет. Значит, двухслойный полупроводник пропустит ток лишь в одну сторону и, следовательно, выпрямит переменный ток, превратит его в постоянный.

Купроксные (на закиси меди) и селеновые выпрямители давно применялись в технике. Сейчас внедряются мощные выпрямители из германия и кремния. Их, например, ставят на электровозы. В ближайшие годы во многих отраслях техники полупроводниковыми выпрямителями будут вытеснены дорогие и ненадежные кенотроны, ртутные колбы, мотор-генераторы. Кроме мощных выпрямителей созданы сравнительно маломощные полупроводниковые диоды, широко применяемые в радиотехнике для выпрямления и детектирования слабых сигналов.

Простейший полупроводниковый выпрямитель был широко распространен еще на заре радиовещания. Речь идет о детекторе - сердце детекторного радиоприемника. Кристаллик детектора преобразовывал быстропеременные электрические колебания, пойманные антенной, в пульсирующие постоянные токи, которые в наушниках рождали звук.

Конечно, в те времена детекторы работали не очень хорошо. Включая приемник, приходилось проволочкой нащупывать на кристалле место с хорошим запирающим слоем - "чувствительную точку", которая то и дело сбивалась. Многие изобретатели старались улучшить детектор. Занимался этим в 20-е годы и сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев. Сочетая в схеме два детектора, он научился слегка усиливать радиосигналы и возбуждать электрические колебания. Радиоприемники Лосева - кристадины - долгое время были популярны. Но потом, когда детекторы уступили место радиолампам, о кристадинах забыли.

Несколько десятилетий радиолампы безраздельно господствовали в радиотехнике. Осваивая и совершенствуя их, радиотехника добилась огромных успехов. С помощью радиоламп развились радиовещание, телевидение, радиолокация, автоматика, телемеханика. Появилась новая обширная область технической физики - электроника.

Но постепенно становилось ясно, что радиолампы далеко не безупречны. Хрупкие, недолговечные, неэкономичные, а главное, занимающие большой объем и сравнительно тяжелые, они все меньше удовлетворяли конструкторов. И тогда вспомнили о полупроводниковом детекторе. Возникла идея заменить стеклянный баллон радиолампы твердым полупроводниковым кристаллом.

Немало усилий потратила наука, чтобы "научить" детектор новым "профессиям". Надо было создать сочетание полупроводниковых кристаллов, способное не только выпрямлять токи, но и в широких пределах усиливать и возбуждать электрические колебания. В 1948 г. проблема была решена. Американские ученые Д. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли создали первый полупроводниковый усилительный прибор - транзистор.