9
ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ПРИ СВЕЧАХ
Кандидат физико-математических наук
Г. С. СИМИН
Оптическая электронка (или оптоэлектронка) — самая молодая и, возможно, самая перспективная область современной полупроводниковой электронки, любимца физиков, разработчиков сверхбыстродействующих ЭВМ и систем сверхдальней связи. Его занимаются самые передовые laboratorии мира, основные наисовременнейшим оборудованием. И уже конечно не при свете свечей. Между тем наш рассказ об оптоэлектронке мы научем с тех далеких времен, когда в России А. Н. Лодыгин еще только разработывает первые конструкции угольных ламп накаливания, а Европа освещалась в основном свечами и газовыми фонарими.
Из многих известных в XIX веке полупроводников — как тогда говорили, веществ, «худо проводящих электроство», — селен был материалом, удостоеным особого внимания ученых. Дело в том, что в 1873 году английский телефонный служащий А. Мей служающий обнаружил, что сопротивление селена резко уменьшается, если на него падает свет. Возможно, Мей не слишком обработался новому явленю, так как обнаружил его, исследуя селеновые изоляционные опоры телефонного кабеля. Но руководитель Мея, инженер У. Смит, сразу оценил важность открытия. Он быстро провел первые исследования и в том же 1873 году сообщил о них в печати. Это сообщение вызвало бурный интерес у физиков всего мира.
К исследованию селена обратились учены из Германии, Франции, Англия, России, Америки. Предпринимались многочисленные попытки повышить светочувствительность селена. С этой целью были использованы десяти способов его получения. Однако все эти поискы велись практическими «вспеную» — ведь физики XIX века и понятия не имели о невероятной чувствительности полупроводников к примесям, о методах их очистки. Поэтому публикуемые результаты противоречили друг друга, приводимые численные данные различались в десяти и сотни раз. Встречались и просто кручезные (с нашей, сегодняней точки зрения) сообщения. Некоторые авторы писали, например, что светочувствительность селена возрастает, если рядом с ним положить каучук или камфару, повышавшие перед тем в озоне. Другие сообщали, что селен наиболее светочувствлен к соседентинным маслом. Однако не следует забываать, что в то время полупроводники еще не были осознаны как особый, удивительный класс материалов. Так что не спешите посмотреть свысока на эксперименты столетней давности — это были первые шаги на пути, который привел к созданию оптической электронки.
«Селеновый бум» привлек внимание знаменитого немецкого электротехника Вернера Сименса. Сименс был найден редконым изобретательским талантом. Еще двадцатитипелетным молодым человеком, отбивая пятилетное тюремное заклонение за участке в дузле, он изобрел способ галванического середения и золочения и позолотил свою тюремную ложку, перенеса на нее золото с завалявшейся в кармане монеты. Это было в начале сороковых годов XIX века. В семидесятые годы Сименс, крупный промышленный магнит, почетный доктор Берлинского университета, член Берлинской академии наук, автор риттного эталона сопротивления, увековечшего его имя, оставался таким же неукротимым изобретателем, как в юности. Он увлекся изучением селена, и это увлечение имело весма серbezные последствия для дальнейшей судьбы селена. В 1875 году Сименс опублика-
10
вал статью, в котором, наряду с детальным описанием способов получения и свойств сельна, сообщил об изобретенном им новом приборе — абсолютном электрическом фототметре. Скажем несколько слов о фототметрии и ее состоянии в XIX веке, чтобы вы лучше смогли оценить изобретение Сименса.
Можно считать, что фототметрия зародилась во II веке н. э., когда Птолемей начал изучать яркость звезд. И все дальнейшее развитие этой области научки было связано, в основном, с астрономическим наблюданиями. В 1604 году Кеплер установил законы освещенности. В 1729 году французский ученый П. Бугер сформировал принцип фототметрии и заложил начала научных измерений в этой области. Идея Бугера состоит в том, чтобы использовать способности глаза улавливать разницу освещенности, даже если эта разница составляет всего 1%. В фототметре Бугера две части экрана освещаются двумя источниками — изучаемым (например, звездой) и «эталонным» (например, светой). Освещенность той части экрана, на котором светит эталонный источник, можно менять (например, приближая или удаляя свету). При равенстве освещенности, создаваемых изучаемой и «искусственной» звездой, положение последней регистрации. Таким образом можно делать косвенные измерения.
Фототметр Бугера недократно усовершенствовался в течение более 100 лет, однако основной принцип его работы был неизменным: равенство освещенности констатировал глаз. Устал астроном — точноъизмеренный резко падает; при различных оттенках цвета измеряемого и эталонного источников оценка становится затруднительной; появился в поле зрения яркий предмет — снова ошибка в измерениях. Субъективный характер измерений стал сервисным недостатком фототметрии. А между тем потребность в фототметрах росла: к небесным светилам прибавлялись земные лампы, яркость которых тоже нужно измерять.
Занявшись исследованием сельна, Сименс не мог пропустить возникновение выполнения экспериментов. Он сконструировал фототметр, в котором впервые субъективная оценка на глаз была исключена и интенсивность света могла быть выражена в электрических единицах. Электрическая цепь фототметра Сименса состояла из галванического элемента, галванометра и куска сельна с проводными электродами. В темноте сопротивление сельна так велико, что стрелка галванометра почти не отклоняется. При освещении сельна его сопротивление падает, ток увеличивается, и стрелка галванометра отклоняется тем сильнее, чем ячее свет. (Именно так работает и совершенний фототэспопотер!)
На основе сельового фоторезистора Сименс сделал первый в мире оптоэлектронную игрушку (конечно, в то время ее никто так не назвал; термин «оптоэлектронка» появился много десятиков лет спустя). Основным элементом этой игрушки была модель человекаского глаза, в которой был vmontирован сельовой фоторезистор. Стоило приблизить к глазу зажжению свечу — и он тут же закрывался, «шурясь» от яркого света, совсем как живой.
Изобретение сельового фототметра должно только к появлению целой серии оструумных прибора. Интересным и очень смелым для того времени развитием работ Сименса является изобретение американского инженера Дж. Кэри. В том же 1875 году он предложил проект устройства для передачи изобравенной на расстояние. Приципид действия этого устройства представляется теперь очень простым. Передаваемое изобравнение сначала процуруется на приемник, который состоит из большого числа сельовых ячеек, составленных вплотную. Сопротивление ячеек изобравняется в различных степении в зависимости от того, насолько ярко освещена та или иная ячее. Воспроизвождение изобравнения на «экране», который представляет собой панель с лампочками, причем число лампок равно числу сельовых ячеек приемника. Каждая лампочка соединена последовательно с соответствующей ячейкой и источником напряжения. При включении напряжения ячейки той или иной лампочки тем больше, чем меньше сопротивление соединенного с ней сельового элемента, т. е. чем ячее освещена соответствующая ячейка. При достижении большей длины проводов, соединяющихся приемник и экран, изобравнение может быть передано на значительное расстояние.
11
Изобретение Кэри, однako, оказалось в то время практическим нереализуемым. Ведь если приемник содержит, например, 100×100 ячеек, то необходимо протянуть до экрана 10 000 проводов и подключит их к 10 000 лампочек, к 10 000 источников, и чтобы ни одна лампа не перегорела!
Несолько следующих приемников сельового фоторезистора вызывали настоящие сенсции.
В дальнейшем Ващингтоне Алексадр Грехем Белл с интересом читал поступающие из-за океана сообщения об исследованиях сельена и сам испробал немало способов приготовления материалов с высокой светочувствительностью. После несколько удачных опитов Беллу пришла в голову страна на первый взгляд миссель — в электрической цепи, в которой был включен исследуемый сельовой образец, заменить галванометр… телефоном. Мыслу эта не показется столь уж страной, если вспомнить, что незадолго до того Белл как раз взял патент на первый в мире телефон и теперь с успехом распространял свое детше по всей стране. Телефон Белла издавал звуки, если ток, текущий через него, менялся достаточно быстро. Поэтому Белл решил, что если в цепи последовательно с телефоном*) будет включен сельовый фоточувствительный образец, то телефон будет звучать, когда свет, падающий на сельен, будет часто перерывать. 17 мая 1878 года, читая лекцию в Королевском институте в Лондоне, доктор Белл объявил, что «возможно слышать звуки, вызванные перерыванием света». Мелодические звуки разной высоты Белл получал, меняя скорость вращения диска с прорезями, расположенного между ярким источником и сельовым приемником.
Два года спустя эта идея Белла получила сенсционное развитие.
Солнечным летним днем 1880 года жители Ващингтона с удивлением наблюдали, как прилично одетый господин установливал на крыше Франклиновской школе страное сооружение. Многие узнали в господине друга и помещика профессора Белла мастер Тейнтера. Тейнтер направил на солнеце небольшие зеркало; отраженный солнечный свет прохолил через неболько линия и ярким тонким лучом упирался прямо в окно стоящего напротив здания. В этом здании помещалась исследовательская лаборатория Белла. Став позади зеркала и приспособив к нему нечто вроде рупора, Тейнтер начал что-то негромко говорить в рупор, глядя при этом на окно лаборатории. В ответ в окне появился мастер Белл, размахивающий шляпой.
В этот день Белл и Тейнтер успешно осуществили беспроводную оптическую телефонную связь. Сооружение на крыше было передающей станцией. В лаборатории Белла располагалась приемная станции. Посылаемый с крыши луч padал на фотоприемник — сельовый фоторезистор, включенный в электрическую цепь последовательно с телефоном. Когда Тейнтер говорил в рупор, звуковые колбания заставли зеркало слегка вибрировать. При этом из-за «расфокусировки» менялась освещенность фотоприемника …
Поднесся к уху телефон, Белл отчетливо услышал голос Тейнтера: «Мистер Белл, если вы слышите меня, подойдите к окну и помашите шляпой». Ответ Белла свидетельствовал о полном успехе опита.
Сенсционное сообщение об эксперименте Белла и Тейнтера вызвал новую волну повышенного интереса к сельну, новые попытки увеличить его светочувствительность. Последовательный Белла, его соответствие К. Фритс сумел получить образцы, сопротивление которых под действием солнечного света уменьшалось более чем в 300 раз (Белл и Сименс достигли лишь пятнадцатикратного изменения). Фритс предложил и еще одно возможное применение сельена. Если подключить сельовый фоторезистор к какому-либо электрическому аппарату, то этим аппаратом можно будет управлять при помощи света. Например, сельовый элемент может быть включен в цепь электромагнитногорелле. При освещении элемента его сопротивление уменьшится, ток в цепи возрастет, и контактырелле замкнутся без всякого прямого вместе в электрическую цепьрелле. В этой идее содержится принципиадействия так называемой оптоары — одного из основных элементов
*) Имеется в виду не телефонный аппарат в целом, который мы и привели называть телефоном, а сам звучащий элемент Белла — электромагнит сMEMбраной.
12
современной автоматики (вспомните хотя бы пропускные автоматы в метро).
И хотя оптопары появились лишь во второй половине нашего столетия, идея оптического управления с помощью сельового элемента была очень эффективно реализована намного раньше.
1 февраля 1907 года в Париже в переполненном конференц-зале перед журналистами, учеными, предпринимателями и членами правительства выступал инженер из Мюнхена Артур Корн. Слева и справа от него на длином столе расположались два больших медленно врашаюших цилиндра непонятного для публики назначения.
«Мадам и месье,— начал свое выступление Корн,— пробела передачи фотографи по телефagy решения! Это можно делать так же, как мы передаем по телефону звук.»
В конференц-зале присутствовали люди, весы далекие от науки, поэтому Корн долго и пространно обязывал устройство телефонна и телефонфа, разные технические детали. Сегодняший читатель «Кванта» знаком с этим «подробностями», и поэтому мы сразу перейдем к изложению иен фототелеграфа, реализованной впервые восемьдесят лет назад.
Фотография не передается целиком, а разбивается на 100 полос, а каждая полоса — на 100 элементов. На передающей станции надо изменить тон каждого элемента и соответственно повернуть регулятор тока. На приемной станции это изменение тока изменит силу света лампы, которая завичает участок фотопленки. Теперь нужно перейти к следующему элементу на передающей станции и соответственно передвинута фотопленку на приемной. Идея хороша, но если тратить только 5 секунд на передачу одного элемента, то на передачу всей фотографи попадбится, увы, 14 часов неперерывной работы. Вот если бы регулятор тока работал автоматически, мгновенно изменяя тон каждого элемента и сообщая его приемной станции…
Таким автоматическим регулятором может служить сельовый фотоэлемент. Сфокусированный свет лампы, пройда сквозь фотографи, свернуть в виде цилиндра, отражается зеркальцем на сельовый фотоэлемент, который регулярует ток в телефонном проводе. Вращается цилиндр на передающей станции, строго с той же скоростью вращается цилиндр на приемной станции. Медленно ползет виз лампа, «просматривающая» фотографи,— с той же скоростью ползет луч, засечивающий фотопленку. А сельовый образец посылает в линию связи импульсы, точно отражающие произ嗽ность очередного элемента. Просто, не так ли?
Между тем Корн потратил на реализацию своей идеи более трех лет. И пробелой был вовсе не селен, нет, получоводник работал безотказно.
14
Главная сложность была в достижении полной синхронности механических перемещений и равенства скоростей вращения барабанов.
Наконец, к 1907 году проблема была решена. И вот демонстрация в Париже. Барабаны, установленные слева и справа от Корна, — это передающая и приемная станции. А провода, выходящие из передающей станции, подсоединены к телефонной линии Париж — Лион. (На второй странице обложки помещена фотография из французского журнала «L’Illustration», в котором сообщалось о сенсционном эксперименте Корна.) Сигнал от сельового элементаежит по одной пале проводов в Лион, а по другой — обратно, в Париж, всего 1000 километров. Фотография, помещенная в передающем цилиндре, «просматривалась» 12 минут. Пленку из примного цилиндра тут же проявили и отпечатали — и под рукоплескания зала была продемонстрирована фотография предидента Французской Республики Фоллиера. Корн, приняемая поддавления, заявил, что не сомневался в успехе, так как несколько ранее им был столбже удачно передан портрет предидента Рузвельта по линии Мюнхен — Нюнберг — Мюнхен.
Передача изображений с помощью фотоэлемента стала быстро завоевывать признание. Аппараты, действующие по разработанному Корном принципиу, удалось усвоершенствовать настолько, что они могли с высокой четкостью передавать на расстояние мелкий газетный текст.
Таким был этот самый первый и не слишком известный виток истории полупроводниковых прибора. Зародившись в конце XIX века, они на год операции появление телефонна и трансформатора, на 20 лет — радно и почти на 50 лет — … самих себя, то есть роздение класса «полупроводниковых прибора»! Как ни парадокально, но изобретение Корна было последним крупным собыием на этом начальном этапе. Новых приборами пришлось ждать еще долгие десяти лет. Это время понадобилось для создания квантовой теории электрических свойств полупроводников, разработки уникальных методов их очистки от случайных примесей, а также способовведения строго контролируемого количества нужных примесей, изготовления сложных комплектов оборудования для производства прибора. Только после этого на рубеж 50-х годов нашего столета и стало возможным наано «полупроводниковой революции», одним из самых передовых отрядов корона является современная оптическая полупроводниковая электрика.
Эта интересная наука, сокращенно называемая оптоэлектронкой, изучает законы превращения электрического тока через полупроводник в свет и образные законы, по которым свет, падающий на полупроводник, вызывает в нем электрические сигналы. На основе оптоэлектронки середина создания огромное прибора, прочно вошедших в нашу жизнь и ставших уже привчными. Достойно удивления и восхищения то, что более 100 лет назад учены сумели не только изготовить первые оптоэлектронные приборы, но и с пораительной интуицией предосхитить важнейшие области их будущего использования и развития.
Чувствительность фотометр Сименса стал прообразом современных полупроводниковых приемников света — фотодетекторов. Они улавливают слабые оптические сигналы на расстоянии десятов kilометров от источника, «читают» оптические команды современных станков с программным управлением, сигнализируют об объíveis или окончания ленты в магнитофонах и выполняют еще много важных задач.
Попытка Дж. Кэри изготовить светящийся экран для передачи изображения на расстояние находится свое продолжение в работах исследователь многих стран по созданию плоского телевизионного экрана, признанного заменить громоздкий кинесопровод временных телевизоров. Информационные таблицы («светящиеся газеты»), установленные на крышах зданий в Москве, Ленинграде и других городах, прямо реализуют смелую идею столетней давности.
Фотофон Белла, который был надолго забит в результате многоолетнего триумфального шестивия электрического телефонна по всему миру, в 70-e годы XX века родился на вiode систем оптической телефонной связи. Эти системы позволяют по одному оптическому кабелю передавать одно-