Заслуги русского физика и электротехника, профессора Александра Степановича Попова, отражены как-то однобоко и неполно. Из школьного учебника подросток узнает, что Попов изобрел грозоотметчик, в учебнике же приводится схема устройства с описанием принципа его действия и устройства.
Но грозоотметчик, или "детектор молний", представленный Поповым 7 мая (ныне День радио) 1895 года, реагировал на электромагнитное поле грозового разряда, о приемниках для приема сигналов передающих устройств речь пока не шла.
А затем школьникам как-то сумбурно поясняется, что Попов продолжал работу над созданием передающих и приемных устройств, упоминается прогресс в увеличении дальности радиосвязи, несколько примеров применения устройств на практике, а также говорится о том, что Попов не брал патенты на свои разработки, в результате изобретение радио приписывается (на Западе) более оборотистому итальянскому радиотехнику и предпринимателю, маркизу Гульельмо Маркони.
Маркони, в отличие от Попова, все свои изобретения патентовал. Есть и объяснение "скромности" Попова - его работы были связаны с военным ведомством, и не исключено, что патенты не оформлялись исходя из режима секретности.
Но на одно из своих изобретений Попов патент взял, на основе привилегии на изобретение № 6066 от 14 июля 1899 года. Патент взят не только в России, но и в Англии и во Франции. Если название устройства по русскому патенту достаточно общее - "Приемник депеш, принимаемых с помощью электромагнитных волн", то в английском патенте назначение устройства более конкретизировано - "Улучшение когерера для приема телефонных и телеграфных сигналов".
Изобретенное устройство является самым настоящим детекторным приемником, первым в мире, способным на прием высокочастотных колебаний с амплитудной модуляцией. Приемник был способен принимать передаваемую речь; впрочем, с весьма плохим качеством, но в те годы это определялось не приемником, а передатчиком, который был искровым.
Современные энтузиасты делают реплики приемника Попова, которые прекрасно принимают еще кое-где работающие (в Китае) СВ-станции, а также близлежащие любительские коротковолновые.
Принимать передаваемую речь Попов начал с 1903 года, после того, как российский изобретатель С.Я. Лифшиц изобрел в 1902 году искровой передатчик с микрофоном (разумеется, в те времена угольным). О передатчике Лифшица как-нибудь в другой раз, а пока о радиотелефонном приемнике Попова.
В грозоотметчике, а в дальнейшем в приемниках телеграфных сигналов, Попов использовал для детектирования (обнаружения) сигналов известный когерер французского изобретателя, физика и инженера Эдуарда Бранли.
Когерер Бранли 1890 года представлял собой закрытую пробками с концов стеклянную трубку с двумя электродами, наполненную металлическими опилками, которые меняли свою проводимость от ВЧ-воздействия, при пропускании через когерер ВЧ-колебаний. Изначально сопротивление когерера было очень велико (между опилками не было надежного контакта), но от электромагнитного воздействия опилки сцеплялись (в латинском языке корень слова означает связывать), и сопротивление прибора резко уменьшалось.
Но эффект был триггерным - электромагнитное воздействие исчезало, а когерер не восстанавливался, продолжал проводить. В исходное состояние его приводило встряхивание. В современном понимании когерер - ключ, управляемый резистор. Последовательно с когерером можно было включить исполнительный элемент (звонок или электромагнит), которые и производили нужное действие - оповещали о событии звуковым сигналом либо делали отметку на бумажной ленте телеграфного аппарата.
Когерер можно было встряхивать вручную, Попов процесс автоматизировал - молоточек звонка уходил в одну сторону и ударял по чашечке-колокольчику, а при обратном движении встряхивал когерер, который вновь становился восприимчивым к приему следующего сигнала.
Итак, когерер был лишь триггерным ключом, аналогом современных устройств на транзисторах или тиристорах, ни о каком детектировании ВЧ-колебаний (в смысле выпрямления) речь не шла. Бранли называл свой когерер "радиокондуктором", поскольку кондуктор означает проводник.
Попов же заявил в патенте особую "чувствительную трубку" со свойствами, радикально отличавшимися от когерера Бранли, что и позволяет говорить о создании первого в мире полупроводникового детектора.
Предыстория вопроса такова. Ассистенты Попова радиотехник П.Н. Рыбкин и капитан Д.С. Троицкий (не забываем,что Попов работал по военному ведомству, был статским советником, что есть промежуточное звание между полковником и генерал-майором, нечто вроде современного бригадного генерала, и к нему необходимо было обращаться "ваше высокородие") экспериментировали с когерером Бранли, и обнаружили, что если включить в его цепь вместо неисправного реле телефонную трубку, телефон издает звуки при электромагнитном воздействии на когерер, притом нужды в периодическом встряхивании когерера не было.
Эффект был неустойчивый, объяснить его не удавалось, и Попов сам взялся за исследование явления, выявляя на опыте оптимальные параметры трубки и подбирая наилучшую схему ее включения. В результате опытов он пришел к заключению, что стальные опилки следует заменить мелким стальным бисером, а металл бисера должен быть окислен с поверхности; тем самым было установлено, что действующим веществом трубки являлась не сталь как таковая, а окисел железа - оксид железа FeO. Исходя из современных представлений, оксид железа - оксидный полупроводник с p-проводимостью (дырочной) при ширине запрещенной зоны 2,2 эВ.
Оксид железа образуется на поверхности стали при ее воронении. Многие радиолюбители знают, что детектор можно сделать из лезвия бритвы, прокалив ее предварительно, до образования на поверхности пленки оксида железа. Другим контактом детектора служит графитовый стержень от карандаша.
Но как могла явиться полупроводником диодом трубка с мелкими стальными шариками, даже если их поверхность и представляла собой полупроводник?
Чтобы пояснить, придется отвлечься в сторону и вернуться в 50-е годы, в эпоху, когда радиолюбители, по совету справочника на все случаи жизни "Книга вожатого", плавили серу со свинцом и получали галеновый кристалл полупроводника для своего первого детекторного приемника.
Чтобы кристалл работал, его необходимо было обернуть в фольгу (от шоколадной плитки), поместить (в фольге) в жестяную чашку, и через жесткую регулируемую конструкцию прижать к открытой части кристалла пружинку из стальной балалаечной струны. После поисков, перемещая острие струны, удавалось найти "чувствительную точку", в итоге детектор, по нынешним понятиям точечный диод, был готов.
Но ведь были и другие варианты: обернуть кристалл фольгой с 2 сторон, что тоже 2 вывода; приспособить пружинку с 2 сторон кристалла, тоже 2 вывода. Получим ли мы детектор? Опыт покажет, что в 1-м случае имеем короткое замыкание, во 2-м обрыв либо короткое замыкание, а может и вновь детектор, как повезет.
Если строже, то в 1-м опыте получаем малое сопротивление базы (которое неизбежно присутствует в любом диоде и ухудшает характеристики), а во втором большое обратное сопротивление диода либо опять сопротивление базы, смотря куда попадут пружинки, либо же нормальный детектор, но с трудом настраиваемый, поскольку перемещать приходилось уже 2 пружинки, устанавливаемые на области с разным типом проводимости. Ниже картинка в большом масштабе.
Зеленый цвет - кристалл, черные вкрапления по поверхности и в массе - области иной проводимости. Чтобы кристалл детектировал, пружинка должна попасть в область с иной проводимостью, а фольга обеспечить контакт с выходящей на поверхность базой.
А теперь возвращаемся к мелкому стальному бисеру из "чувствительной трубки" Попова. Каждая бисеринка в своей массе база; поверхность покрыта слоем полупроводника (оксида железа), но если бы полупроводниковая поверхность была сплошной, никакого эффекта бы не было. Оксид желаза обладает p-проводимостью (дырочной), сталь n-проводимостью (электронной).
Каждый шарик представлял бы собой плоскостной диод, с обращенным к нам анодом, а катод был бы упрятан внутри шарика, без права доступа к нему. В итоге трубка бы не проводила ни при каких условиях.
Но поверхность оксида железа, как и галенового кристалла, неравномерная, на ней есть чувствительные точки, как на любом полупроводниковом кристалле, и точки выхода базы. Казалось бы, делай детектор по примеру галенового, но бисеринки упакованы в трубке между 2 платиновыми пластинками (выводами; в дальнейшем Попов заменил платиновые электроды на угольные), и контактируют между собой непредсказуемо. Но контакты в основном точечные, т.е. реализуется гипотетический случай с 2 пружинками на галеновом кристале (оттого мы и уделили такому, казалось бы, совершенно глупому варианту, время и внимание).
В итоге возможны 4 комбинации при контакте 2 шариков. Каждый шарик в контакте выступает либо как диод (контактирует p и n областями), либо как короткое замыкание (контактирует n-областями), либо как обрыв (контактирует p-областями). И все это случайно перемешано между платиновыми пластинками-выводами, что же будем иметь на выходе?
Ниже картинка с наиболее интересным для нас случаем.
Каждый шарик - множество диодов с анодами на оксидной поверхности и катодами в стальной массе шарика. Но на поверхности имеются и контактные площадки от ядра, в итоге ничто не мешает реализоваться изображенной выше комбинации, сводящейся к встречно-параллельному включению диодов. Т.е. на всю трубку достаточно всего одной (!) такой комбинации, чтобы вся трубка вела себя как пара встречно-параллельных диодов. Притом в той же трубке реализуется масса комбинаций с последовательным, параллельным включением диодов, встречно-последовательным - это уже не может изменить общей картины, которая просто обязана реализоваться по закону больших чисел.
Но как сконструировать детекторный приемник, имея вместо одного диода парочку неразлучно встречно-параллельно включенных? Ниже вольт-амперная характеристика (ВАХ) такого комбинированного диода.
Если прибор с такой ВАХ включить вместо диода в схему детекторного приемника, прибор будет работать в точке A. Обе полуволны ВЧ-колебаний пройдут к нагрузке (телефонам), после усреднения (конденсатором, при наличии) напряжения НЧ на нагрузке не будет.
Так был ли смысл работать с прибором, подобным трубке Попова? Решение оказалось достойным профессора Попова. В схему была включена гальваническая батарея (наличие которой в детекторном приемнике не обязательно, хотя иногда смещение диода помогает, см. нашу прежнюю статью), и выбрана новая рабочая точка - B.
По сути, один из встречно-включенных диодов запирается, в зависимости от полярности батареи, а работающий диод выходит на более благоприятный, в смысле коэффициента передачи, режим работы.
Но напряжение батареи также должно быть тщательно подобрано. При большом напряжении, выходе в точку C на линейном участке характеристики (обязанному своим происхождением сопротивлению базы), детектирование также пропадает. А вот полярность батареи роли не играет - благодаря симметричности характеристики она может быть любой.
Ниже схема приемника депеш Попова по его собственноручному чертежу из патента 1900 года (слева), и эта же схема в современных обозначениях, с разворотом под общее восприятие подобных схем (справа).
На рисунке Попова хорошо видны "приемный проводник" (антенна), чувствительная трубка, телефоны, батарея и "земля" в виде зарытого в грунт металлического листа.
Итак, 110 лет назад был изобретен первый детекторный приемник. Детектор Попова имел недостаток - был чувствителен к появлению ржавчины, которая, хотя тоже представляет собой смесь окислов железа, полностью нарушает работу устройства.
Пришедшие на замену кристаллические диоды уже не ржавели в условиях высокой влажности, и трубка Попова была вытеснена более надежными приборами.
