«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФА КУ ЛЬТ ЕТ ИНФО Р МАТ ИКИ В.П. Леонов ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ И ТЕХНОЛОГИЮ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЭВМ И КОМПЬЮТЕРОВ Томск – 2008 УДК 681.3(075.8)+621.38.032(075) Л 476 Леонов В.П. Введение в ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФА КУ ЛЬТ ЕТ ИНФО Р МАТ ИКИ

В.П. Леонов

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ И ТЕХНОЛОГИЮ

ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЭВМ

И КОМПЬЮТЕРОВ

Томск – 2008 УДК 681.3(075.8)+621.38.032(075) Л 476 Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной Л 476 базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. – Томск: Изд-во НТЛ, 2008. – 264 с.

ISBN 978-5-89503-390-6 В учебном пособии рассмотрены основные этапы развития физики и технологии элементной базы ЭВМ и компьютеров. Изложение материала ведётся от начального этапа зарождения вакуумной электроники до современной элементной базы на основе полупроводниковой микроэлектроники. Данное пособие призвано помочь более цельно представить как историю развития элементной базы вычислительной техники, так и основы физики и технологии её создания. Содержание пособия имеет своей целью создать у студента ясное представление о том, что современная элементная база вычислительной техники базируется на сплаве достижений физики и сложнейшей технологии.

Предназначено для подготовки студентов неинженерных специальностей, изучающих программирование и информатику.

УДК 681.3(075.8)+621.38.032(075) Бакин Н.Н., к. т. н., зам. ген. директора Рецензент:

НИИ полупроводниковых приборов, г. Томск ISBN 978-5-89503-390-6 © В.П. Леонов, текст, © Томский госуниверситет, Оглавление Оглавление ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОТ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

К ПОЛУПРОВОДНИКАМ

1.1. Вакуумная электроника: от лампы освещения до радиоламп

Осветительная лампа накаливания

Первые электровакуумные приборы

Электровакуумный диод

Электровакуумный триод и многосеточные лампы........ Превращение радио в бытовое информационное устройство

Электронно-оптические индикаторы

Газонаполненные электронные лампы

Прочие электронные лампы

Электронно-лучевая трубка

Жидкокристаллические экраны

Плазменные панели

Перспективы электровакуумных ламп

Электросвязь, информация, люди

1.2. Типы химической связи: металлическая, ковалентная, ионная

Металлы и металлическая связь

Модель свободных электронов

Недостатки модели свободных электронов

Ионная связь

Химическая связь в полупроводниках

Основные свойства ковалентной связи

Ионно-ковалентный тип связи в твердых телах.............. Химическая связь в полупроводниковых соединениях ANB8N

1.3. Полупроводники – прошлое и настоящее

Первые сведения о полупроводниках

Первые теории полупроводников

Зарождение твердотельной электроники

Соотношение физики и технологии полупроводников.. Оглавление 1.4. Основные отличительные свойства полупроводников....... 1.5. Основы кристаллофизики

Точечные дефекты

Примеси как дефекты структуры кристалла.

Взаимосвязь структурных точечных дефектов с электронными

Основные механизмы образования точечных дефектов

Тепловые колебания атомов

Отклонения от стехиометрии

Линейные дефекты

Плоскостные дефекты

Объёмные дефекты

Облучение

Аморфные тела, изотропия и анизотропия

1.6. Электрические свойства примесей

Выводы

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

2.1. Выращивание объемных полупроводниковых монокристаллов

Получение кристаллов из жидкой фазы

Выращивание кристаллов из расплава

Методы нормальной направленной кристаллизации... Метод Чохральского

2.2. Выращивание полупроводниковых кристаллов малого объёма

Выращивание монокристаллов из раствора.................. Выращивание кристаллов из газообразной фазы......... Метод химических и газотранспортных реакций......... Монокристаллические плёнки, эпитаксия

Рост из газовой фазы с использованием металлорганических соединений

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Методы легирования полупроводниковых материалов Выводы

ГЛАВА 3. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

3.1. Зонная структура полупроводников

Энергетические зоны в полупроводниках

Электропроводность полупроводников

Неравновесные носители

Движение свободных носителей заряда в полупроводниках, диффузия и дрейф

Эффект Ганна

Контактные явления и эффект поля

Барьер Шоттки

3.2. Электронно-дырочный переход

Прямое и обратное включение p–n-перехода................ Ёмкости p–n-перехода

3.3. Функциональные типы полупроводниковых диодов........ Выпрямительные диоды

Импульсные диоды

Полупроводниковые стабилитроны

Варикапы

Туннельные диоды

Диод Ганна

Лавинно-пролётные диоды

Светодиоды

Фотодиоды

Условные обозначения полупроводниковых диодов.... 3.4. Транзисторы

Общие сведения о транзисторах

Биполярные транзисторы

Основные схемы включения транзистора

Способы описания свойств транзистора, работающего в активном режиме при малом переменном сигнале.... Статические характеристики транзистора

Полевые транзисторы

МДП-элементы энергонезависимой памяти.................. 3.5. Приборы с 4-слойными структурами

3.6. Оптоэлектронные приборы

Светодиод

Фотодиод

Оптрон

Полупроводниковый лазер

Волоконно-оптические линии связи

Оптоэлектроника, полупроводники, люди

Выводы

ГЛАВА 4. ОТДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ

ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

4.1. Выпрямитель

4.2. Стабилизаторы

4.3. Транзистор-усилитель

4.4. Транзистор – электронный ключ

4.5. Блокинг-генератор

4.6. Мультивибратор на транзисторах

4.7. Основные логические функции и их реализации с помощью полупроводниковых приборов

4.8. Триггеры

4.9. Несимметричный триггер (триггер Шмитта)

4.10. Аналоговые электронные устройства

4.11. Операционные усилители

4.12. Классификация интегральных микросхем

Выводы

ГЛАВА 5. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ

ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

5.1. Хранение цифровой информации на жестких магнитных дисках

5.2. Элементы магнитной памяти

5.3. Продольная и поперечная магнитная запись

5.4. Схема конструкции HDD

5.5. Технологии магнитной записи

5.6. Механические воздействия на HDD

5.7. Хранение цифровой информации на CD

5.8. Технология записи на CD

5.9. Конкуренция технологий записи и хранения информации

Выводы

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

6.1. Механическая обработка слитка и пластин

6.2. Очистка поверхности

6.3. Изготовление эпитаксиальных структур

6.4. Осаждение диэлектрических пленок

6.5. Диффузия

6.6. Ионная имплантация

6.7. Литография

6.8. Травление

6.9. Металлизация

6.10. Монтаж кристаллов

6.11. Методы контроля

Выводы

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ

Литература

Предметный указатель

ВВЕДЕНИЕ

Двадцатый век – это время появления ЭВМ и компьютеров. Однако их появление не могло состояться без множества других, не менее важных технических новинок. Кроме ЭВМ и компьютеров в ХХ веке были разработаны и такие технологии, как технологии получения искусственных кристаллов и сверхчистых веществ, технологии создания искусственных материалов (пластмассы, синтетика и т.д.), лазерная, ядерная, космическая, биотехнологии молекулярно-генетического уровня, информационные технологии и т.д. Вершиной всего этого «технологического айсберга» по праву считают микроэлектронику, обеспечивающую элементную базу всех средств приёма, передачи и переработки информации, в т.ч. и компьютеров.

Роль микроэлектроники становится всё более важной как в техническом, так и в экономическом аспекте. Годовые обороты американских микроэлектронных фирм составляют более 200 млрд долларов. Это в семь раз больше стоимости российского сырьевого экспорта. Важнейшую роль микроэлектроники в развитии потенциала страны поняли в Японии, Китае, Корее, странах Юго-Восточной Азии, в Европе, Канаде и других странах. Россия же остается на обочине мирового технического прогресса, между тем как фундаментальные исследования, так и практические результаты в электронной промышленности еще совсем недавно позволяли нашей стране быть на острие научно-технического прогресса. В Приложении приведён перечень основных событий в истории развития физики и технологии полупроводников, многие из которых произошли в СССР и РФ [31, 32].

100 лет назад технология рассматривалась как набор рецептов создания тех или иных веществ и устройств и считалась чем-то второстепенным по отношению к науке и культуре. Сейчас же общество всё яснее понимает, что в основе развития цивилизации лежит совершенствование технологии. Элементная база компьютерной техники во многом определяется уровнем элементной базы микроэлектроники, выросшей из радиопромышленности. Появление принципиально новых форм человеческой культуры всегда обусловлено появлением принципиально новых технологий. Так появление радио позволило осуществить функВведение цию передачи информации в массовом, глобальном масштабе на очень большие расстояния. Фактически, сеть передающих и принимающих радиостанций, окутавшая Землю в ХХ веке, была неким прообразом современных сетей передачи информации с той лишь поправкой, что не все узлы этой сети могли работать как на приём, так и на передачу информации. Сегодня, на новом витке развития, мы наблюдаем в технологии Wi–Fi симбиоз компьютерных сетей с современными возможностями радиопередачи и радиоприёма.

Человеческое общество приобретает новые качества в связи с широким внедрением компьютерных сетей. Информационные технологии создают фундамент развития для всех других технологий. Вычислительная техника, перестав быть лишь средством для расчетов, во многом стала определять развитие человеческой цивилизации, становясь мощным катализатором развития других технологий. Средства информатизации становятся фактором, влияющим не только на промышленное производство, но и на всю человеческую культуру в целом, заменяя старые или порождая новые виды информационного общения. Например, ещё 30–50 лет назад в предпраздничные дни почты всех стран были заполнены бумажными поздравительными открытками. Развитие мобильной связи привело к появлению технологии SMS- и MMSсообщений, практически полностью заменившей бумажные открытки, ставшие отныне музейными раритетами. Несколько десятилетий в конце ХХ века широко использовались видеокассеты и видеомагнитофоны.

Однако появление технологии оптических компакт-дисков привело к тому, что производство видеокассет и видеомагнитофонов стало прекращаться. Развитие сети Интернет и электронных СМИ привело к резкому сокращению тиражей бумажных периодических изданий. От деревянных логарифмических линеек общество перешло к калькуляторам, в том числе и программируемым, на основе интегральных микросхем.

Однако с появлением персональных компьютеров этот класс вычислительных устройств фактически прекратил своё существование. Развитие технологии флэш-памяти привело к тому, что в некоторых моделях современных ноутбуков уже отсутствуют традиционные жесткие диски, а загрузка операционной системы производится непосредственно с микросхем флэш-памяти. В скором времени в прошлом окажутся и такие атрибуты фотографии и кино, как фото- и киноплёнка.

Всё большее распространение получают аудиокниги. И таких примеров можно привести десятки и сотни. В основе всех этих процессов лежат доминирующие физические принципы и технологии создания элементной базы ЭВМ.

Этапы развития вычислительной техники обычно связывают с развитием её технологической базы, в частности с особенностями элементной базы. Исходя из этого, можно выделить 3 основные фазы развития обработки информации:

- домикроэлектронную, когда каждая ЭВМ (компьютер) была - промежуточную, когда определились различные пути развития вычислительной техники;

- современную, когда созданы персональные компьютеры.

Развитие технологии микроэлектроники открывает дорогу к новым достижениям в быстродействии и мощности компьютеров. Постоянно уменьшаются размеры элементов компьютера и минимальная ширина линий рисунка интегральных схем, что в итоге приводит к повышению производительности компьютеров. Усложняется структура интегральных схем, возрастает количество внутренних связей. Уменьшение размера одного транзистора до уровня 111 мкм позволяет разместить на пластине диаметром 200 мм до 30 млрд транзисторов только на одном уровне, если же создать твердотельную интегральную структуру в виде куба с ребром в 10 см, то в нем можно разместить 1000 трлн транзисторов.

И всё же уже можно говорить о том, что полупроводниковая электроника приближается к пределу своих возможностей, как по допустимой плотности дизайна, так и по тактовой частоте. И как полупроводниковая электроника сменила предшествующую ей вакуумную электронику, так и её также сменят очередные технологические достижения.

Ожидается, что это может быть либо технология, основанная на использовании оптических устройств, либо технология, основанная на использовании сверхпроводников. Одним из перспективных направлений является также идея квантового компьютера. Не исключено, что скоро в программе будущих студентов, обучающихся по специальности информатика, будут и такие обязательные курсы, как статистическая физика и квантовая механика. Впрочем, не исключено, что новые технологические решения могут быть реализованы и с помощью биологических структур. И тогда вместо квантовой механики студентам придётся изучать биологию. Вместе с тем история технологии показывает, что приход новой доминирующей технологии вовсе не означает полный отказ от предшествующих решений. Например, уже более полувека доминиВведение рующим материалом в полупроводниковой микроэлектронике является монокристаллический кремний. Его доля составляет 90 % в производстве полупроводниковых приборов и 95 % в производстве интегральных схем. Однако помимо монокристаллического кремния существуют и другие его модификации, такие, как аморфный, применяемый в солнечных батареях, поликристаллический, используемый в изготовлении резисторов в интегральных схемах и т.д. Более 50 лет назад при анодной электрохимической обработке монокристаллического кремния в растворах плавиковой кислоты HF был получен пористый кремний.

Отличительная черта пористого кремния – огромная суммарная площадь его внутренней поверхности, достигающая величины в 800– 1000 кв. м на 1 куб. см. Этот материал является одним из самых перспективных в области нанотехнологии [25]. Регулируя форму и размеры пор, а также заполняя поры другими химическими соединениями, оказалось принципиально возможным получать на его основе светодиоды, фотодетекторы, диэлектрические слои, интегральные конденсаторы большой ёмкости и т.д. Другой пример. Полупроводниковые приборы уже давно вытеснили радиолампы. Однако и сейчас технологию производства радиоламп продолжают совершенствовать, используя последние достижения технологии микроэлектроники.

Вычислительная техника развивалась от вычислительных машин к средствам автоматизации труда «белых воротничков». Повсеместное распространение персональных компьютеров создало предпосылки для их объединения в сеть. Возникновение и бурное развитие глобальной сети подвело эволюцию компьютеров к следующему неизбежному этапу – появлению сетевого интеллекта, имеющего многие элементы разума. Вслед за компьютерами-калькуляторами и послушными исполнителями готовых алгоритмов в ближайшем будущем появятся обучающиеся программные агенты. Их объединение в сетевое сообщество взаимодействующих друг с другом (и, конечно, со своими хозяевами) агентов создаст самообучающуюся среду, вполне аналогичную по своей способности к самоорганизации человеческому мозгу. И человекомашинный симбиоз, каким с недавних пор и является современное общество, перейдет на новый качественный уровень.

В человеческой цивилизации действует всеобщий закон взаимосвязи количества любого ресурса и средств его транспортировки. Причём эти две компоненты взаимно обогащают друг друга. Так, рост производства сельскохозяйственной и промышленной продукции привёл к развитию морского и сухопутного транспорта, а далее и воздушного.

Этот же закон работает и в случае информационных ресурсов. Колоссальные, постоянно увеличивающиеся объёмы информационных ресурсов будут требовать новых «транспортных средств». Возможности этих средств в каждый момент времени определяются уровнем развития физики элементной базы и уровнем развития технологии создания этих элементов, в частности технологии полупроводниковых материалов. Ниже мы рассмотрим наиболее важные особенности этих двух составляющих компонент элементной базы вычислительной техники, в частности рассмотрим особенности технологии производства полупроводниковых материалов, основы физики полупроводников и полупроводниковых приборов, а также некоторых других компонент вычислительной техники.

Уровень изложения материала предполагает знакомство читателей с основами естественных наук в объёме средней школы. Автор полагает, что объём знаний в области физики и технологии элементной база ЭВМ и компьютеров у будущих специалистов в области математического обеспечения и администрирования информационных систем не должен быть таким же, как и у инженеров электронной техники. Для будущих специалистов в области информационных технологий важно знать основные принципы работы элементной базы ЭВМ, а также основные принципы создания таких элементов. Исходя из этого, автор стремился изложить основные понятия и положения физики и технологии элементной базы современной информационной техники. Именно по этой причине в списке литературы присутствуют не только вузовские учебники разного уровня детализации, но и популярные издания. Там, где это было возможным, делались небольшие исторические экскурсы, призванные продемонстрировать отдельные интересные эпизоды развития этих отраслей знания.

Многие разделы этого направления остались незатронутыми в данном пособии. В противном случае данное издание должно было бы иметь объём в несколько раз больший. Кроме того, не надо забывать, что при нынешних темпах развития техники и технологии многие особенности этого тандема стремительно устаревают. Тогда как основные физические принципы и технологические реализации этих принципов остаются актуальными достаточно долгое время. Именно этим аспектам и посвящено настоящее учебное пособие.

Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам Г л а в а 1. ОТ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

К ПОЛУПРОВОДНИКАМ

1.1. Вакуумная электроника: от лампы освещения Полупроводниковой электронике предшествовала электроника на электронных вакуумных лампах. Такие лампы состоят из нескольких электродов, смонтированных внутри вакуумированного стеклянного, металлического или керамического баллона, служащего газозащитной оболочкой. Все процессы в них происходят при давлении порядка 10–5 мм рт. ст. и менее. Эти приборы берут своё начало от обычной электрической осветительной лампы. Наибольшее применение электронные лампы получили в радиотехнике. Радио (от латинского «radiare» – излучать, испускать лучи) – это способ беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством электромагнитных волн (радиоволн), изобретённый русским учёным А.С. Поповым в 1895 г.

А.С. Попов с 1901 г. был профессором физики Электротехнического института, а с сентября 1905 г. – его первым выборным директором. По инициативе А.С. Попова началось преподавание в России курсов беспроволочной телеграфии в военных и гражданских высших учебных заведениях.

Радио было не только наиболее эффективным средством передачи информации на большие расстояния, но и способствовало разработке теоретиче- Рис. 1. Александр Степанович гий, в свою очередь вызвавших к жизни кибернетику, а далее и саму информатику. Отметим, что далеко не всегда авторам тех или иных изобретений удаётся хорошо предвидеть дальнейшую судьбу своих открытий и изобретений. К примеру, великий немецкий физик Генрих Рудольф Герц, который впервые получил и исследовал предсказанные Максвеллом электромагнитные волны, считал, что его открытие не может иметь никакого практического применения. Вот что писал Герц в одном из своих писем в ответ на предложение начать практические работы по радиосвязи: «Электрические колебания в трансформаторах и телефонах слишком медленные. Если бы вы были в состоянии построить выгнутые зеркала размером с материк, то вы могли бы поставить намечаемые опыты, но практически сделать ничего нельзя… По крайне мере, я так думаю». Более того, Герц предлагал Дрезденской палате коммерции запретить как не имеющие практической ценности все исследования радиоволн. После катастрофы в апреле 1912 г. «Титаника», радист которого успел передать сигнал SOS, что дало возможность спасти часть пассажиров, сомнений в полезности радиосвязи уже ни у кого не возникало. Заметим также, что один из создателей радиосвязи, Г. Маркони, считал, что основой его беспроволочного телеграфа будет только азбука Морзе, а для беспроволочной передачи речи он не видел никакого полезного применения. История внесла свои коррективы в эти ошибочные мнения, свой вклад в это внесли также российские и советские учёные.

Осветительная лампа накаливания XIX век – особое время в развитии науки и техники. Великие открытия следуют одно за другим. Такой процесс был невозможен без прогресса политического. Основателем отечественной электротехники по праву считают Василия Владимировича Петрова. После окончания в 1786 г. учительской гимназии в Петербурге он 2 года работает учителем на Алтае, преподаёт физику, математику, латынь и русский язык. По возвращении в Петербург в 1795 г. после блестящей «пробной лекции»

утверждается в должности профессора физики и математики СанктПетербургской медико-хирургической академии, где он прослужит почти 40 лет. Уровень его образования и эрудиции был столь высок, что без высшего образования и защиты диссертации его избирают профессором, а позднее и академиком. На 25 лет раньше Георга Ома он установил зависимость сопротивления проводников от поперечного сечения. Он также ввел в электротехническую науку термин «сопротивление». В 1801 г. профессор Петербургской медико-хирургической Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам академии Василий Петров (рис. 2) получил для своего физического кабинета мощнейшую по тем временам электрическую батарею, состоящую из 2100 медно-цинковых элементов Вольта, которая давала напряжение около 1700 В. Используя её, он приступает к опытам, приведшим его в 1802 г. к обнаружению электрической дуги. Результаты своих исследований учёный подробно описал в своём труде «Известия о гольванивольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наиРис. 2. Василий Владимирович 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской медико-хирургической академии», изданном в 1803 г., где он описал свои опыты с электрической дугой. Поскольку книга была издана на русском, а не на латинском языке, то она была малоизвестна зарубежным учёным. И по этой причине долгое время открытие электрической дуги незаслуженно приписывалось английскому химику Дэви, который впервые наблюдал это явление в 1808 г., когда построил батарею из 2000 пар пластин. Подробно Дэви описал свои опыты в 1812 г.

Вот как описывал В.В. Петров свои опыты с электрической дугой:

«Если на стеклянную плитку или на скамейку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, сообщенных с обоими полюсами батареи, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого темный покой довольно ярко освещён быть может...».

Так впервые ученый показал возможность использования электрической дуги для целей освещения. Этим открытием Петров на полвека опередил свое время: первые дуговые электрические лампы стали создаваться только в 40–50-х годах XIX века. В 1951 г. в мастерских Московского энергетического института была изготовлена 20-я часть батареи, состоявшая из 105 медно-цинковых элементов, подобных тем, что были в батарее Петрова. Было установлено, что напряжение на зажимах батареи Петрова должно было составлять 1650–1700 В – это был перВ.П. Леонов вый в мире электрохимический источник тока высокого напряжения.

Именно благодаря такому напряжению Петрову удалось сделать своё наиболее выдающееся открытие – получить электрическую дугу. Отдельная глава его книги посвящена получению электрической дуги в вакууме, как он выражался, «в безвоздушном месте». Эти опыты он производил в ноябре 1802 г.

Но судьба нашего выдающегося соотечественника оказалась весьма трагичной. Хотя он был избран в 1802 г. членом-корреспондентом Петербургской академии наук, а в 1815 г. – ординарным академиком, он выступал против иностранного засилья в Академии наук и потому испытывал противодействие со стороны чиновников из Министерства просвещения и Академии наук. И когда В.В. Петров в знак протеста не явился в 1825 г. на похороны императора Александра I, он был отстранён от руководства Физическим кабинетом Академии, затем уволен из Медико-хирургической академии, а его труды были запрещены к печатанию.

Следующим прибором на пути изобретения электрической лампы была знаменитая свеча П.Н. Яблочкова, предложенная им в 1876 г., на которую он в том же году получил во Франции патент. В качестве калильного тела, которое раскалялось до 1877 г. во всём мире было только 80 работающих электрических ламп освещения. Павел Николаевич Яблочков телеграфной службы на железной дороге, предложил руководству устанавливать на паровозах для освещения существовавшие в то время дуговые лампы.

Рис. 3. Павел Николаевич Крым собрался сам император Александр II. П.Н. Яблочков, поместив в пустом багажном вагоне батарею элементов, уселся в передней части локомотива с регулятором Фуко. Несмотря на то, что ночь была очень холодная, Яблочков просидел до утра на сильном морозе в дубленке, Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам постоянно помогая действию лампы. Нельзя было позволить свече потухнуть хотя бы на короткий промежуток времени, а регулятор Фуко действовал ненадёжно. Несмотря на безусловный успех эксперимента, Яблочков задумался о несовершенстве дуговой лампы. В чём же были недостатки конструкций его предшественников?

1) При зажигании дуговой лампы нужно разводить угольные электроды на строго определенное расстояние;

2) во время горения для поддержания постоянной длины дуги необходимо сводить угли по мере их сгорания, для этого использовали либо ручной регулятор, либо часовой механизм, который автоматически сближал угли.

Но дуга очень капризна, и потому регуляторы работают не надежно.

Чтобы расстояние между стержнями сохранялось постоянным по всей длине, стержни должны располагаться параллельно. Реализация этих идей сделала П.Н. Яблочкова знаменитым и богатым человеком. Дуговая «свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом больше часа, однако это не такой уж большой срок, и у неё, кроме старых соперников – газовых светильников, появился новый серьезный соперник – лампа накаливания. В наше время мощные дуговые лампы успешно применяют в прожекторах.

Электрическая лампа накаливания была изобретена русским инженером А.Н. Лодыгиным. Лодыгин заинтересовался свечением нагретого угольного электрода. Он спроектировал на экран изображение угольных электродов в момент возникновения между ними электрической дуги. При этом он отчётливо увидел, что светится поверхность конусных торцов углей, тогда как сама дуга дает гораздо меньше света. Следовательно, можно накалить током угольные стержни – они и будут светиться. В стеклянный баллон изобретатель поместил тонкий угольный стержень между двумя медными держателями.

Такая лампа светила всего 0,5 часа, потом ее угольный стержень сгорал.

Как замедлить сгорание? Он изготовил лампочку со сферической колбой, из которой был выкачан воздух. Угольный стержень такой лампы светился уже несколько десятков часов. Заявку на патент своей лампы Лодыгин подал 24 октября 1872 г. В заявке было указано:

1. Число проводников в одной лампе может быть больше одного.

2. Для изготовления стержней может применяться углерод во всех его видах (графит, сажа, кокс, уголь), а также смеси хороших проводников с непроводниками (железа, чугуна или платины с каолиновой глиной, известью, магнезией и т.п.).

3. Стеклянный баллон должен быть наполнен азотом или другим инертным газом, форма его может быть цилиндрической, овальной или любой другой.

Официальный патент, или, по официальной терминологии тех лет, «привилегия», был получен 23 июля 1874 г., и в тот же год Петербургская академия наук присудила изобретателю Ломоносовскую премию.

Впрочем, ценнее награды было другое – еще в предыдущем году детище Лодыгина оправдало себя на практике: электролампы, созданные по его технологии, успешно справились с задачей освещения петербургских улиц. Изобретение Лодыгина было признано патентными бюро многих европейских стран, и, казалось, приоритету российского инженера не угрожало практически ничто. Таким образом, в заявке закреплялись все права на разнообразные модификации лампы. Лампы Лодыгина сначала работали 30–40 минут, последующие усовершенствования позволили довести срок службы ламп до 700–1000 часов. А.Н. Лодыгин показал преимущества применения металлической, в частности вольфрамовой, проволоки для изготовления тела накала и таким образом положил начало производству современных, гораздо более экономичных ламп накаливания, чем угольные лампы раннего периода. Уже в 1873 г.

лампы Лодыгина применялись для освещения улиц Санкт-Петербурга.

Однако срок работы лампочки Лодыгина был невелик. Нужно было проделать еще тысячи опытов, чтобы создать прочную нить накаливания. А денег у изобретателя не было. Посвятив много лет работы построению и усовершенствованию лампы накаливания с угольным и металлическим телом накала, А.Н. Лодыгин не нашёл в современной ему России благоприятной почвы для того, чтобы эти работы получили практическое применение в масштабе, соответствующем их значимости. Судьба заставила его искать счастья в Америке, где протекла вторая половина его жизни. Основная заслуга А.Н. Лодыгина в том, что он указал на важное значение вольфрама для конструирования ламп накаливания. Это его мнение не привело немедленно к соответствующим результатам, однако 20 лет спустя электроламповая промышленность Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам всего мира полностью перешла на производство вольфрамовых ламп накаливания. Вольфрам продолжает до сих пор оставаться единственным металлом для производства нитей ламп накаливания. Ему пришлось решать еще одно противоречие: чтобы нить светила ярче (увеличение температуры), она должна обладать большим сопротивлением, значит, площадь поперечного сечения нити должна быть мала, а длина велика. Но расстояние между электродами лампочки не более 1,5 см.

Как же на этом расстоянии разместить нить длиной несколько десятков метров? Для этой цели Лодыгин использует спиралевидную нить. Свою новую лампу с вольфрамовой нитью накаливания Лодыгин успешно демонстрирует на Парижской всемирной выставке в 1900 г.

В 1876 г. в США для наблюдения за постройкой кораблей, заказанных Морским ведомством, был командирован русский морской офицер А. Хотинский. Он хорошо знал об опытах Лодыгина и даже захватил в Штаты несколько образцов лампы накаливания. Встречаясь с Эдисоном, А. Хотинский продемонстрировал ему эти лампы. И в 1878 г. Эдисон активно занялся проблемой электрического освещения в быту [16].

Он понял, что изобретенные Лодыгиным лампочки – самый лучший способ освещения, надо только их усовершенствовать. У него было то, чего не хватало Лодыгину, – много денег и много помощников. В качестве нитей накаливания изначально Эдисон использовал платиновую нить. Он изготовил лампу с платиновой проволокой, диаметром 0,25 мм и длиной 9 метров. Проволока была навита на известковый цилиндр. В апреле 1879 г. Эдисон проделал решающие опыты, показавшие важную роль вакуума для увеличения световой мощности электрической лампы накаливания. Для повышения степени вакуума он разработал новые вакуумные насосы. Далее Эдисон последовательно перепробовал ряд других тугоплавких веществ, таких как окись циркония или церия, магнезия и уголь. Для этого также использовались обыкновенные швейные нитки, покрытые углем. Они могли светиться в течение сорока часов.

Неутомимый Эдисон перебрал самые разнообразные углеродсодержащие вещества – продукты питания, смолы, и т.д., порядка шести тысяч разновидностей растительного волокна. 21 октября 1879 г. американский изобретатель Т. Эдисон провёл первое в мире испытание электролампы с угольной нитью. Около 10 лет наилучшим материалом для получения угольной нити оставались бамбуковые нити. Но безусловная пальма первенства осталась у вольфрама, предложенного Лодыгиным.

Уже 31 декабря 1879 г. 700 электрических ламп накаливания освещали Менло-Парк в Нью-Йорке.

Эдисон выкачивал из лампочек воздух гораздо тщательнее, чем Лодыгин. Это помогло Эдисону довести жизнь своих лампочек до 800 часов. Следует отметить системный подход Эдисона к реализации свого детища. Он не только усовершенствовал лампу накаливания, но и наметил целую программу работ по её внедрению в жизнь. В его списке работ, составленном им в 1880 г. значились и такие задачи;

1. Разработка системы электрических станций и сетей, подобных 2. Разработка счётчика потребления электрической энергии.

3. Разработка предохранителей от перегрузки и замыканий в электрических сетях.

В конце 1879 г. Эдисон создал лампочку с винтовым цоколем и патроном. Он первым создал аппаратуру для электрического освещения, которая получила широкое распространение. Эдисон построил фабрику по производству электрических лампочек, создал источник постоянного тока для питания ламп – динамомашину, организовал завод по их изготовлению. В первый год себестоимость счетчик электроэнергии. Более 300 патентов получил Эдисон за короткое время, но все патенты были сформулироваРис. 5. Лампа накаливания ствовании лампы Лодыгина. Эдисон использовал техническую идею Лодыгина, внёс некоторые конструктивные изменения, провёл испытания своих ламп и запатентовал их в том же 1879 г. Патентуя свои лампы в России, Эдисон указал в заявке, что претендует лишь на «совершенствование в проведении электрического света», не отрицая, что принцип действия ламп накаливания был разработан до него. Сравнивая лампы Эдисона и Лодыгина, мы видим, что Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам никаких революционных изменений в лампу Лодыгина Эдисон не внёс.

Так в чем же его заслуга? Прежде всего, в том, что он изобрел и создал надсистему для этой лампы и поставил на поток производство «лампочки для народа», сильно удешевив её стоимость. Конечно же, кустарная мастерская Лодыгина не могла тягаться в скорости производства с заводами Эдисона. Но у лампы с угольной нитью даже после того, как над ней потрудился Эдисон, оставалось два недостатка: они давали тусклый желтоватый свет и расходовали довольно много тока.

С чисто американским практицизмом Эдисон просчитал, сколько будет стоить новый источник света потенциальному покупателю и каким образом сделать его эксплуатацию экономически рентабельной. В 1879 г. «лампа Эдисона» была запатентована, а вслед за тем, превратившись в торговую марку, начала свое триумфальное шествие по планете. Лампочка состояла из герметического стеклянного баллона, держателей спирали и собственно спирали. Спираль изготовлена из вольфрама, температура плавления которого равна 3410 °C. Еще одно важное свойство вольфрама – крайне высокая пластичность. Из 1 кг этого материала получается около 4 км проволоки. Держатель делают из молибдена, не уступающего вольфраму в тугоплавкости. Что ещё привлекательно в молибдене, так это чрезвычайно малый коэффициент линейного расширения. При нагревании молибден увеличивается в размере так же, как стекло, благодаря этому стекло не трескается и герметичность лампы не нарушается. В 1906 г. американская фирма «Дженерал Электрик», организованная Эдисоном, выкупает у Лодыгина патент на электрическую лампу освещения.

В 1912 г. Эдисон разрабатывает лампы, наполненные инертным газом – аргоном или азотом. Это позволяло повысить температуру нити накаливания и мощность излучения. Несмотря на свой талант, а за всю свою жизнь Эдисон получил 1093 патента, он не всегда мог оценить перспективность отдельных направлений развития электротехники. Вся система его электрического хозяйства была основана на постоянном токе. Наиболее активный его конкурент – Вестингауз, продвигал переменный ток, так как его передача на расстояния и использование было дешевле, чем для постоянного тока. Борьба между этими двумя направлениями ещё больше усилилась после того, как переменный ток законодательно был принят как средство приведения в исполнение смертного приговора вместо повешения. С целью задержать продвижение переменного тока Эдисон внёс в сенат штата Вирджиния проект закона, запрещающего применять переменное напряжение выше 200 В. Однако этот проект был отклонён. Ирония судьбы заключается в том, что из компании Эдисона в дальнейшем возникла «Всеобщая компания электричества» («Дженерал электрик»), основной продукцией которой долгое время были трансформаторы переменного тока.

Современная лампа накаливания немногим отличается от ламп начала ХХ века. Для того чтобы нить лампы работала длительное время, из баллона выкачивают воздух, заполняя её инертным газом. Один конец вольфрамовой спирали выведен через утолщённую часть баллона и припаян к винтовой металлической нарезке на цоколе. Другой конец спирали припаивается к контакту в центральной части цоколя. Оба конца спирали изолированы друг от друга стекловидной изолирующей массой. Стеклянный баллон приклеивается в металлическому цоколю огнеупорным неорганическим клеем. На рис. приведено изображение бытовой осветительной лампы, где 1 – стеклянный баллон, 2 – цоколь, 5 – винтовая нарезка цоколя, 6 – торцевой контакт, 7 – изоляционный слой, 8 – тарелочка, 9 – отверстие для выкачивания воздуха, 10 – электроды, накаливания 13 – стеклянная трубочка. Лампа с помощью винтовой нарезки цоколя ввинчивается в электропатрон, который соединяется с электропроводкой. Бытовые лампы накаливания имеют мощность от 10 до 300 Вт. Срок службы таких ламп составляет около 1000 часов, при условии, что напряжение в сети не превышает допустимые пределы. Лампы промышленного назначения могут иметь мощность до 1 кВт и более. На рис. 7 приведена мощная лампа, используемая в кинопроекторах. Срок службы мощных ламп может быть Рис. 7. Мощная лампа очень небольшим – от 5 до 50 часов. На верх- накаливания Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам ней части стеклянного баллона указывается рабочее напряжение и мощность лампы. Отметим, что в разных странах мира рабочее напряжение бытовых приборов может быть отличающимся друг от друга. К примеру, в Японии используется переменное напряжение 100 В, в США – 120 В, в Саудовской Аравии – 127 В и т.д. Однако в большинстве стран используется напряжение в диапазоне 220–240 В.

Первые электровакуумные приборы В 1883 г. Эдисон, экспериментируя с лампой накаливания, заметил, что внутренняя поверхность стеклянных колб у работающих ламп постепенно темнеет. Причём угольный налёт равномерно покрывал почти всю поверхность колбы, кроме небольшой полоски в месте крепления нити накаливания. По мнению Эдисона, угольный налёт в колбе мог появиться от угольной нити. Однако почему при этом часть поверхности оставалась чистой, Эдисон объяснить не мог. Для выяснения этих причин он поместил между двумя опорными ножками для нити небольшую металлическую пластинку. К этой пластинке можно было подключать конец нити накаливания с различным напряжением. В своих экспериментах Эдисон обнаружил, что когда эту пластинку соединяли с положительным полюсом электрической батареи, а нагретую нить накаливания при этом соединяли с отрицательным полюсом, то через вакуум и пластинку проходил небольшой ток. Однако при этом никакого свечения не наблюдалось. Если же к пластинке присоединялся отрицательный полюс батареи, то ток не наблюдался. По сути, это была первая электронная лампа, в которой Эдисон наблюдал явление термоэлектронной эмиссии. Это был первый ламповый диод. Он пропускал ток только в одном направлении и мог использоваться для преобразования переменного тока в постоянный. Однако Эдисон не мог объяснить это явление и не увидел в нём явление огромной важности. Позднее это явление получило название «эффект Эдисона». На рис. 8 изображена лампа, на которой Эдисон наблюдал свой знаменитый эффект.

В 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон. И это открытие привело к тому, что помощник Эдисона Джон Амброуз Флеминг смог объяснить эффект Эдисона. Эффект объяснялся тем, что раскалённая угольная нить испускала электроны, которые через вакуум притягивались к положительной заряженной металлической пластинке, и в цепи наблюдался небольшой ток. Если же пластинка была заряжена отрицательно, то отрицательно заряженные электроны отталкивались от неё и ток не шёл в цепи. Дж. Флеминг установил, что такая лампа накаливания с как выпрямитель для высокочастотных колебаний. Это позволяло использовать её как детектор радиосигналов. В 1904 г. Д. Флеминг получил Рис. 8. Лампа Эдисона передовые идеи того времени. Например, он отверг квантовую гипотезу М. Планка.

Электронные приборы, работа которых основана на движении электронов в вакууме при различных электрических полях, называются электровакуумными приборами [5, 8, 30]. Принцип действия этих приборов основан на явлении электронной эмиссии. Электронной эмиссией называется явление испускания телом электронов в окружающее его пространство. Различают несколько видов такой эмиссии. Очевидно, что для того чтобы электроны могли оторваться от твёрдого тела, им необходимо сообщить дополнительную энергию. В зависимости от того, каким образом эта энергия сообщается электронам, различают следующие виды электронной эмиссии: термоэлектронную, электростатическую, фотоэлектронную и вторичную. Наиболее часто используется термоэлектронная эмиссия – способность металла испускать свободные электроны при нагревании в вакууме. В нагретом металле электроны имеют различную энергию. Часть из них имеет энергию, достаточную для того, чтобы покинуть металл и выйти в окружающий вакуум. Вылетевшие электроны создают у поверхности металла отрицательно заряженный слой (рис. 9). А вблизи поверхности металла оставшиеся ионы создают слой, заряженный положительно. Такая конфигурация называется двойным электрическим слоем. Он создаёт электрическое поле, Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам которое притягивает электроны, находящиеся в вакууме, внутрь объёма металла. Для преодоления такого двойного электрического слоя и выхода из металла в вакуум электрон должен обладать дополнительной энергией для выполнения работы по выходу из металла. Такую работу выхода выражают в электрон-вольтах (эВ). Эта величина постоянна для каждого металла. Например, для вольфрама она равна 4,52 эВ, для бария 2,52 эВ и т.д. Очевидно, что для большей эффективности термоэмиссии необходимо использовать вещества с малой работой выхода. К примеру, смесь окиси бария и чистого бария имеет работу выхода, равную 1,1 эВ.

Именно этот состав, с добавлением стронция и кальция, используют в катодах с непрямым подогревом.

Автоэлектронная, или «холодная», Рис. 9. Двойной электрический воздействием сильных электрических полей, которые способны придавать электронам энергию, достаточную для того, чтобы покинуть поверхность металла. Фотоэлектронная эмиссия – способность испускать электроны при облучении металла световым потоком большой интенсивности. Вторичная эмиссия – излучение вторичных электронов под действием соударения с поверхностью металла первичных электронов с высокой кинетической энергией. При таком соударении каждый первичный электрон способен «выбивать» с поверхности материала несколько вторичных электронов.

В большинстве электровакуумных электронных приборов для создания электронного потока используется термоэлектронная эмиссия.

Электрод, который за счёт своего разогрева создаёт электронный поток, называют катодом. Катоды бывают прямого и косвенного накала. Первые катоды прямого накала выполняли из вольфрама или молибдена.

Рабочая температура таких катодов порядка 2100–2300 °С. Такая высокая температура приводила к тому, что лампа потребляла много энергии для разогрева катода, а также к тому, что постепенно поверхность катода окислялась остаточными газами, и затем из-за локальных перегревов нити катода он перегорал. Срок службы таких ламп составлял 200– 1000 часов. Кроме того, при прямом нагреве катода, который обычно разогревался переменным током, наблюдались флуктуации температуВ.П. Леонов ры и анодного тока. В дальнейшем поиск материалов с высокой эмиссией при низкой температуре привёл к тому, что стали широко использоваться никелевые катоды, которые покрывались оксидами бария и стронция, с косвенным подогревом вольфрамовой спиралью. Эти соединения обладали хорошей эмиссией электронов уже при температуре 800–900 °С.

Катоды косвенного накала состоят из подогревателя и керна – собственно излучателя электронов, на который наносят слой металла с небольшой работой выхода электрона. Такие катоды имеют рабочую температуру значительно ниже, чем катоды прямого накала. В качестве керна обычно используют барий, стронций и их окислы. Эффективность генерации электронного потока в расчёте на единицу мощности, используемой для разогрева катода, выше у катодов косвенного накала в 5–10 раз. При этом рабочие температуры таких катодов были значительно ниже, чем у вольфрамовых. Так, у оксидированных катодов это 630–830 °С, у бариевых – 430–630 °С, а у цезиевых – 380–430 °С. Соответственно срок службы таких катодов возрастает в несколько раз.

В электровакуумных электронных приборах скорости движения электронов очень велики. Например, при напряжении между катодом и анодом 100 В скорость электрона при достижении анода равна 6106 м/с.

В силу столь больших скоростей процессы в электровакуумных электронных приборах можно считать практически безынерционными. Недостатком же таких приборов считается необходимость их разогрева для установления рабочего режима в течение 3–5 минут.

Электровакуумный диод Вся история электровакуумной электроники – это история совершенствования вакуумной техники и тех материалов, которые размещались внутри электровакуумных приборов. Понятие вакуум (от лат. Vacuum – пустота) имеет непростую историю. Древнегреческий философ Демокрит считал вакуум одним из «начал мира». В 1211 г. в уставе первого в мире Парижского университета прямо указывалось, что естествоиспытатели не должны заниматься вопросами пустоты, вакуума, поскольку это предмет изучения богословов. Научный подход к изучению вакуума как одного из состояний газа наступил в 1643 г., когда Эванжелиста Торричелли, ученик великого Галилео Галилея, смог измерить атмосферное давление. Используя стеклянную трубку с ртутью, он установил, что давление атмосферы равно давлению столба ртути высоГлава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам той 760 мм. В 1883 г. Томас Альва Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии из раскалённых металлических проводников. А уже в 1884 г. итальянский изобретатель А. Малиньяни впервые использовал для создания высокого вакуума в лампах газопоглотитель остаточных газов. В качестве газопоглотителя он использовал фосфор. В дальнейшем такие поглотители стали называть геттерами и широко использовали их в производстве электровакуумных приборов. На их основе были разработаны и геттерные (поглотительные) вакуумные насосы. В 1905 г. был изобретён первый механический вакуумный насос Геде, а в 1914–1916 гг. американский физик Ирвинг Лэнгмюр и профессор Петроградского университета С.А. Боровик, независимо друг от друга, разработали ртутный диффузионный насос, который мог создавать давление в 10–7 мм рт. ст. Совершенствовались как вакуумные насосы, так и средства измерения вакуума. В СССР был создан Научно-исследовательский вакуумный институт. Сегодня вакуумная техника может создать и измерить давление в 1018 раз меньшее, чем атмосферное. При таком давлении в 1 см3 остаётся лишь 30 молекул газа.

Одновременно с развитием вакуумной техники шло изучение явления термоэлектронной эмиссии. В 1901 г. Оун Вильямс Ричардсон вывел уравнение термоэлектронной эмиссии для металлов. В своей теории термоэмиссии он принял, что распределение электронов по скоростям подчиняется закону Максвелла. За этот цикл работ по термоэлектронной эмиссии Ричардсон был награждён в 1928 г. Нобелевской премией.

Электровакуумный диод представляет собой двухэлектродную лампу, в которой кроме катода расположен ещё и второй электрод – анод.

Термин «катод» ввёл в обращение в 1834 г. английский учёный Майкл Фарадей. Греческое слово «катодос» (kathodos) означает спуск. Тогда как «анодос» (anodos) – путь вверх. Ранее учёные думали, что электрический ток течёт от положительного электрода к отрицательному, и потому дали электродам такие названия. Реально же электроны движутся от катода к аноду. Эти электроды размещены в стеклянной или керамической колбе, из которой откачан воздух. При подаче на анод положительного (относительно катода) напряжения электроны, испускаемые катодом, под действием поля движутся к аноду. Так создаётся анодный ток. Если же на анод подать отрицательное (относительно катода) напряжение, то ток прекратится. Таким образом, электровакуумный диод может выполнять выпрямление переменного тока.

На рис. 10 приведено схематического изображение диодов с катодами прямого и косвенного накала. Катоды с косвенным накалом (рис. 10, а) выполняются в виде металлического цилиндра, внутри которого расположена спираль – нить накала (рис. 10, б). При подаче на неё напряжения происходит разогрев катода и наблюдается термоэлектродная эмиссии. У катодов прямого накала напряжение накала подаётся непосредственно на сам катод. На рис. 11 приведены схематичные изображения диодов с прямым и косвенным катодами. Анодом называется электрод, находящийся под положительным потенциалом. Именно к аноду стремятся электроны, которые эмиттирует катод [5, 8, 26, 30].

При подаче между катодом и анодом напряжения создаётся ускоряющее электрическое поле для электронов, которые вылетают с поверхноРис. 11. Изображения диодов Рис. 10. Катод косвенного сти разогретого катода. При попадании этих электронов на анод через диод протекает прямой ток анода Ia. Если же подать на анод отрицательное напряжение (относительно катода), то для электронов, вылетающих из катода, образуется тормозящее электрическое поле. По этой причине они будут располагаться вблизи катода и ток через анод будет равен нулю. Отметим, что принципиальное отличие электровакуумных диодов от полупроводниковых заключается в том, что вследствие отсутствия в металле неосновных носителей обратный ток в них полностью отсутствует. Для большинства конструкций вакуумных диодов зависимость анодного тока от напряжения на аноде, так называемая вольт-амперная характеристика (ВАХ), описывается следующим выражением: Ia = kUa3/2, где коэффициент k зависит от конструкции диода и площади анода. Данное уравнение называют также законом «трёх вторых», или законом Чайльда – Лэнгмюра. На рис. 12 изображена теореГлава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам тическая ВАХ диода, построенная по этому закону (кривая 1), и реальные ВАХ диодов (кривые 2 и 3). Кривая 1 отвечает расчётной формуле, кривая 2 – случаю косвенного накала и кривая 3 – случаю прямого накала. При увеличении напряжения накала (Uн2 < Uн1) зависимость становится более крутой (pис. 13).

Электровакуумные диоды, применяемые для выпрямления переменного тока, называют кенотронами. Когда используется всего лишь один диод, то говорят об однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим процесс выпрямления в этом случае. На рис. 14 изображён график переменного напряжения, подаваемого на такой выпрямитель. В течение первого полупериода анод диода будет находиться под положительным потенциалом относительно катода (участок 1–2 на рис. 14) и ток будет проходить через диод. В течение же второго полупериода напряжения (участок 3–4 на рис. 14) анод диода относительно катода будет находиться под отрицательным потенциалом и ток протекать через диод не будет. Поскольку диод пропускает ток только в одном направлении, то на выходе однополупериодного выпрямителя будет следуюВ.П. Леонов щий график напряжения (рис. 15). Такой ток является импульсным, с частотой приложенного напряжения. Для того чтобы напряжение на выходе выпрямителя не было пульсирующим, используют разнообразные фильтры. Для этого параллельно резистору нагрузки включают конденсатор С. В зависимости от ёмкости этого конденсатора изменяется и график выходного тока. Обычно для этих целей используют конРис. 15. График выходного напряжения денсаторы большой ёмкости, порядка сотен или тысяч микрофарад. В первый полупериод (участок 1–2 на рис. 14) конденсатор запасает энергию. Во время второго полупериода (участок 3–4 на рис. 14) конденсатор медленно разряжается на сопротивление нагрузки. Время полного разряда конденсатора через параллельно подключенный резистор определяется величиной t = RC, называемой постоянной времени. В зависимости от величины R значение ёмкости С подбирается таким образом, чтобы постоянная времени была в тысячи раз больше длительности одного полупериода. По этой причине за небольшой период времени t напряжение на конденсаторе снижается лишь на небольшую величину (рис. 16, C3 > C2 > C1). В итоге напряжение на резисторе будет хотя и Рис. 16. График сглаженного выходного напряжения пульсирующим, однако с меньшей амплитудой пульсаций, нежели без конденсатора (рис. 17).

Используя один лишь конденсатор, добиться уменьшения пульсаций невозможно. Для этой цели используют фильтры, состоящие из конденсатора и индуктивности (LC-фильтр). Схема такого выпрямителя приведена на рис 18. Условные обозначения на этом рисунке следующие: Л – лампа (диод), L – индуктивность, C – ёмкость. Качество выГлава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам Рис. 17. График выходного напряжения в схеме прямленного напряжения характеризуют коэффициентом пульсации, равным отношению амплитуды переменной составляющей к постоянной. Приемлемым коэффициентом считается величина порядка 0,01.

В качественных выпрямителях с несколькими каскадами LC-фильтров значение коэффициента может уменьшаться до сотых и тысячных долей процента. Условное обозначение выпрямительных диодов состоит из нескольких цифр и букв. Первые цифры указывают напряжение накала на катоде в вольтах, после чего располагается буква, указывающая назначение диода: Ц – кенотрон (выпрямитель), Х – детектор, Д – демпфер колебаний. После чего следуют цифры, указывающие номер разработки. В конце обозначения расположена буква, которая обозначает тип корпуса и надёжность диода: С – стеклянный, П – миниатюрный стеклянный (пальчиковый), К – керамический, И – импульсный. В справочниках приводятся более подробные характеристики, включающие внутреннее сопротивление диода, предельную рабочую частоту, допустимое обратное напряжение на аноде и т.д. К примеру, для диода 6Ц4П обратное максимальное напряжение равно 1000 В, а для диода 1Ц11П, применяемого в телевизорах, оно равно 20 кВ. Надёжность электровакуумных диодов характеризуется временем наработки на отказ, после котоВ.П. Леонов рого параметры диода могут измениться. Для диодов оно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. В современной аппаратуре вакуумные диоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми диодами.

Электровакуумный триод и многосеточные лампы Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г., когда А.С. Попов выступил с публичным докладом и демонстрацией работы своего радиоприёмника на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге. Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа: радиотелеграфный, радиотехнический и этап собственно электроники. Первый и второй этапы непосредственно связаны с развитием технологии и промышленности вакуумных радиоламп. Помимо детектирования и выпрямления в радиотехнике начала ХХ века требовалось усиливать радиосигнал. Для того чтобы иметь дополнительную возможность управления анодным Рис. 19. Схема триода На рис. 19 приведена схема конструкции первого лампового триода. На основе триода Ли де Форест разработал несложный усилитель низкочастотных колебаний – аудион. Условное графическое изображение триода приведено на рис. 20.

Когда на сетке нет напряжения, то сетка Рис. 20. Условное не оказывает воздействия на поле анода и обозначение триода Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам возникает протекающий ток. Если же на сетку подано положительное напряжение (относительно катода), то действие поля на электроны усиливается и ток анода возрастает, так как ускоряющее поле между сеткой и катодом складывается с ускоряющим полем между анодом и катодом.

Однако данный режим работы триода не используется, так как в этом случае часть электронов попадает при этом на сетку и создаёт таким образом сеточный ток, который ухудшает работу лампы. В основном триод работает при отрицательном (относительно катода) напряжении на сетке. На рис. 21 изображено электрическое поле в триоде. Если же подать отрицательное напряжение на сетку (относительно катода), то поле сетки будет противодействовать полю анода, отталкивая летящие электроны назад, к катоду. При этом анодный ток уменьшится. При больших отрицательных напряжениях на сетке между катодом и сеткой создаётся такое тормозящее электрическое поле, что все электроны, эмиттирующие из катода, будут отталкиваться к катоду, и ток анода будет равен нулю. Такое напряжение на сетке, при котором анодный ток становится равным нулю, называется напряжением запирания. Благодаря тому, что сет- Рис. 21. Электрическое поле ка находится ближе к катоду, чем к аноду, в триоде небольшие колебания сеточного напряжения вызывают значительные колебания анодного тока. Эти изменения влияют на анодный ток сильнее, чем такие же изменения напряжения на аноде. На основании этого сигнал, а анодная цепь является выходной (рис. 22). Коэффициент усиления в триодах находится в интервале 50 – 100 [5, 8, 19]. Условное Рис. 22. Схема усиления на триоде состоит из нескольких цифр и букв. Первая цифра указывает напряжение накала на катоде в вольтах, после чего располагается буква, указыВ.П. Леонов вающая назначение триода: С – триод, Н – двойной триод. Далее идёт номер разработки. В конце обозначения расположенa буква, которая обозначает тип корпуса и надёжность. Например, 6С15П – усилитель колебаний, 6С33С – стабилизатор напряжения и т.д. Кроме усилителей входного сигнала триоды широко использовались и в импульсной технике. Например, в ламповых телевизорах для управления кадровой и строчной развёрткой использовался блокинг-генератор на одном триоде (рис. 23). Для генерации импульсов и П-образного напряжения практиРис. 23. Блокинг–генератор на триоде чески все схемы выполнялись на двойных триодах – схема симметричного мультивибратора (рис. 24).

Недостатком триода был небольшой коэффициент усиления – несколько десятков, а также большая ёмкость анод – сетка. По этой причине на коротких волнах нельзя было получить достаточного усиления сигнала. С целью уменьшения этой ёмкости между анодом и сеткой, в Рис. 24. Симметричный мультивибратор Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам вался СБ-154 и имел по сравнению с триодом просто огромный коэффициент усиления – более 1000! В середине 30-х годов прошлого века такие лампы стали наиболее популярны в радиоприёмниках. В обозначении этих ламп использовалась буква «Э», что означало «экранированная». Для уменьшения воздействия внешних электрических полей на внутреннюю поверхность стеклянного баллона наносилось тонкое металлическое покрытие, соединённое внутри баллона с анодом. Несмотря на высокий коэффициент усиления, тетрод имел свой недостаток. Он заключался в наличии провала на кривой ВАХ (рис. 25). Это явление назвали динатронным эффектом. В 1926 г. фирмой «Филипс» был выпущен пентод – лампа с пятью электродами и тремя сетками. Третья сетка находилась между второй и анодом. На неё подавалось напряжение, более низкое, чем на второй сетке и аноде, чаще всего ее просто соединяли с катодом. Третья сетка была предназначена для борьбы с «динатронным эффектом» – попаданием на вторую сетку электронов, выбитых из анода (этот эффект называется вторичной электронной эмиссией). СетРис. 25. Динатронный эффект на тетроде ка их «отталкивала» и «возвращала домой» – на анод. В результате очень скоро тетроды были вытеснены пентодами. Другое новшество в конструкциях пентодов заключалось в использовании сеток переменной густоты. Это позволяло реализовать схемы с автоматической регулировкой усиления. В результате этого можно было качественно принимать с относительно одинаковой громкостью как удалённые маломощные радиостанции, так и близко расположенные мощные местные радиостанции. Такие пентоды получили название «варимю».

В лампах с 6 электродами было уже 4 управляющих сетки. Однако их выпуск так и не был освоен отечественной промышленностью, тогда как лампу с семью электродами ждала долгая жизнь. Таких ламп было две модификации – гептод и пентагрид. Первые такие лампы были выпущены в 1930 г. и использовались вплоть до конца 70-х годов прошлого века. Наконец в 40-е годы прошлого века были разработаны и лампы с 6 сетками – октод, и 7 сетками – нонод. Такие лампы имеют большие коэффициенты усиления (до 1000 и более) как на низких, так и на высоких частотах. Отметим также, что характеристики полевого транзистора больше похожи на характеристики пентода, чем на характеристики триода. Достаточно большое количество радиоламп выпускалось в виде совмещённых, сдвоенных ламп. То есть в одном баллоне размещалось сразу две лампы. Например, диод – триод, триод – пентод, триод – гептод и т.д. В связи с этим цоколи таких комбинированных ламп вместо 6 ножек имели 8–9 и даже 10–12. В таких лампах размещались 2–3 независимые лампы. Выигрыш заключался в снижении потребляемой мощности и стоимости, так как заменялось сразу несколько отдельных ламп и обеспечивался суммарный коэффициент усиления порядка 30 000 [5, 8, 13].

Первые радиолампы в России были изготовлены Н.Д. Папалекси в 1914 г. в Петербурге. Из-за отсутствия совершенной откачки они были не вакуумными, а газонаполненными (с парами ртути). С 1914 г. в России в лаборатории завода «Русского общества беспроволочных телеграфов и телефонов» стали выпускаться первые усилительные и генераторные триоды, которые назывались «лампы Папалекси», или катодные реле. Их производство способствовало быстрому развитию радиотехники в России. Первые вакуумные приёмно-усилительные лампы были изготовлены в 1916 г. М.А. Бонч-Бруевичем, который в 1918 г. возглавил разработку отечественных усилителей и генераторных радиоламп в Нижегородской радиолаборатории. Там был создан в стране первый научный радиотехнический институт с широкой программой действий.

Нижегородская лаборатория стала кузницей кадров радиоспециалистов, в ней зародились многие направления радиотехники, в дальнейшем ставшие самостоятельными разделами радиоэлектроники. В марте 1919 г. начался серийный выпуск электронной лампы РП-1, что означало «реле пустотное, разработка номер первый». К 1929 г. число типов приемно-усилительных ламп настолько возросло, что появилась необходимость введения единой системы их наименования. Была принята буквенно-цифровая система, которая сохранялась до начала 1940-х годов. Первая буква в обозначении лампы указывала на ее категорию: П – приемная, У – усилительная, С – специальная, В – выпрямительная, Т – трансляционная, Н – низкочастотная. Вторая буква характеризовала катод: Т – торированный, К– карбидированный, О – оксидированный.

Входившее в условное наименование число, обычно заводской номер разработки, служило для различения ламп, принадлежащих к одной и Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам той же категории. В соответствии с этой системой лампы типов Р-5, «Микро», МДС, ПТ-19 и К2-Т получили новые наименования: П-7, ПТ-2, СТ-6, СТ-19 и ВТ-14 соответственно. На рис. 26 приведена фотография ламп выпуска 30-х годов прошлого века. В 1920 г. Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт, а в 1923 г. – мощностью до 25 кВт.

В Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым в 1922 г. была открыта возможность генерировать и усиливать радиосигналы с помощью полупроводниковых приборов. Им был создан безламповый примник – кристадин. Однако в те годы не были разработаны способы получения полупроводниковых материалов, и его изобретение не получило распространения. Первый отечественный ламповый радиоприемник назывался «Радиолина», его выпуск был начат в 1924 г. «Трестом заводов слабого тока» (рис. 27).

Рис. 26. Радиолампы выпуска Рис. 27. Радиоприемник Превращение радио в бытовое информационное устройство 28 июля 1924 г. Совет Народных Комиссаров СССР издал Постановление «О частных приемных радиостанциях», которое открыло широкий простор для радиолюбительства. В 1924 г. инженер Э.Я. Борусевич, работавший в те годы в Ленинграде в Центральной радиолаборатории, создал первый радиоприемник, предназначенный для широкого пользования и продажи населению. Это был детекторно-ламповый приемник с обратной связью, называвшийся «БВ» (расшифровывается как Борусевича Всеволновый) (рис. 28). Работал приемник от сухих батарей (или аккумуляторов) в диапазоне от 300 до 1875 м на головные телефоны.

«БТ» (трехламповый) и «БЧ» (четырехламповый) (рис. 29). Их массовый выпуск начался с 1925 г. «БЧ», принимая все радиостанРис. 28. Радиоприемник Рис. 29. Радиоприемник ции в диапазоне от 340 до 1800 м, сыграл основную роль в радиофикации рабочих клубов, изб-читален, в оснащении городских и сельских радиотрансляционных узлов. В 1928–1931 гг. серия приемников типа «Б» пополнилась усовершенствованными образцами – «БЧН2 (новый), «БЧЗ» (закрытый), «БШ2 (шестиламповый). К тому времени появились и специальные выпрямители, обеспечивающие работу этих приемников от осветительной электросети. Поскольку ламповые приемники стоили сравнительно дорого, инженер Э.Я. Борусевич одновременно разработал различные детекторные радиоприемники, выпускавшиеся промышленностью страны. Так, в 1925–1926 гг. массово выпускался первый детекторный приёмник «П-4».

Выпуск радиоламп в большом количестве привёл к тому, что во многих странах началось массовое увлечение радиолюбительством. Несложные коротковолновые радиоприёмники, которые собирали сами радиолюбители, позволяли устанавливать связь между континентами.

23 мая 1928 г. дирижабль «Италия» под командованием генерала Умберто Нобиле, благополучно миновав Европу, летел от острова Шпицберген к Северному полюсу. На борту дирижабля находился радиотелеграф. Дирижабль успешно достиг Северного полюса и направился назад. Вскоре телеграфист сообщил, что началась буря, и затем радиоГлава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам связь прервалась. Три дня от экспедиции не поступало никаких сообщений. 3 июня 1928 г. в Москву пришла телеграмм из деревни Вохма Архангельской области. Радиолюбитель Николай Шмидт, киномеханик по профессии, сам собравший радиоприёмник на одном тетроде и самостоятельно выучивший азбуку Морзе, смог принять на нём сообщение, в котором повторялись слова: Италия, Нобиле, SOS, SOS, SOS… Получив его, он отправил телеграмму в Москву о том, что экспедиция У. Нобиле потерпела катастрофу. Шесть государств мира стали готовить спасательную экспедицию. Советский ледокол «Красин» с трёхмоторным самолётом на борту нашёл экспедицию У. Нобиле, и 12 июля она была спасена. Первая благодарственная телеграмма от спасённых полярников была адресована советскому радиолюбителю Николаю Шмидту. Так простейший детекторный радиоприёмник с одним тетродом помог спасти экспедицию У. Нобиле. Детекторные радиоприёмники выпускались ещё в течение 20 лет.

Конструкции электровакуумных приборов постоянно совершенствовались. Нередко в одном баллоне совмещали две разных лампы, например диод – пентод или триод – пентод и т.д. Это позволило очень удобно реализовывать типовые радиотехнические схемы. Лампы становились всё более миниатюрными. Спектр их размеров колебался от полуметра и более до нескольких миллиметров.

В эти же годы во многих странах мира стали широко применяться низкочастотные направленные радиомаяки, которые использовались для навигации полётов самолётов в ночное время. Большое распространение получила аппаратура радиотелефонной связи для самолётов и морских судов. Она обеспечивала их оперативной информацией о погоде, которая ожидалась на пути к месту назначения и в месте прибытия.

В наиболее крупных промышленно развитых странах стала формироваться электронная промышленность, выпускающая электронные лампы, радиоприёмники, радиопередатчики и т.д. Фактически создавалась новая индустрия. Так, в середине 1930 г. в США численность батарейных и сетевых радиоприёмников достигала 11,5 млн штук. И это при том, что радиоприёмники в то время стоили очень дорого. Средняя цена радиоприёмника в 1927 г. достигала 124 доллара, снизившись до долларов в 1929 г. Эта цена равнялась месячной зарплате рабочего в промышленности. В 1929 г. студент университета г. Детройта Роберт Бэттс сконструировал радиотелефонный приёмник, содержащий 6 радиоламп, для патрульного полицейского автомобиля. Начиная с 1930 г.

фирмой Motorola был налажен массовый выпуск таких приёмников.

Первые аппараты, позволявшие передавать и принимать устные сообщения, были установлены на патрульных полицейских машинах в г. Байонне (штат Нью-Джерси) в 1933 г. Эти приёмопередающие устройства работали на частоте 33 Мгц. В дальнейшем к производству таких устройств подключились многие другие фирмы. В результате внедрения радио на полицейских машинах Федеральная комиссия связи США в 1936 г. выделила для полицейской связи фиксированный диапазон частот от 30 до 40 МГц.

Все эти факторы, в совокупности с широким распространением радиолюбительства, привели к необходимости создания международного регулирующего органа, который бы обеспечивал согласование международных стандартов по радиосвязи, выделение радиочастот и т.д., что, в конечном счёте, сводило бы к минимуму уровень помех в радиосвязи.

В сентябре 1929 г. в Гааге состоялась первая учредительная конференция Международного технического консультативного комитета по радиосвязи (МККР).

Электронно-оптические индикаторы Кроме усилительных радиоламп электровакуумные приборы использовались и по другому назначению. Отдельная группа таких приборов использовалась в качестве индикаторов. В просторечьи такие приборы называли «глазок». Их назначение заключалось в визуальном отображении значения или состояния отдельного параметра или узла аппаратуры. Это мог быть уровень напряжения, уровень записи на магнитофоне, уровень полезного сигнала и т.п. Все эти приборы отличало то, что величина отображаемого сигнала была пропорциональна площади или размеру светящейся области на экране. Таких электроннооптических индикаторов было разработано немногим более десяти модификаций. Наиболее часто они использовались как индикаторы точной настройки в радиоприёмниках. По мере приближения настройки примника к передающей частоте станции, светящийся сектор такого индикатора расширялся. Угол раскрытия такого сектора составлял около 100°. Если остальные радиолампы размещались внутри корпуса радиопередатчика или радиоприёмника, то «глазок» размещался таким образом, чтобы был доступен внешнему наблюдению. Обычно их размещали на лицевую панель радиоустройства. Со временем такие индикаторы заменялись стрелочными указателями.

Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам Газонаполненные электронные лампы В отличие от рассмотренных выше радиоламп, газонаполненные лампы работают на иных принципах. В обычных радиолампах электроны движутся в электрическом поле в условиях вакуума, тогда как в газонаполненных лампах такое движение происходит не в вакууме, а в специальной газовой атмосфере. При этом кроме электронов в этом газе находятся и тяжёлые ионы, заряженные как положительно, так и отрицательно. Для создания таких ионов используются либо газы, такие как кислород, азот, водород, неон и гелий, либо пары металлов, таких как ртуть, натрий, барий. Не рассматривая в деталях процесс работы таких двухэлектродных ламп, отметим, что многие из них применяются для стабилизации напряжения (стабилитроны). Такая же лампочка, наполненная неоном, используется в качестве индикатора напряжения. Другое направление их применения – выпрямление переменного тока промышленной частоты при токах до нескольких тысяч ампер и напряжении в десятки и сотни киловольт. Потребность в таких лампах появилась в развивающихся в 20–30-е годы прошлого века новых отраслях промышленности, таких как выплавка алюминия, городской электротранспорт, гальванические производства, рентгеновские аппараты и т.д.

Все эти производства требовали мощные источники постоянного тока.

В таких лампах используется дуговой разряд в парах ртути. В лампах под названием игнитроны катодом является жидкая очищенная ртуть, которая заливается в специальное углубление стеклянной колбы. И для того чтобы такая лампа могла войти в рабочий режим, необходимо было специальной резиновой кувалдой бить по толстостенному стеклянному корпусу лампы, чтобы расплескать ртуть внутри лампы. Весили такие лампы до 100 и более килограммов. Кроме двухэлектродных газонаполненных ламп имеются и трёхэлектродные лампы – тиратроны.

Довольно большая группа газонаполненных ламп используется для индикации различных знаков – цифр, букв и других символов. В этих лампах электроды выполняются в виде необходимых символов и при разряде вокруг них образуется розоватое или оранжевое свечение.

Прочие электронные лампы Помимо электронных ламп широкого применения в информационной технике использовались и лампы ограниченного, специального применения. Одной из таких специальных ламп был так называемый электрометрический «шумовой» диод. Предназначение этой лампы заВ.П. Леонов ключалось в генерации белого шума. Когда мы используем компьютерную мышь, то не должны забывать, что первый преобразователь механических воздействий в электрические сигналы был выполнен в виде радиолампы. Такая лампа называлась механотроном и использовалась в качестве тензодатчика. Механотроны имели в отличие от обычных электронных ламп один или два подвижных анода. Смещение этих электродов могло происходить под действием давления, изгибающего усилия, и других механических воздействий. В качестве чувствительного датчика использовался металлический штырь, соединённый через металлическую гофрированную мембрану с анодом. На основе механотронов выпускались преобразователи давления, угломеры, электронные весы, акселерометры (измерители ускорения) и т.д.

Последующий сдвиг радиосвязи в область коротких волн требовал новых конструкций радиоламп. Необходимо было уменьшать расстояния между электродами, уменьшать ёмкости между ними и т.д. Поскольку длины волн становились соизмеримыми с расстояниями между электродами, то старые принципы работы радиоламп переставали работать. Поток электронов в этом случае становился неоднородным, состоящим из сгущений плотности и разрежений. Именно эти особенности и позволили использовать иные физические принципы для разработки радиоламп, генерирующих и усиливающих сигналы сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Такими лампами стали клистроны, амплитроны и магнетроны. Было разработано несколько типов клистронов: отражательный, пролётный генераторный, пролётный усилительный и пролётный умножительный. Эти лампы применяются в передатчиках сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ-диапазон) мощностью от десятков до тысяч и миллионов ватт. Рекорд мощности клистрона 30 МВт (импульсная мощность, при длине импульса несколько микросекунд) продержался около 20 лет. Но в 1983 г. в Стэнфордском университете был разработан клистрон мощностью 50 МВт, а еще через 2 года там же американские и японские специалисты сделали клистрон мощностью 150 МВт. С аналогичными целями используются и лампы другой конструкции – магнетроны, широко используемые в бытовых микроволновых печах (СВЧ-печи). Магнетрон интересен тем, что это первый действительно массовый СВЧ-прибор. Магнетроны, которые используются в СВЧ-печах, впервые начали выпускать в Японии миллионами. Традиционная японская кухня предпочитает варить, парить и тушить, а не жарить. Румяная корочка (содержащая, между прочим, канцерогенные продукты термолиза низкосортных жиров) – не её цель.

Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам Тогда как СВЧ-печи как раз и делают нечто похожее на варку, парку и тушение, поскольку электромагнитная волна сверхвысокой частоты поглощается всем объемом сразу [5, 8, 31].

Идея создания магнетрона принадлежит англичанам Джону Рендаллу и Х.А. Буту. Изначально магнетрон предназначался для военных нужд и сослужил британской армии хорошую службу во время Второй мировой войны. Идея использовать микроволновое устройство для приготовления пищи возникла в послевоенные годы совершенно случайно.

В 1946 г., проводя испытания магнетрона, инженер Перси Спенсер из компании «Рейтион» заметил, что в кармане его брюк растаяла шоколадная конфета. Затем Спенсер положил возле трубки кукурузные зернышки, и за считанные минуты по полу лаборатории разлетелся свежеприготовленный попкорн. Взорвавшееся под воздействием микроволн куриное яйцо натолкнуло Спенсера на мысль о том, что нагревание продуктов при таких условиях происходит изнутри. Тогда впервые возникла идея использовать магнетрон для быстрой кулинарной обработки пищи.

В качестве усилителей в СВЧ-диапазоне широко применяются лампы бегущей волны (ЛБВ), которые имеют коэффициент усиления по мощности до нескольких сотен тысяч. В качестве генераторов СВЧдиапазона используются лампы обратной волны (ЛОВ).

Первоначально, когда радиолампы представляли собой штучные экземпляры, для их изготовления использовали баллоны обычных осветительных ламп. При этом выводы электродов делались из обычных медных проводников. При изменении радиосхемы приходилось перепаивать эти выводы, что нередко приводило к их повреждению и выходу ламп из строя. В связи с этим в дальнейшем выводы электродов стали выводить на специальный цоколь с жёсткими контактными штырьками.

Этими штырьками лампа вставлялась в специальную керамическую панель. Число штырьков, равное числу электродов в лампе, могло колебаться от 3–4 до 8 и т.д. С этой целью керамические панели стали делать с «запасом», т.е. под 8 штырьков, а далее под 9 и более штырьков (для сдвоенных ламп). Миниатюрные лампы выпускались в бесцокольном варианте. Для целей создания ламповых ЭВМ была разработана серия из 60 типов специальных сверхминиатюрных ламп, которые также использовались и в военной радиоаппаратуре. Диаметры таких ламп были от 5 до 13 мм, напряжение накала 1,2 и 2,4 В. Такие лампы использовались в бортовой аппаратуре в авиации и космонавтике. На рис. 30 представлен блок с радиолампами из ЭВМ начала 60-х годов ХХ века. А на рис. 31 представлена ламповая ЭВМ, которая контролировала траекторию полёта первого космонавта Ю.А. Гагарина.

Электронно-лучевая трубка Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) также является электронновакуумным прибором, преобразующим электрический сигнал в оптическое изображение с помощью системы генерации электронного луча и системы управления этим лучём. В ЭЛТ используется явление термоэлектронной эмиссии. Наибольшее распространение ЭЛТ получили во второй половине ХХ века как кинескопы телевизоров, мониторы осциллографов и радиолокаторов, а затем и мониторы компьютеров. Первые Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам мониторы представляли собой электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), подобную той, что используется в телевизоре [9, 26, 27].

ЭЛТ была изобретена сто лет назад (в 1907 г.) немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном. Он применил её в качестве катодного осциллографа. В 1908 г. К.Ф. Браун получил Нобелевскую премию за это изобретение. Однако до широкого практического использования ЭЛТ предстояло пройти ещё длинный путь. Развитие ЭЛТ было невозможно без глубокого теоретического изучения фотоэлектрических процессов. Русский учёный, профессор МГУ Александр Григорьевич Столетов, в 1888 г. доказал, что свет способен вызывать электрический ток.

Это явление назвали внешним фотоэлектрическим эффектом. На основе этого эффекта был создан первый фотоэлемент – прибор, преобразующий свет в электричество. А.Г. Столетов был избран вице-президентом Международного конгресса электриков, где по его предложению была принята единица электрического сопротивления – ом. Именно он ввёл в МГУ физический практикум – демонстрацию физических опытов для студентов-физиков. В 1905 г. А. Эйнштейн теоретически исследовал явление внешнего фотоэффекта и вывел второй закон фотоэлектронной эмиссии. За цикл работ в этой области он был удостоен Нобелевской премии.

В 1928 г. американский физик, эмигрировавший из России, Владимир Козьмич Зворыкин, изобрёл кинескоп – приёмную телевизионную трубку, а в 1931 г. и передающую телевизионную трубку – иконоскоп.

В последующие 20 лет приёмная и передающая трубки существенно улучшались.

В 1932 г. инженер Л.А. Кубецкий изобрёл фотоумножитель – фотоэлемент, использующий эффект вторичного электронного умножения.

Устройство работает следующим образом. Когда электроны, выбитые с поверхности фотоэлемента, ускоряются в поле первого анода, они приобретают большую энергию и, ударяясь о первый анод трубки (рис. 32), выбивают с его поверхности новые, вторичные электроны. Причём число вторичных электронов значительно превышает число первичных.

Далее вторичные электроны, ускоряясь в поле второго анода, ударяются о его поверхность и вновь выбивают вторичные электроны. Благодаря этому слабый поток первичных электронов, подобно снежному кому, на конечном каскаде умножителя приобретает большие значения. Развитие телевидения было бы невозможным, если бы не использовались фотоэлектронные умножители – ФЭУ.

ЭЛТ представляет собой стеклянную трубку цилиндрической формы с расширением в виде конуса (рис. 33). На внутренней поверхности основания расширенной части нанесён люминесцентный экран – внутРис. 33. Электронно-лучевая трубка ренняя поверхность стеклянной колбы, покрытая люминофором – веществом, способным излучать свет под ударами электронов. В качестве люминофора используются полупроводниковое соединение ZnS и другие соединения A2B6. В узкой части стеклянной колбы находится источник электронов – электронная пушка. Разогретая спираль электронной пушки испускает поток электронов, которые под действием ускоряющего электрического поля движутся к экрану. Управление электронным лучом возможно как с помощью электростатических пластин, так и с помощью электромагнитной катушки. Электронный луч, проходя через фокусирующую и отклоняющую катушки, направляется в опГлава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам ределенную точку экрана. При ударе электронов люминофорное покрытие излучает свет определённой длины волны. Разность потенциалов между двумя фокусирующими анодами подбирается таким образом, чтобы электронный луч не размывался и на экране отображался в виде отдельной точки. Аналогичной фокусировки можно добиться и с помощью магнитных линз. В частности, такие системы фокусировки применяются для большеразмерных мониторов.

Для того чтобы пользователь не наблюдал эффекта мерцания изображения на экране монитора, подбирается определённая комбинация люминофора, имеющего некоторое время послесвечения, и частоты обновления изображения. Движение электронного луча происходит слева направо. Движение электронного луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной развёртки, а по вертикали – сигналом кадровой развертки. При изменении интенсивности электронного луча меняется и интенсивность свечения тех или иных точек люминофорного покрытия.

В большинстве мониторов восстановление (регенерация) изображения производится с частотой 70–85 раз в секунду. Любое изображение на экране монитора компьютера состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами (pixel – picture element). Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали, например 640480 или 1024768 пикселей.

Цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цветного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки (триаду) люминофора, которые светятся красным, синим и зелёным цветами. При смешении этих трёх цветов получается белый цвет. Цвет излучения зависит от состава люминофора. Поскольку размеры ячеек очень малы и расположены близко друг к другу, то их свечение воспринимается глазом как суммарное. В большинстве ЭЛТ используется так называемая теневая маска, представляющая собой металлическую пластину с системой регулярно расположенных отверстий, которая размещается непосредственно перед слоем люминофора. На одну группу из трех точек разного люминофора приходится одно отверстие в теневой маске. Проходя через это отверстие, три электронных луча от трёх разных пушек, имея разную интенсивность, вызывают свечение разной интенсивности трёх цветов – красного, зелёного и голубого (рис. 34). Эти три точки визуально сливаются в одну точку на экране, того или иного цвета.

Сам процесс передачи изображения начинается с того, что оптическое изображение необходимо преобразовать в непрерывный (аналоговый) электрический сигнал. И только после такого преобразования сигнал передаётся на большие расстояния, где с помощью ЭЛТ преобразуется вновь в оптическое изображение. Для умножения первичного фототока, получаемого от оптического изображения, и применяются ФЭУ.

С этой целью используется явление вторичной эмиссии электронов.

Первичные электроны высокой энергии выбивают с поверхности анода вторичные электроны, число которых в 3–5 раз превосходит количество первичных электронов. При использовании 10–15 каскадов общий коэффициент умножения составляет порядка нескольких миллионов, а величина тока на последнем каскаде становится уже достаточной для того, чтобы использовать его в цепях телепередатчика.

Наиболее важными для монитора являются такие параметры, как высокая разрешающая способность, быстрая реакция на изменение изображения, малая электрическая мощность, малый вес, простое управление, широкая цветовая гамма, невысокая стоимость. В последние годы появились так называемые плоские экраны, работающие без использования ЭЛТ. Это газоплазменные, электролюминесцентные и жидкокристаллические мониторы (ЖКМ). LCD-мониторы (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) успешно вытесняют мониторы на ЭЛТ и становятся доминирующими в этом секторе.

Глава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам Жидкокристаллические экраны Рассмотрим основные принципы функционирования ЖКМ. Основой LCD-мониторов является вещество, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Жидкокристаллические материалы были открыты в 1888 г. австрийским ученым Ф. Ренитцером, т.е. на 10 лет раньше, чем К.Ф. Браун изобрёл ЭЛТ. Долгое время эти экзотические материалы не находили никакого практического применения.

В 1930 г. английские исследователи получили патент на их промышленное применение, однако реально этот патент стали использовать лишь через несколько десятилетий. Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America) довели дело до практического применения жидких кристаллов (ЖК). На базе ЖК был разработан термодатчик, а также было изучено воздействие на них электрического поля. В конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала цифровые часы – первый прототип LCD-монитора. Далее на основе ЖК стали выпускать наручные часы, калькуляторы, индикаторные матрицы. А в 1976 г. корпорация Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы с разрешением 160120 пикселов.

Для изготовления ЖК-экранов используются так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. В отсутствие электрического поля молекулы ЖК образуют спирали, скрученные на 90°. При такой ориентации молекул плоскость поляризации света, проходящего через ЖК-элемент, поворачивается примерно на этот же угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещенные относительно друг друга также на угол 90°, то свет беспрепятственно может проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они просто ориентируются вдоль поля). Поворота плоскости поляризации уже не происходит, и, как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет (рис. 35).

В настоящее время используются ЖК-элементы следующих типов:

STN и TFT. STN – это сокращение, означающее «Super Twisted Nematic».

Технология STN позволяет увеличить угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD-дисплея с 90 до 270°. Это обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора. Функциональные возможности LCD-мониторов расширяются за счёт встроВ.П. Леонов енных электродов, которые управляют ячейками ЖК. К каждому электроду добавляется запоминающий транзистор, который может хранить 0 или 1. Изображение на пикселе сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Такие запоминающие транзисторы производятся из прозрачных материалов, и поэтому их можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые «Thin Film Transistor» (TFT). TFT – тонкопленочный транзистор, при помощи которого контролируется каждый пиксель на экране.

Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 микрона. В первых TFT-дисплеях (1972 г.) использовался селенид кадмия, затем его заменил аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si). Технология создания TFT достаточно сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Так, монитор с разрешением 800600 пикселей в SVGA-режиме с тремя цветами имеет 1 440 000 отдельных транзисторов. Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрироГлава 1. От вакуумной электроники к полупроводникам вано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек, или субпиксельных элементов. Это означает, что у дисплея, имеющего разрешение 12801024, существует 38401024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15-дюймового дисплея TFT (1024768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,30 мм), а для 18.1" дисплея TFT – около 0,011 дюйма (или 0,28 мм). Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому все они содержат лампу задней подсветки. Для уменьшения размеров ЖКМ лампа находится сбоку, а напротив нее зеркало (рис. 36).

Плазменные панели Наряду с жидкокристаллическими мониторами всё большую популярность приобретают плазменные панели. Наибольший спрос плазменные дисплейные панели (ПДП) имеют как средство отображения рекламной информации. Это относительно новые устройства, особенно по сравнению с телевизорами и мониторами на основе электроннолучевой трубки. Изображение в ПДП формируется посредством света, излучаемого люминофором. Однако в отличие от ЭЛТ в ПДП на люминофор воздействует не поток электронов, а ультрафиолетовое излучение. Это излучение генерируется электрическим разрядом внутри ячейки ПДП, которая заполнена гелием или ксеноном (рис. 37).