Для миниатюрных радиоустройств на кристаллах изобретены и соответствующие им крохотные источники питания, например батарейки величиной с трехкопеечную монету. Благодаря скромному «аппетиту» полупроводников такой батарейки им хватает на несколько месяцев. Строятся радиопередатчики, в которых источник энергии сам передаваемый звук. Человек говорит в микрофон, звуковые колебания преобразуются в импульсы тока: одна часть их поступает на усиление, а другая сглаживается и питает усилитель энергией. Весь передатчик умещается в корпусе микрофона. Можно использовать для питания полупроводниковых радиоприемников и даже радиопередатчиков энергию радиоволн. Если приемник настроен на какую-либо слабую радиостанцию, то энергия радиоволн другой работающей в это же время мощной радиостанции тоже улавливается и используется на питание триодов усилителя.
Переворот в радиотехнике вызван также появлением миниатюрных радиодеталей: индукционных катушек, сопротивлений, ферритовых магнитных антенн величиной с карандаш, крошечных, но достаточно емких конденсаторов. Развиваются техника и технология производства всевозможных радиоприборов. Вместо ювелирной ручной сборки на радиозаводах появились механизированные конвейеры и автоматика.
Широко внедряется метод печатных схем: радиоаппаратура изготовляется своеобразным типографским способом, словно открытки или почтовые марки. Интересная новинка — так называемые микромодули (рис. 18). Это тонкие листки, на которых отпечатаны диоды, триоды, сопротивления и прочие элементы радиосхем. Складывая эти листки в стопки, получают бесчисленные варианты радиоприборов. Миниатюрность, экономичность и надежность сочетаются в них с быстротой и легкостью монтажа. Наконец, удается печатать сложнейшие радиосхемы на непрерывных лентах. Работая с ними, радиоконструктор становится Похожим на портного-закройщика: из ленты вырезает ножницами необходимые куски и соединяет их в нужном порядке.
Полупроводниковые термоэлектрогенераторы будут, конечно, широко применяться в технике. Ведь тепло в них превращается в электроэнергию непосредственно — совсем не так, как, скажем, на современных тепловых электростанциях, где работают паровые котлы, турбины, электрогенераторы. В полупроводниковых термобатареях нет никаких промежуточных преобразований энергии, никаких движущихся частей. Как заманчиво было бы установить большую батарею полупроводников прямо в топке электростанции!
Однако в наши дни такие устройства применяются лишь в маленьких приборах. Дело в том, что они пока менее экономичны, чем обычные турбины и котлы. Коэффициент полезного действия термопары 6—8%, а в лабораторных условиях около 10%. Это, вообще говоря, немало. Примерно таков же к. п. д. у паровоза. Но все же это в несколько раз меньше, чем к. п. д. у современных тепловых электростанций.
Физики стремятся сейчас усовершенствовать полупроводниковые термоэлектрогенераторы — повысить их мощность и экономичность. Но и в нынешнем виде они могут применяться довольно широко: там, где нужно использовать так называемое низкопотенциальное тепло, т. е. теплоту, заключенную в массах вещества со сравнительно невысокой температурой,— в дыме заводской трубы, в сбросной воде завода. Значительное количество такой теплоты сейчас бесполезно теряется, а с помощью полупроводников она может быть преобразована в электроэнергию. Кое-что в этом направлении уже сделано. Например, создан термоэлектрогенератор, вырабатывающий электрический ток из тепла выхлопных газов автомобильного двигателя. Полученная таким способом энергия сразу же идет на подзарядку аккумуляторов.
В далеких деревнях и селах, в домах лесников и бакенщиков можно встретить своеобразную керосиновую лампу «электростанцию»: она не только светит, но и вырабатывает электрическую энергию. Устройство ее довольно просто. Полупроводниковые брусочки смонтированы в виде трубки, которую надевают на укороченное ламповое стекло. Когда лампа зажжена, грани брусочков, обращенные внутрь трубочки, разогреваются теплом горячих газов, поднимающихся от пламени. Противоположные же их грани охлаждаются комнатным воздухом. И в результате в полупроводниковой батарее рождается электрическая энергия.
Батарея построена из брусочков двух типов — электронных и дырочных. Все они соединены попарно. Каждая пара спаяна металлической пластинкой, образуя нечто вроде буквы «П».Место спая нагревается, а противоположные грани брусочков охлаждаются. Нагрев рождает избыток носителей тока,
причем в разных полупроводниках разного знака. В электронном брусочке освобождаются электроны, а в дырочном — дырки. У нагретых граней возникает как бы «толчея» носителей тока, электроны и дырки перекочевывают к холодным граням — там «спокойнее». В результате у холодной грани дырочного брусочка возникает положительный заряд, а отрицательный — у холодной грани электронного брусочка. Если холодные грани всех пар соединить проволокой, по ней потечет ток, возбужденный с помощью тепла.
Обходясь без радиоламп, удается делать передатчики и приемники исключительно прочными. Их можно смонтировать даже в обыкновенном слесарном молотке. Сколько ни стучи таким молотком, радиоприбор не испортится, не перестанет работать. Радиостанцию на кристаллах можно вмонтировать в артиллерийский снаряд, поставить на искусственный спутник Земли, на межпланетный корабль. Ей не страшны ни самая сильная тряска, ни самые резкие удары.
Очень ценна и миниатюрность полупроводниковых радиоприборов. Давно перестал быть редкостью приемник величиной с портсигар, даже со спичечную коробку. Читатель, немного знакомый с радиотехникой, без особых затруднений может построить миниатюрный полупроводниковый приемник.
Совсем крошечные полупроводниковые радиостанции помещают в медицинских приборах. Таков, например, радиозонд для исследования внутренних органов человека — это маленькая, вроде фасолины, «пилюля», в которой спрятан радиопередатчик на кристалликах. Человек проглатывает такую «пилюлю», и она, блуждая по кишечнику, методично посылает условные радиосигналы о состоянии внутренних органов, о температуре в них, давлении и т. д.Огромную роль обещают сыграть полупроводники в развившейся за последние годы электронно-вычислительной технике. Поначалу в кибернетические машины приходилось ставить сотни и тысячи радиоламп, потому что эти устройства «думали» именно с помощью радиоламп. Понятно, что ламповые машины занимали большие комнаты, целые залы, даже здания, к тому же часто портились, а при работе потребляли огромное количество энергии. Но когда появились полупроводники, электронно-счетные и управляющие машины были быстро «переучены». Они стали «думать» с помощью кристаллических триодов и других полупроводниковых деталей. Кибернетический «мозг» уменьшился во много сотен раз. Энергии ему требуется теперь совсем немного.
До сих пор мы говорили о техническом применении полупроводников какого-либо одного вида — либо электронных, либо дырочных. Но есть устройства, в которых сочетаются оба вида полупроводников.
Представьте себе полупроводник, в котором как бы срослись два слоя с разными примесями — электронный и дырочный. Из электронного слоя в дырочный продвигаются благодаря диффузии электроны. Они оставляют пустые места в атомах — дырки. В дырочном же слое электроны-пришельцы «проваливаются» в дырки, количество которых поэтому уменьшается. За границей раздела получается с дырочной стороны избыток электронов, а с электронной — избыток дырок. В конце концов наступит равновесие, количество электронов-перебежчиков и дырок-перебежчиц уравняется. И тогда в дырочном слое у самой его границы возникнет ряд отрицательных зарядов, а в электронном — ряд положительных зарядов. Между двумя разноименными зарядами, как между обкладками заряженного конденсатора, появится электрическое поле. Оно будет направлено против новых «нарушителей границы». В электронном слое это поле станет задерживать электроны, стремящиеся перейти границу — оттолкнет их обратно. А в дырочной области пограничное поле оттолкнет обратно новых перебежчиц-дырок. Движение зарядов через границу прекратится. На границе возникнет запирающий слой, преодолеть который носители тока не смогут без помощи внешнего электрического поля. Этот запирающий слой — основа многих ценнейших аппаратов и приборов.
Представьте себе электрокипятильник для воды в виде небольшой трубки, которая надевается прямо на водопроводный кран. Трубка сделана из стекла, на которое изнутри нанесена тонкая пленка полупроводника. Когда через пленку идет ток, полупроводник сильно разогревается и струя воды в трубке закипает. Вы открываете кран и спустя секунду из трубки льется кипяток!
Некоторые полупроводники создают при электрическом воздействии яркое свечение. Явление объясняется просто: электрическое поле воссоединяет электроны с дырками. Электроны как бы «проваливаются» в дырки. При этом освобождается энергия, которая и выделяется в виде света. Физики пытаются на этой основе создать экономичные, удобные светильники, плоские телевизионные экраны и многое другое.
Существуют полупроводниковые материалы, которые светятся от воздействия потока электронов, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Эти вещества — отличные покрытия для экранов рентгеновских установок, телевизионных трубок, ламп дневного света.
Вот сравнение, которое поможет лучше уяснить, в чем сущность понятия «дырки». В театре сидит публика. Зал заполнен до отказа.
Но вот кто-то, сидящий с краю на первом ряду, уходит, оставляя пустой стул. Это и есть дырка. На освободившееся место тотчас пересаживается зритель из второго ряда, оставляя пустой стул (дырку) уже во втором ряду. Снова пересадка — и свободное место (дырка) перекочевала в третий ряд. Так, зрители один за другим передвигаются к сцене, а пустое место тем временем отодвигается назад.
В полупроводнике дырка ведет себя подобно пустому месту в театральном зале. Когда по полупроводнику течет ток, электроны и дырки бегут в противоположных направлениях.
И вот что существенно: дырки движутся к отрицательному полюсу, т. е. как частички, несущие положительный электрический заряд. Закономерности движения дырок таковы, что этим «пустым местам» физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и «эффективную массу»: принимают для удобства расчетов, что дырки обладают определенной массой (немного большей, чем у электронов, потому что дырки не так подвижны, как электроны).
Шла вторая мировая война. Фашистские самолеты бомбили города Англии. Радиолокационные станции на британском побережье обнаруживали вражеские самолеты и позволяли англичанам подготовиться к защите.
Постепенно было замечено, что радиолокаторам, которые работали на волнах метрового диапазона, мешают сильные помехи. Англичане предположили, что это противник «забивает» эфир помехами нового вида. Но после внимательных наблюдений обнаружилось, что помехи всегда появлялись рано утром, на заре, когда антенны смотрели в сторону восходящего солнца. Весь остальной день и всю ночь станции работали нормально. Следовательно, радиопомехи посылало Солнце.
Этот случай лишний раз подтвердил, что природа всех электромагнитных волн одинакова. Солнце излучает и свет и радиоволны в широком диапазоне частот. Из Вселенной к нам непрерывно идет поток радиоизлучений от звезд и туманностей, от скоплений межзвездного газа и других космических объектов.
Излучение электромагнитных волн заключено в самой природе вещества и энергии. Электромагнитную энергию частиц вещества изучает наука квантовая механика.
Электроннолучевые трубки — это чудесные приборы, которые помогают наблюдать электрические процессы. Они позволили создать современное телевидение, без них немыслима радиолокация, они широко применяются в разнообразнейших приборах — от простейших лабораторных осциллографов до «блоков памяти» в современных электронно-вычислительных машинах.
Электронная трубка — это прибор, в котором электронный луч «рисует» световые изображения на специальном экране, обладающем способностью светиться в том месте, куда попадает поток электронов. Она имеет вид большого, обычно стеклянного (иногда металлического) конуса с почти плоским стеклянным дном. Диаметр дна может превышать 50 см. От вершины конуса отходит цилиндрическая трубка, горловина которой заканчивается обычным радиоламповым цоколем. Трубка герметически запаяна, воздух из нее выкачан.
Во входном контуре приемника, настроенном в резонанс с передающей радиостанцией, возникают электрические колебания высокой частоты, в сотни и тысячи мегагерц. Их можно усилить радиолампами. Но если эти усиленные высокочастотные колебания подать в катушку громкоговорителя, мы ничего не услышим: мембрана громкоговорителя или телефона не может следовать за их частотой и совершать миллионы колебаний в секунду. Но даже если бы это было возможно, мы бы все равно ничего не услышали: наше ухо слышит, лишь когда мембрана колеблется со звуковой частотой от 16 до 16 000 гц. Усиленный высокочастотный сигнал не может привести в действие и телеграфный аппарат.
Если же это переменное высокочастотное напряжение приложить к диоду, он выпрямит его, и через диод потечет пульсирующий, но постоянный по направлению ток, которым можно привести в действие динамик, реле, звонок и т. д.
На передающей станции высокочастотное электромагнитные колебания модулируются звуковой частотой. В приемнике эти высокочастотные колебания выпрямляются, и через диод идет постоянный ток. Но сила тока меняется в такт с колебаниями модулирующей звуковой частоты. Если этот ток пропустить через катушку телефона, мембрана колеблется именно с той частотой, которой модулирована радиочастота передающей радиостанции.
Этот процесс, в сущности обратный процессу модулирования, называется детектированием (обнаружением). С помощью диода осуществляется также и манипуляция— передача по радио сигналов азбукой Морзе: излучение радиочастоты между точками и тире прерывается.