Плохие изоляторы и неважные проводники

Редко кто не знает, что такое проводники и изоляторы. Все вещества в природе можно разделить на две группы: проводящие и не проводящие электрический ток, - например, медь и резина, железо и фарфор.

Представим себе на минуту, что все известные нам тела превратились в проводники. Тогда невозможно было бы удержать на них электрические заряды: они рассеивались бы во все стороны, стекали бы с них, как вода сквозь невод. И, наоборот, если бы все вещества стали идеальными изоляторами, то никакая сила не привела бы эти заряды в движение и нельзя было бы получить электрический ток вообще.

С первых дней практического применения электричества ученые и инженеры были озабочены созданием этих диаметрально противоположных по свойствам и назначению материалов. Из электротехники всячески изгонялись полупроводники - вещества, которые не были ни хорошими проводниками, ни надежными изоляторами.

В мире использования электричества все обстояло благополучно, пока речь шла о несложных или относительно медленных процессах. Но когда дело дошло до процессов, протекающих в миллионные, миллиардные доли секунды, старой электротехнике пришлось очень туго. Посудите сами. Огромное расстояние до Луны - 384395 километров - радиоволны пробегают туда и обратно за 2,5 секунды. Чтобы телевизионное изображение стало видимым, сигналы, из которых оно состоит, должны изменяться 12 миллионов раз в секунду. Как же в подобных случаях управлять движением электрических зарядов?

Тогда - то и возникла огромная отрасль науки и техники - электроника, которая имеет дело с электровакуумными лампами я приборами, принимающими, генерирующими, преобразующими и главным образом усиливающими сигналы, передаваемые при помощи электромагнитных волн любой частоты.

Шло время. Усложнялись задачи управления сверхбыстрыми процессами, совершенствовались электронные лампы и приборы. Проводники и изоляторы во всех этих приборах играли несколько ограниченную роль: одни проводили ток, другие удерживали его в нужном направлении. И чем труднее становилось создавать новые электронные приборы, тем привлекательнее казалась мысль: а почему нельзя управлять электрическим током с любой скоростью в веществе самого проводника, не прибегая к электронным лампам? Ученые обратились к полупроводникам.

Чудеса в кристаллической решетке

Способность проводников пропускать через себя электрический ток объясняется тем, что внешние электроны атомов этих веществ очень слабо связаны с ними, вследствие чего образуется большое количество свободных электронов. И достаточно приложить к проводнику ничтожно малое напряжение, как по нему потечет электрический ток, представляющий собой движение свободных электронов.

У изоляторов же внешние электроны атомов довольно прочно удерживаются на своих местах. Свободных электронов здесь почти нет, и поэтому более или менее заметный электрический ток через изолятор проходить не может.

Совсем иную картину мы наблюдаем в полупроводниках, например, в кристаллах германия или кремния. Электроны у них хотя и связаны со своими атомами, но непрочно, примерно раз в десять слабее, чем в изоляторах. Если такой кристалл идеально чист от примесей атомов других элементов, то при температуре, равной абсолютному нулю ( - 273°С), он будет изолятором. Но по мере нагревания в нем появятся свободные электроны и возникнет электрическая проводимость. Подобное явление вызывается также действием ультрафиолетовых, рентгеновских или гамма - лучей.

Однако самым замечательным в полупроводниках оказалось не это. Если к предельно очищенному германию или кремнию добавить строго ограниченное количество некоторых других, тоже предельно чистых элементов (например, мышьяка, сурьмы, индия, алюминия), то характер проводимости в кристаллах резко изменится. Добавление одних веществ создаст отрицательную проводимость, при которой отрицательные электрические заряды устремятся в одном направлении, а добавление других образует положительную проводимость, при которой положительные заряды будут перемещаться в противоположном направлении. Естественно, что кристаллы с такими проводимо - стями и ведут себя по - разному; все зависит от того, какое напряжение - положительное или отрицательное - действует на кристалл.

Соединяя вместе две пластинки из кристаллов, обладающих разной проводимостью, можно получить удивительно простой выпрямитель, превращающий переменный ток любой частоты в постоянный. Вводя между кристаллами с одинаковой проводимостью пластинку с противоположной проводимостью, можно создать прибор, в котором небольшие изменения силы тока на одном стыке кристаллов вызовут многократное усиление напряжения на другом стыке. Получается усилитель, который фактически состоит лишь из трехслойного куска твердого тела.

Все, что раньше было доступно только электронной лампе и сложным электронным приборам: выпрямление, усиление, генерирование высокочастотных радиосигналов, - оказалось под силу кусочку кристалла объемом в 0,3 кубического миллиметра!

«Борьба титанов» в электронике

Электронная лампа хрупка и нежна, а полупроводниковый прибор выдерживает любые перегрузки. Срок службы лампы в ответственных устройствах не превышает сотен, реже тысяч часов. Полупроводниковые же усилительные приборы могут работать 70 тысяч часов и, возможно, еще больше: ученые просто не знают, сколько, потому что 70 тысяч часов прошло с момента изготовления первых таких устройств.

Самым большим недостатком электронной лампы является ее неэкономичность. Раньше этот порок не замечался. Но когда дело дошло до оборудования таких устройств, как, например, современные электронные счетные машины, где число ламп доходит до 18 тысяч, а расходуемая энергия равна сотням киловатт, волей - неволей пришлось задуматься над устранением этих затрат.

Полупроводниковые приборы позволили всю эту огромную установку, занимавшую площадь целого здания, свести к объему письменного стола, а расход энергии на ее питание сократить до нескольких киловатт.

Одно время радиолюбители конструировали радиоприемники, помещавшиеся в портсигаре, коробке из - под спичек и даже в скорлупе грецкого ореха. Приемники эти хотя и работали, но, естественно, не шли ни в какое сравнение с фабричными приемниками, даже самыми слабыми. Используя же полупроводниковые приборы и некоторые другие достижения современной радиотехники, наша промышленность разрабатывает настоящий многоламповый приемник размером о портсигар! Опыты показали, что современный телевизор, собранный на полупроводниковых усилителях и выпрямителях, вместо обычных 300 - 400 ватт расходует не более 10 - 15 ватт (не считая расхода энергии на питание трубки), а его размеры могут быть уменьшены в два - три раза. В выпускаемых в настоящее время телевизорах часть радиоламп уже заменена полупроводниками.

Электрическая энергия из... костра

• Страницы:
• 1
• 2
• следующая

Представьтесь или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.