В 30–е годы были заложены основы радиотелевидения. Первые предложения о специальных передающих трубках сделали независимо друг от друга
Константинов и Катаев. Подобные же трубки названные иконоскопами построил в
США Владимир Константинович Зворыкин. В 1912 г. он окончил Петербургский экономический институт. В 1914 г. колледж "Де Франс" в Париже. В 1917 эмигрировал в США. В 1920 г. поступил в фирму "Вестингаус Электрик". В 1929 г. возглавил лабораторию американской радиокорпорации "Камдем и Пристон". В
1931 г. Зворыкин создал первый иконоскоп – передающую трубку, которая сделала возможным развитие электронных телевизионных систем. В 1933 г.
Шмаков и Тимофеев предложили более чувствительные передающие трубки – супериконоскоп. Позволивший вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Шмаков родился в 1885 г., в 1912 г. закончил МГУ, работал (1924–30 гг.) в МВТУ, (1930–32 гг.) работал в МЭИ, в 1933 изобрел супериконоскоп, (1935 – 37 гг.) заведовал лабораторией в Всесоюзном НИИ телевидения в Ленинграде. Тимофеев родился в 1902 г., в 1925 г. закончил
МГУ, (1925–28 гг.) работал в МВТУ, в 1933 г. вместе со Шмаковым изобрел иконоскоп. Остальные труды относились к области: фотоэффекта, вторичной электронной эмиссии, разрядов в газах, электронной оптики. Разработал конструкции электронных умножителей, электронно–оптических преобразователей.
В 1939 г. советский ученый Брауде предложил идею создания еще более чувствительной передающей трубки названной суперортикон. К 1930 годам относятся первые эксперименты с очень простыми передающими устройствами получившими название видикон. Идея создания видикона была выдвинута
Чернышевым в 1925 году. Первые практические образцы видиконов появились в
США в 1946 г.
Иконоскоп (рис. 7) представляет собой электроннолучевую трубку в которой с помощью электронного луча и светочувствительной мозаики происходит преобразование световой энергии в электрические видеоимпульсы. Иконоскоп имеет стеклянный баллон (4) в котором находится светочувствительная мозаика
(6), состоящая из нескольких миллионов изолированных друг от друга зерен серебра (Ag) покрытых цезием (Cs). Мозаика наносится на тонкую слюдяную пластинку размером 100х100 мм. На обратной стороне слюдяной пластины находится сигнальная пластина (5), представляющая собой миниатюрный фотокатод, излучающий свободные электроны под действием света. Каждое зерно светочувствительной мозаики совместно с сигнальной пластиной можно рассматривать как элементарный конденсатор со слюдяным диэлектриком. При освещении мозаики через линзу (2) светом отраженным от передаваемого изображения (1), мозаика превращается в систему конденсаторов заряд которых пропорционален освещенности соответствующих зерен. Свободные электроны эмитируемые фотокатодом (5) собираются коллектором (3) на который падает положительное по отношению к сигнальной пластине напряжение. Коллектором служит проводящий слой нанесенный на внутреннюю стенку иконоскопа.
Электронный прожектор (8) создает луч, который с помощью отклоняющей системы (7) построчно обегает все зерна мозаики и снимает с них положительный заряд. Свободные электроны электронного луча занимают место электронов вылетевших из мозаики в результате фотоэлектронной эмиссии.
Разряд микроскопических конденсаторов вызывает прохождение токов через резистор нагрузки (Rн) и цепь катода (К) электронного прожектора. Падение напряжения на резисторе (Rн) пропорционально освещенности элементарных участков мозаики с которых в данный момент электронный луч снимает положительный заряд. Недостатком иконоскопа является малый КПД и низкая чувствительность. Для работы такого иконоскопа требуется очень большая освещенность передаваемого объекта.
На (рис. 8) приведена принципиальная схема видикона. На внутреннюю торцевую поверхность баллона видикона наносится полупрозрачный слой золота, исполняющего роль сигнальной пластины (9). На этот слой наносится фоторезист (8) – это кристаллический Селен или трехсернистая Сурьма.
Свободные электроны, излучаемые катодом (К), формируются в электронный луч с помощью управляющего электрода (11) и двух ускоряющих анодов (5 и 6).
Фокусировка луча осуществляется с помощью фокусирующей катушки (3). Сетка
(7) расположенная перед фоторезистом создает однородное тормозящее поле, которое препятствует к образованию ионного пятна и обеспечивает нормальное падение электронного луча. Отклоняющие катушки (4) питаются пилообразными токами и заставляют электронный луч построчно обегать рабочий участок фоторезиста(8). Корректирующие (1) и центрирующие (2) катушки дают возможность перемещать электронный луч в 2–х взаимно перпендикулярных областях. Электропроводность фоторезиста зависит от его освещенности.
Электронный луч, попадая на поверхность мишени, выбивает вторичные электроны, число которых больше, чем первичных, потому поверхность мишени, обращенная к электронному прожектору, заряжается положительно до потенциала, близкого потенциалу ускоряющего анода (5). Потенциалы другой стороны мишени, обращенной к передаваемому изображению, близки к потенциалу сигнальной пластины. Каждый элемент мишени можно рассматривать как конденсатор с потерями, электропроводность, которого зависит от интенсивности освещения. Изменение потенциала элементов мишени электронным лучом и является видеосигналом снимаемым с резистора нагрузки Rн.
Напряжение снимаемое с резистора Rн пропорционально освещенности того элемента на котором в данный момент находится электронный луч.
4. Третий период развития электроники
4.1 Изобретение точечного транзистора.
Третий период развития электроники – это период создания и внедрения
дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного
транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа
во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников
на Кремнии (Sc) и Германии (Ge) [Литература: Дж. Грик "Физика XX в.
Ключевые эксперименты", М. 1978 г.] Группа проводила как теоретические, так
и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела
двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В
итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы –
транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были
разделены на:
- униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.
- биполярные, где использовались разнополярные носители(электроны и дырки).
Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но
практически реализовать эти идеи не удавалось. Успех был достигнут 23
декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории "Белл Телефон"– Бардиным и
Браттейном, под руководством Шокли. Бардин и Браттейн в результате
многочисленных вариантов получили работающий полупроводниковый прибор.
Информация об этом изобретении появилась в журнале "The Physical Review" в
июле 1948 года. Вот как об этом изобретении писали сами авторы: "Приводится
описание трехэлементного электронного устройства, использующего вновь
открытый принцип, который основан на применение полупроводника в качестве
основного элемента. Устройство может быть использовано, как усилитель,
генератор и в других целях, для которых обычно применяются вакуумные
электронные лампы. Устройство состоит из трех электродов размещенных на
германиевом блоке, как показано на Рис. 4.1
Два из этих электродов называющиеся, эмиттером (Э) и коллектором (К),
являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в
непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности. Третий
электрод, большой площади и маленького радиуса, нанесен на основание – базу
(Б). Использовался Ge n–типа. Точечные контакты изготовлялись как из
Вольфрама так и из фосфористой бронзы. Каждый точечный контакт в
отдельности вместе с электродом базы образует выпрямитель с высоким
обратным сопротивлением. Ток, направление которого по отношению ко всему
объему кристалла является прямым, создается дырками т.е. носителями,
имеющими противоположный знак по отношению к носителям обычно
присутствующим в избытке внутри объема Ge. Когда два точечных контакта
расположены очень близко друг к другу и к ним приложено постоянное
напряжение, контакты оказывают взаимное влияние друг на друга. Благодаря
этому влиянию возможно использовать данное устройство для усиления сигнала
переменного тока. Электрическая цепь с помощью которой можно этого добиться
показана на Рис. 4.1 К эмиттеру приложено небольшое положительное
напряжение в прямом направлении, которое вызывает ток в несколько
миллиампер через поверхность. К коллектору прикладывается обратное
напряжение, достаточно большое для того чтобы ток коллектора был равным или
больше тока эмиттера(Ik ? Iэ). Знак напряжения на коллекторе таков, что он
притягивает дырки идущие от эмиттера. В результате большая часть тока
эмиттера проходит через коллектор. Коллектор создает большое сопротивление
для электронов текущих в полупроводник, и почти не препятствует потоку
дырок в точечный. Если ток эмиттера модулировать напряжением сигнала, то
это приводит к соответствующему изменению тока коллектора. Была получена
большая величина отношения выходного напряжения к входному, такого же
порядка, что и отношение импедансов, выпрямляющего точечного контакта в
обратном и прямом направлении. Таким образом возникает соответствующее
усиление мощности выходного сигнала. Получили выигрыш в мощности в 100 раз.
Подобные устройства работали как усилители при частотах вплоть до 10
МГц(мегагерц)."
Устройство изобретенное Бардиным и Браттейном было названо точечным
транзистором типа А и представлял собой конструкцию представленную на Рис.
4.2 Где (1) кристалл Германия, (2) вывод эмиттера, (3) вывод базы. Усиление
сигнала осуществлялось за счет большого различия в величинах сопротивления,
низкоомного входного и высокоомного выходного. Поэтому создатели нового
прибора назвали его сокращенно – транзистором (в пер. с английского –
"преобразователь сопротивления").
4.2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора.
Одновременно, в период апрель 1947 – январь 1948 г., Шокли опубликовал
теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые
выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход
между областями p- и n- типа.(Рис. 4.3)
Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем,
обладает малым сопротивлением, когда р-область – положительна по отношению
к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить
теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает
большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С
другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость.
Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла
полупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 4.4) Положительная р-
область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-область
представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных
контактов используются две p-n области. В точечном транзисторе два
металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко
друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться
очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая – менее 25 мкм.
Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они
более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов,
обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как
усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор
обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-p транзистора условие
соответствует – положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для n-
p-n – обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер и положительный
коллектор.
Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития
электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям
Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.
4.3 Предпосылки появления транзисторов.
Появление транзисторов – это результат кропотливой работы десятков
выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течении
предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них
были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии,
материаловедению.
Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей
работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников
растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов,
которая в этом случае уменьшается.
В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников:
1. Появление ЭДС при освещении полупроводника.
2. Рост электрической проводимости полупроводника при освещении.
3. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.
В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом
начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из
Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось
применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в
качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин".
Схема кристадина (Рис. 4.5) содержит входной настраиваемый контур L1C1 к
которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя
П1 параллельно входному контуру подключается детектор Д1. Такой детектор
может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда
его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 4.5(б)). На этом
участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит
к частичной компенсации потерь в контуре L1C1 и тогда приемник становится
генератором.
Потенциометр R1 регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых
радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого
включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку
L2.
Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время
в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи
которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи
столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема
радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был
огромный. "Сенсационное изобретение" – под таким заголовком американский
журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью
посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", – писал журнал,
выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек
цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.
Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение
карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 20 лет
это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило
название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории
полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под
руководством академика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с
пророческим названием: "Полупроводники – новые материалы электроники".
Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые –
Б.В. Курчатов, В.П. Жузе и др. В своей работе – "К вопросу об
электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали,
что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и
природой примеси. Немного позднее, советский физик – Я.Н. Френкель создал
теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и
дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель
полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные
энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные
зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые
электроны не могут принимать) – "зонная теория полупроводников".
В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии
сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-
полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными
разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а
затем и плоскостного транзистора.
4.4 История развития полевых транзисторов.
4.4.1 Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг.,
1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в
1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского
университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.
Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство.
Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4.6
Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том,
что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя
из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость
тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом,
поступающим на затвор через входной трансформатор.
4.4.2
В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий
изобретатель О. Хейл
Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7 где:
1 – управляющий электрод
2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия)
3,4 – омические контакты к полупроводнику
5 – источник постоянного тока
6 – источник переменного напряжения
7 – амперметр
Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.
4.4.3
Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году,
когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL"
(Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование
Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой
войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора.
Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине
1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.
В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим
электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n
– перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из
полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на
торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности
канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом,
чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток
между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют
основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в
канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется
истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омический
электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-
перехода называют затвор.
Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные
трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного
транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении
входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-
переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно
изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит
поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении
затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения
уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности
и транзистор запирается.
