– Но ведь есть сети переменного тока, которые разработал Тесла. Как же он там работает – этот «ефрейтор Диод»? – удивился Андрей.
– Диод работает как раз там, где нужно из переменного тока получить постоянный или близкий к нему ток. Диод пропускает по цепи только ток одного направления – и получается, что ток в цепи с диодом всегда течёт в одну сторону и меняет только свою силу по величине. Для многих устройств, работающих на постоянном токе, этого уже достаточно, чтобы функционировать. Если для каких-то нежных устройств нужен ток, постоянный не только по направлению, но и по силе, то к току применяют дополнительные меры по его выглаживанию.
Триод имеет более сложную задачу – он разрешает слабому току управлять сильными токами. Это очень полезная функция для многих электрических устройств, например радиоприёмников. Летит в пространстве слабенькая электромагнитная волна, попадает на радиоантенну и порождает в ней очень слабый электрический ток. Этот ничтожный ток, переданный на управляющий провод триода, командует течением сильного тока, который колеблет мембрану динамика. В результате действия триода мы слышим человеческую речь или музыку, полученные по радиоволне. Триод-командира можно сравнить со слабым человеком, который открывает и закрывает заслонку на плотине, регулируя сильный поток воды.
Теперь, узнав, насколько эти устройства полезны, давайте узнаем – как они были созданы.
Самым первым диодом стала нагреваемая вакуумная лампа – фактически катодная трубка, в которую входит два провода: катод, который греется специальной электрической спиралькой, и холодный анод. Если электрическое поле направлено так, что катод заряжается отрицательно, а анод – положительно, то такая вакуумная лампа проводит электрический ток: приложенное электрическое поле ускоряет электроны, вылетающие из горячего отрицательного катода, и направляет их к положительному аноду. Если направление поля или тока в цепи переворачивается – анод становится отрицательным, а катод положительным, – то такая вакуумная лампа-диод перестаёт проводить ток: ведь холодный анод практически не выпускает электроны, а электроны, которые выпрыгивают из горячего катода, заворачивают обратно из-за того, что положительный катод их снова притягивает. Катод мог бы излучать положительные ионы металла, из которого он состоит, но те слишком прочно связаны друг с другом и не хотят никого отпускать из своего коллектива.
Принцип действия вакуумной лампы-диода был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году. Но уже в следующем году немецкий физик Карл Браун понял, что в качестве диода можно использовать кристаллы твёрдого тела. Как мы знаем, в таблице Менделеева есть химические элементы – щелочные металлы, – которые с охотой отдают свой единственный электрон на внешней электронной оболочке. Зато другие элементы – как фтор и хлор, – у которых не хватает одного электрона для заполнения внешней электронной оболочки, готовы в любой момент сорвать электрон с верхней одежды, то есть орбиты прохожего атома.
Если взять кристалл кремния, в котором есть примесь химических элементов, любителей воровать чужие электроны, – то в нём всегда будет какое-то избыточное количество электронов. А если кристалл кремния снабдить примесью из элементов, которые легко расстаются со своими электронами, то в нём всегда будет какое-то количество положительно заряженных ионов – или атомов, лишённых электрона. Такие атомы называют «дыркой».
– Конечно, ведь у них дырявые карманы, из которых вываливаются электроны! – развеселилась Галатея.
– Что получится, если вставить в электрическую цепь два соединённых кристалла кремния, которые различаются свойствами своих примесей? Пусть слева будет кристалл с избытком электронов, а справа – кристалл с «дырками». При направлении тока, когда левый электрод заряжен отрицательно, электроны будут двигаться слева направо – к положительному правому электроду, а «дырки» – справа налево, от положительного электрода к отрицательному.
– Постой, мама, – удивилась Галатея. – Как же будут двигаться положительно заряженные атомы? Ведь они встроены в кристаллическую решётку!
– Отличный вопрос! – похвалила Дзинтара дочь. – Тут двигаются не сами атомы, а их признак. Представим себе кинозал, заполненный людьми, в котором есть только несколько пустых мест, которые и будем считать «дырками». Пусть с одного края зала возникла какая-то зона притяжения – например в зал вошёл известный актер. Тогда люди, стараясь быть поближе к зоне притяжения, будут пересаживаться на свободные места. В результате люди будут двигаться в одну сторону, а свободные места начнут смещаться в противоположный конец зала.
– Точно! – восхитилась Галатея. – Значит, люди – это электроны, которые притягиваются положительным зарядом в виде знаменитого актера, а «дырки», наоборот, ведут себя так, словно они отталкиваются этим зарядом, словно они не пустые дырки, а что-то заряженное положительно.
– Молодец! – мать похвалила дочь. – Если направление тока задаёт встречное движение электронов и «дырок» в соединённых кристаллах, то электроны и «дырки» встречаются на границе – и аннигилируют!
– Анни… чего они делают? – переспросила Галатея.
– Аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются. Ведь электрон садится в «дырку», в результате исчезает и она, и избыточный электрон. Так как новые электроны и новые «дырки» всё время возникают возле электродов, то взаимное движение электронов и «дырок» не останавливается, и через соединённые кристаллы идет ток, то есть движение заряженных частиц. Зато, если направление тока повернуть, то электроны устремятся к положительному электроду, а «дырки» – к отрицательному. В результате зона соединения кристаллов кремния опустеет, там исчезнут все носители заряда – как электроны, так и «дырки». Значит, тока в данном направлении не будет. А именно эта командирская функция и требуется от диода.
Самые первые радиоприёмники строились обычно на основе вакуумных ламп, но уже около 1900 года американским инженером Г. Пикардом был создан первый радиоприёмник на основе кристаллического диода. Кстати, термин «диод» предложил в 1919 году инженер Вильям Иксл.
Триод был создан и запатентован американским инженером Ли де Форестом в 1906 году. Триод Фореста представлял собой вакуумную лампу – внутри неё, между катодом и анодом, располагалась дополнительная, так называемая управляющая, сетка, к которой шёл отдельный провод. Если на управляющую сетку подавался отрицательный потенциал, то сетка отталкивала отрицательные заряды, заворачивала назад летящие в вакуумной лампе катодные электроны, и триод переставал проводить ток.
Транзисторы, или полупроводниковые триоды, были предложены в 1925 году австро-венгерским физиком Ю. Лилиенфелдом. В 1934 году аналогичную идею запатентовал немецкий физик О. Хейл, который работал вместе со своей женой, русским физиком Агнессой Арсеньевой (которая в 30-е годы, как и П. Капица, не смогла выехать из России). Но эти предложения и патенты были слишком преждевременными, до их практической реализации было ещё далеко.
