|
|
Полупроводниковые приборы обладают
многими ценными свойствами. Виды и области их применения непрерывно
расширяются. Купроксные и селеновые выпрямители, электролитические
конденсаторы, новейшие термогенераторы — это все полупроводниковые устройства,
прочно вошедшие в технику.
Особенно большие успехи сделали за последние годы
полупроводниковые приборы, известные под названием кристаллических диодов и
триодов.
Уже само это название говорит об очень многом. Кристаллические
диоды и триоды, являющиеся по существу старыми кристаллическими
детекторами, названы ламповыми именами — диодами и триодами. Это название не
шутливое, не такое название, которое берется в кавычки. Оно действительно
наилучшим образом отражает свойства детекторов новейшего типа. Эти кристаллические
детекторы теперь уже не только могут в ряде применений заменить электронную
лампу, но часто дают даже лучшие результаты, чем лампа.
Победное шествие «крйегаллической лампы» началось после
зарождения радиолокации, связанной со сверхвысокими частотами. Детектирование
на этих частотах предъявляет к детектору такие требования, с которыми
электронная лампа справиться не могла. Как ни малы размеры современных ламп,
но все же расстояние от сетки до катода измеряется в них миллиметрами, или, в
лучшем случае, их крупными долями. Время, затрачиваемое электронами на
преодоление такого расстояния на сверхвысоких частотах, соизмеримо с
периодами колебаний (см. стр. 231), и это делает лампу неработоспособной.
Значительная входная емкость лампы, составляющая несколько пикофарад, и
индуктивность выводов тоже затрудняют работу на больших частотах. Серьезным
препятствием являются и собственные шумы лампы.
У кристаллических диодов все процессы происходят в слое
толщиной около одной десятитысячной миллиметра. Входная емкость
кристаллического диода около одной десятой пикофарады, а «шумят»
кристаллические диоды тем меньше, чем выше частота. Силы вакуумного и
кристаллического диодов оказались явно неравными. Кристалл взял реванш и
вытеснил лампу с одной из позиций, прекрасно справившись, в частности, с
обязанностями смесителя.
Но эта победа не была, выражаясь языком военных,
«локальной», т. е. ограниченной одним местом, в известной степени случайной и
маловажной. Было установлено, что кристаллы могут усиливать электрические
колебания. Если взять хороший полупроводник, например германий, и приварить к
нему не одну контактную проволочку, как в обычном детекторе, а две на
расстоянии нескольких десятков микрон друг от друга, то в схеме с таким
«триодом» можно получить усиление. Механизм этого усиления будет рассмотрен ниже.
Кристаллические триоды чрезвычайно малы, легки, экономичны и удобны; их
применение сулит много выгод. Кристаллические диоды и
дами, не меньшими, чем те, которые одержала в свое время
электронная лампа. Электронной лампе придется потесниться и в ряде
применений, уступить место кристаллическим устройствам, переживающим свое
второе рождение.
В последнее время у усилительной лампы появился еще один
конкурент, причем на первый взгляд трудно даже представить, что он способен
на это. Таким конкурентом, как ни странно, является конденсатор. Правда, это
конденсатор не обычного типа, а с диэлектриком, обладающим особыми
свойствами: во-первых, сверхвысокой диэлектрической проницаемостью s и,
во-вторых, способностью изменять величину s в довольно значительных пределах
под действием приложенного к конденсатору напряжения. Подобными свойствами
обладают, в частности, такие диэлектрики, как титанаты бария и
бариево-стронциевые титанаты.
Небольшое изменение напряжения, приложенного к
конденсатору с таким диэлектриком, влечет за собой резкое изменение его
емкости. Для материала, используемого в качестве диэлектрика в обычных
конденсаторах, такое непостоянство е является крупным недостатком, так как
неустойчивость величины емкости (зависимость ее от напряжения) не позволяет
использовать такой конденсатор там, где требуется постоянная емкость. Но это
же свойство натолкнуло на мысль о возможности использования конденсаторов с
таким диэлектриком для создания усилителей, которые получили название
диэлектрических.
Идея, лежащая в основе работы такого усилителя, сходна с
принципом работы магнитного усилителя. В магнитном усилителе используется
зависимость сопротивления катушки переменному току от величины ее
индуктивности; но подобным же свойством обладает и конденсатор: его
сопротивление переменному току зависит от величины емкости и будет тем
меньше, чем больше емкость. Следовательно, включив конденсатор в цепь с
источником переменного тока, можно регулировать величину тока в цепи, изменяя
емкость конденсатора. Последовательно с конденсатором можно включить
нагрузку, например простое сопротивление. Тогда на нагрузке будет падать
напряжение, пропорциональное току в цепи: если ток в цепи будет меняться, то
в точном соответствии с ним будет изменяться и падение напряжения на
нагрузке.
Эта зависимость и используется в диэлектрическом
усилителе. Действие такою усилителя основано на том, что уже самое небольшое
увеличение или уменьшение подводимого напряжения сопровождается значительными
изменениями его емкости и приводит к соответственно большим изменениям
величины текущего через конденсатор тока. В результате на нагрузке получается
переменное напряжение, величина которого изменяется пропорционально подводимому
сигналу, т. е. напряжению, приложенному к конденсатору.
Здесь много общего с магнитным усилителем, в котором
используется принцип изменения тока в цепи путем изменения индуктивности под
действием приходящего сигнала.
Но у диэлектрического усилителя есть существенные
преимущества: область применения магнитных усилителей пока ограничивается
токами самых низких частот. Диэлектрический усилитель может работать на очень
высоких частотах — до нескольких мегагерц. Работа на таких частотах позволяет
использовать еще более эффективный вариант схемы усилителя.
Для этого управляемый конденсатор включается в
колебательный контур, который настраивается в резонанс с частотой питающего
его вспомогательного источника переменного тока высокой частоты. Как известно,
при резонансе сопротивление такого контура очень велико и напряжение на нем
достигает максимума. При расстройке напряжение на контуре резко падает. Это
свойство можно использовать, например, для получения усиления на звуковых
частотах. Для этого усиливаемое напряжение звуковой частоты подается на
конденсатор. Вследствие этого емкость конденсатора будет изменяться с такой
же частотой, а вместе с тем будет изменяться и высокочастотное напряжение на
контуре.
При надлежащем выборе емкости конденсатора и частоты
вспомогательного источника тока можно добиться того, что высокочастотное
напряжение на контуре будет изменяться на величину, во много раз превышающую
напряжение входного сигнала. Диэлектрический усилитель такого рода выполняет
свои функции любопытным образом: он является как бы модулятором-усилителем:
высокочастотное напряжение на контуре модулируется приходящим сигналом
звуковой частоты. Продетектировав теперь это модулированное напряжение, мы
выделим из него усиленное напряжение звуковой частоты. Имеются данные о том,
что один каскад подобного диэлектрического усилителя может дать усиление
колебаний звуковой частоты по мощности в несколько сот и даже тысяч раз.
Описанный вариант схемы диэлектрического усилителя
является лишь одним из возможных. Преимущество подобных усилителей
заключается в их малых размерах и большой прочности, а также полном
отсутствии затрат энергии на накал катода, которого у диэлектрического
усилителя нет вообще. Эти преимущества кажутся довольно заманчивыми для того,
чтобы можно было ожидать в ближайшие годы работ по практическому применению
диэлектрических усилителей.
|