Điện tử quang học dưới ánh nến

9

ĐIỆN TỬ QUANG HỌC BẰNG ĐÈN NẾN

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
G. S. SIMIN

Điện tử quang học (hoặc quang điện tử) là lĩnh vực trẻ nhất và có lẽ là lĩnh vực hứa hẹn nhất của điện tử bán dẫn hiện đại, được các nhà vật lý, nhà phát triển máy tính tốc độ cực cao và hệ thống truyền thông siêu dài yêu thích. Nó được thực hiện bởi các phòng thí nghiệm tiên tiến nhất trên thế giới, được trang bị các thiết bị hiện đại nhất. Và tất nhiên không phải dưới ánh nến. Trong khi đó, chúng tôi sẽ kể câu chuyện của mình về quang điện tử từ thời xa xưa khi ở Nga A. N. Lodygin vẫn đang phát triển những thiết kế đầu tiên về đèn sợi đốt carbon, và châu Âu được chiếu sáng chủ yếu bằng nến và đèn lồng khí.

Trong số nhiều chất bán dẫn được biết đến vào thế kỷ 19—những chất được cho là “dẫn điện kém”—selenium là vật liệu nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Sự thật là vào năm 1873, nhân viên điện thoại người Anh A. May đã phát hiện ra rằng điện trở của selen giảm mạnh nếu ánh sáng chiếu vào nó. Có thể May đã không biết rõ về hiện tượng mới này, vì ông đã phát hiện ra nó khi đang kiểm tra các giá đỡ cách điện bằng selen cho cáp điện thoại. Nhưng lãnh đạo của May, kỹ sư W. Smith, ngay lập tức đánh giá cao tầm quan trọng của phát hiện này. Ông nhanh chóng thực hiện những nghiên cứu đầu tiên và báo cáo chúng dưới dạng bản in vào cùng năm 1873. Thông điệp này đã khơi dậy sự quan tâm lớn của các nhà vật lý trên khắp thế giới.

Các nhà khoa học từ Đức, Pháp, Anh, Nga và Mỹ đã chuyển sang nghiên cứu về selen. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để tăng tính nhạy cảm với ánh sáng của selen. Với mục đích này, mười phương pháp để có được nó đã được sử dụng. Tuy nhiên, tất cả những cuộc tìm kiếm này gần như được thực hiện “từ đầu” - xét cho cùng, các nhà vật lý của thế kỷ 19 không biết gì về độ nhạy đáng kinh ngạc của chất bán dẫn đối với tạp chất, cũng như về các phương pháp tinh chế chúng. Vì vậy, các kết quả được công bố mâu thuẫn với nhau; dữ liệu số được đưa ra khác nhau hàng chục, hàng trăm lần. Cũng có những tin nhắn đơn giản là thú vị (theo quan điểm ngày nay của chúng tôi). Ví dụ, một số tác giả đã viết rằng độ nhạy sáng của selen tăng lên nếu cao su hoặc long não, trước đây tăng trong ozone, được đặt bên cạnh nó. Những người khác đã báo cáo rằng selen nhạy cảm nhất với các loại dầu lân cận. Tuy nhiên, không nên quên rằng vào thời điểm đó chất bán dẫn vẫn chưa được công nhận là một loại vật liệu đặc biệt, đáng kinh ngạc. Vì vậy, đừng vội coi thường những thí nghiệm của một thế kỷ trước - đây là những bước đầu tiên trên con đường dẫn đến việc tạo ra các electron quang học.

“Sự bùng nổ selen” đã thu hút sự chú ý của kỹ sư điện nổi tiếng người Đức Werner Siemens. Siemens được cho là có tài năng sáng tạo hiếm có. Khi vẫn còn là một thanh niên hai mươi tuổi, đang thụ án 5 năm tù vì một âm mưu ở Duzla, anh ta đã phát minh ra phương pháp mạ bạc và mạ vàng và mạ vàng chiếc thìa trong tù của mình, chuyển vàng từ đồng xu nằm trong túi của anh ta lên đó. Đó là vào đầu những năm bốn mươi của thế kỷ 19. Vào những năm bảy mươi, Siemens, một nam châm công nghiệp lớn, tiến sĩ danh dự của Đại học Berlin, thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Berlin, tác giả của tiêu chuẩn kháng cự mạnh mẽ đã làm nên tên tuổi của ông, vẫn là nhà phát minh bất khuất như thời trẻ. Anh ấy bắt đầu quan tâm đến việc nghiên cứu selen và sở thích này có những hậu quả đáng kể đối với số phận của selen trong tương lai. Năm 1875, Siemens xuất bản

10

đã xuất bản một bài báo, trong đó cùng với mô tả chi tiết về các phương pháp thu được và tính chất của selen, ông đã báo cáo về một thiết bị mới mà ông đã phát minh ra - một quang kế điện tuyệt đối. Hãy nói đôi lời về trắc quang và tình trạng của nó trong thế kỷ 19 để các bạn có thể đánh giá rõ hơn phát minh của Siemens.

Có thể coi phép đo trắc quang có nguồn gốc từ thế kỷ thứ 2 sau Công nguyên. e., khi Ptolemy bắt đầu nghiên cứu độ sáng của các ngôi sao. Và tất cả sự phát triển tiếp theo của lĩnh vực khoa học này chủ yếu gắn liền với các quan sát thiên văn. Năm 1604, Kepler thiết lập định luật chiếu sáng. Năm 1729, nhà khoa học người Pháp P. Bouguer đã hình thành nguyên lý đo quang và đặt nền móng cho các phép đo khoa học trong lĩnh vực này. Ý tưởng của Booger là sử dụng khả năng của mắt để phát hiện sự khác biệt về ánh sáng, ngay cả khi sự khác biệt chỉ là 1%. Trong máy quang kế Bouguer, hai phần của màn hình được chiếu sáng bởi hai nguồn - phần đang được nghiên cứu (ví dụ: ngôi sao) và “tham chiếu” (ví dụ: ánh sáng). Có thể thay đổi độ sáng của phần màn hình mà nguồn tham chiếu chiếu vào (ví dụ: bằng cách đưa ánh sáng đến gần hoặc xa hơn). Nếu độ sáng do ngôi sao được nghiên cứu và ngôi sao “nhân tạo” tạo ra bằng nhau thì vị trí của lần đăng ký cuối cùng. Bằng cách này, các phép đo gián tiếp có thể được thực hiện.

Quang kế Bouguer đã được cải tiến nhiều lần trong suốt hơn 100 năm, nhưng nguyên tắc hoạt động cơ bản của nó vẫn không thay đổi: sự bằng nhau của độ chiếu sáng được xác định bởi mắt. Nhà thiên văn mệt mỏi - người đo chính xác rơi mạnh; với các sắc thái màu khác nhau của nguồn đo và nguồn tham chiếu, việc đánh giá trở nên khó khăn; một vật thể sáng xuất hiện trong trường nhìn - một lần nữa là lỗi trong phép đo. Bản chất chủ quan của phép đo đã trở thành một nhược điểm của phép đo trắc quang. Trong khi đó, nhu cầu về quang kế ngày càng tăng: đèn trần gian được thêm vào các thiên thể, độ sáng của chúng cũng cần được đo.

Tham gia nghiên cứu ở nông thôn, Siemens không thể bỏ lỡ cơ hội thực hiện các thí nghiệm. Ông đã thiết kế một quang kế trong đó, lần đầu tiên, sự đánh giá chủ quan bằng mắt bị loại bỏ và cường độ ánh sáng có thể được biểu thị bằng đơn vị điện. Mạch điện của quang kế Siemens bao gồm một tế bào điện, một điện kế và một mảnh selen với các điện cực dây. Trong bóng tối, điện trở selen lớn đến mức kim điện kế khó bị lệch. Khi tế bào được chiếu sáng, điện trở của nó giảm xuống, dòng điện tăng lên và kim điện kế càng lệch nhiều thì ánh sáng càng mạnh. (Đây chính xác là cách hoạt động của người tạo ảnh hoàn hảo!)

Dựa trên điện trở quang selec, Siemens đã chế tạo ra đồ chơi quang điện tử đầu tiên trên thế giới (tất nhiên lúc đó không ai gọi nó như vậy; thuật ngữ “quang điện tử” xuất hiện nhiều thập kỷ sau đó). Thành phần chính của món đồ chơi này là mô hình mắt người, trong đó có gắn một điện trở quang selen. Ngay khi một ngọn nến được đưa đến gần mắt, nó lập tức nhắm lại, “xoáy” trước ánh sáng rực rỡ, giống như nó còn sống.

Việc phát minh ra quang kế dòng bùn chỉ dẫn đến sự xuất hiện của hàng loạt thiết bị khéo léo. Một bước phát triển thú vị và rất táo bạo trong công việc của Siemens vào thời điểm đó là phát minh của kỹ sư người Mỹ J. Carey. Cùng năm 1875, ông đề xuất thiết kế một thiết bị truyền hình ảnh đi xa. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này giờ đây có vẻ rất đơn giản. Hình ảnh truyền đi đầu tiên được chiếu lên máy thu, bao gồm một số lượng lớn các tế bào dòng mảnh vụn được sắp xếp chặt chẽ với nhau. Điện trở của tế bào thay đổi ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào độ sáng của tế bào. Tái tạo hình ảnh trên một “màn hình”, là một bảng có bóng đèn và số lượng bóng đèn bằng số lượng tế bào địa chấn của máy thu. Mỗi bóng đèn được mắc nối tiếp với pin và nguồn điện áp tương ứng. Khi bạn bật điện áp của tế bào của một bóng đèn cụ thể, điện áp càng lớn thì điện trở của phần tử địa chấn kết nối với nó càng thấp, tức là tế bào tương ứng càng được chiếu sáng nhiều hơn. Bằng cách sử dụng chiều dài lớn hơn của dây kết nối máy thu và màn hình, hình ảnh có thể được truyền đi một khoảng cách đáng kể.

11

Tuy nhiên, phát minh của Carey hóa ra lại không thể thực hiện được vào thời điểm đó. Rốt cuộc, nếu máy thu chứa, chẳng hạn như 100×100 ô, thì cần phải căng 10.000 dây đến màn hình và kết nối chúng với 10.000 bóng đèn, với 10.000 nguồn, và để không một bóng đèn nào bị cháy!

Một số máy thu quang điện trở selecium sau đây đã gây ra cảm giác thực sự.

Sau đó tại Washington, Alexander Graham Bell đọc một cách thích thú các báo cáo từ nước ngoài về nghiên cứu về selen và bản thân ông đã thử nhiều phương pháp điều chế các vật liệu có độ nhạy sáng cao. Sau một số thí nghiệm thành công, thoạt nhìn, Bell đã nảy ra ý tưởng về một tên lửa - trong mạch điện kết nối mẫu dòng bùn đang nghiên cứu, để thay thế điện kế… bằng một chiếc điện thoại. Ý tưởng này sẽ không có gì lạ nếu chúng ta nhớ lại rằng trước đây không lâu Bell vừa xin cấp bằng sáng chế cho chiếc điện thoại đầu tiên trên thế giới và hiện đang phân phối thành công sản phẩm của mình trên khắp cả nước. Điện thoại của Bell phát ra âm thanh nếu dòng điện chạy qua nó thay đổi đủ nhanh. Vì vậy, Bell quyết định rằng nếu một mẫu cảm quang selen được nối nối tiếp với điện thoại *), thì điện thoại sẽ phát ra âm thanh khi ánh sáng chiếu vào selen thường xuyên bị gián đoạn. Vào ngày 17 tháng 5 năm 1878, khi đang giảng bài tại Viện Hoàng gia ở London, Tiến sĩ Bell tuyên bố rằng “có thể nghe thấy âm thanh do sự gián đoạn của ánh sáng”. Bell nhận được những âm thanh du dương có độ cao khác nhau bằng cách thay đổi tốc độ quay của một đĩa có các khe nằm giữa nguồn sáng và máy thu bùn.

Hai năm sau, ý tưởng của Bell đã có bước phát triển đáng kinh ngạc.

Vào một ngày hè đầy nắng năm 1880, người dân Washington kinh ngạc chứng kiến ​​một quý ông ăn mặc bảnh bao lắp đặt một công trình kiến ​​trúc kỳ lạ trên mái trường Franklin. Nhiều người đã nhận ra bạn và chủ đất của Giáo sư Bell là Master Tainter. Tainter chĩa một chiếc gương nhỏ vào mặt trời; ánh nắng phản chiếu xuyên qua một đường nhỏ và giống như một chùm sáng mỏng, chiếu thẳng vào cửa sổ tòa nhà đối diện. Tòa nhà này đặt Phòng thí nghiệm nghiên cứu Bell. Đứng sau tấm gương và gắn thứ gì đó giống như cái loa vào đó, Tainter bắt đầu nói nhỏ vào cái loa trong khi nhìn vào cửa sổ phòng thí nghiệm. Vào lúc đáp số Master Bell xuất hiện ở cửa sổ và vẫy mũ.

Vào ngày này, Bell và Tainter đã triển khai thành công điện thoại quang không dây. Cấu trúc trên mái nhà là một trạm phát sóng. Bell Labs đặt trạm tiếp nhận. Chùm tia chiếu từ mái nhà chạm vào bộ tách sóng quang - một điện trở quang selecium được nối thành mạch điện nối tiếp với điện thoại. Khi Tainter nói vào ống ngậm, âm thanh rung động khiến gương rung nhẹ. Đồng thời, do “mất nét”, độ sáng của bộ tách sóng quang đã thay đổi…
Điện thoại truyền đến bên tai, Bell nghe rõ ràng giọng nói của Tainter: “Ông Bell, nếu ông có thể nghe thấy tôi, hãy đến bên cửa sổ và vẫy mũ.” Đáp số Bella đã chứng minh sự thành công hoàn toàn của thí nghiệm.

Báo cáo giật gân về thí nghiệm của Bell và Tainter đã gây ra một làn sóng mới về sự quan tâm ngày càng tăng đối với selen và những nỗ lực mới nhằm tăng tính nhạy cảm với ánh sáng của nó. Bell nhất quán, thư tín của ông, K. Frits, đã có thể thu được các mẫu có điện trở dưới tác động của ánh sáng mặt trời giảm hơn 300 lần (Bell và Siemens chỉ đạt được mức thay đổi mười lăm lần). Frits cũng đề xuất một cách sử dụng khác của selen. Nếu bạn kết nối điện trở quang địa chấn với bất kỳ thiết bị điện nào thì thiết bị này có thể được điều khiển bằng ánh sáng. Ví dụ, phần tử dòng mảnh vụn có thể được đưa vào mạch rơle điện từ. Khi phần tử được chiếu sáng, điện trở của nó sẽ giảm, dòng điện trong mạch sẽ tăng lên và rơle tiếp điểm sẽ đóng mà không có bất kỳ kết nối trực tiếp nào vào mạch điện. Ý tưởng này chứa đựng các nguyên tắc hoạt động của cái gọi là optoar - một trong những yếu tố chính

*) Điều này không có nghĩa là toàn bộ thiết bị điện thoại mà chúng ta gọi là điện thoại, mà là bản thân phần tử Chuông phát ra âm thanh - một nam châm điện có MEMbrane.

12

tự động hóa hiện đại (chỉ cần nhớ các máy truy cập trong tàu điện ngầm).
Và mặc dù bộ ghép quang chỉ xuất hiện vào nửa sau của thế kỷ này, ý tưởng điều khiển quang học sử dụng phần tử chọn lọc đã được triển khai rất hiệu quả sớm hơn nhiều.

Vào ngày 1 tháng 2 năm 1907, tại Paris, một kỹ sư đến từ Munich, Arthur Korn, đã nói chuyện với các nhà báo, nhà khoa học, doanh nhân và các thành viên chính phủ trong một phòng họp đông đúc. Bên trái và bên phải anh ta, trên một chiếc bàn dài là hai hình trụ lớn quay chậm mà công chúng không rõ mục đích.

“Thưa bà và thưa ông,” Korn bắt đầu bài phát biểu của mình, “việc truyền các bức ảnh trong không gian bằng điện tín lời giải! Việc này có thể được thực hiện giống như cách chúng ta truyền âm thanh qua điện thoại.”

Trong phòng họp có những người không thuộc lĩnh vực khoa học nên Korn đã tiến hành những cuộc thảo luận rất dài dòng về thiết bị của điện thoại và điện thoại cũng như các chi tiết kỹ thuật khác nhau. Độc giả ngày nay «Kvant» đã quen thuộc với những “chi tiết” này, và do đó chúng tôi sẽ chuyển ngay sang phần giải thích về đồng yên của máy quang điện, lần đầu tiên được thực hiện cách đây 80 năm.

Bức ảnh không được truyền đi toàn bộ mà được chia thành 100 sọc và mỗi dải thành 100 phần tử. Tại trạm phát, bạn cần thay đổi âm sắc của từng phần tử và điều chỉnh dòng điện cho phù hợp. Tại trạm thu, sự thay đổi dòng điện này sẽ làm thay đổi cường độ ánh sáng của đèn, làm sáng một phần phim chụp. Bây giờ bạn cần chuyển sang phần tử tiếp theo tại trạm phát và di chuyển phim theo đó đến trạm thu. Ý tưởng này hay, nhưng nếu bạn chỉ dành 5 giây để chuyển một phần tử, thì than ôi, việc chuyển toàn bộ bức ảnh sẽ mất tới 14 giờ làm việc liên tục. Bây giờ, nếu bộ điều chỉnh dòng điện hoạt động tự động, ngay lập tức thay đổi âm sắc của từng phần tử và truyền nó đến trạm thu…

Một bộ điều chỉnh tự động như vậy có thể là một tế bào quang điện mặt trời. Ánh sáng tập trung của đèn, đi qua bức ảnh, được cuộn lại thành hình trụ và được gương phản chiếu lên tế bào quang điện mặt trời, tế bào này điều chỉnh dòng điện trong dây điện thoại. Xi lanh ở trạm phát quay và xi lanh ở trạm thu quay với tốc độ chính xác như nhau. Đèn thị giác di chuyển chậm rãi, “xem” các bức ảnh, và ở tốc độ tương tự, chùm tia phát hiện phim ảnh cũng di chuyển theo. Và mẫu dòng mảnh vụn sẽ gửi các xung vào đường dây liên lạc phản ánh chính xác hiệu suất của phần tử tiếp theo. Đơn giản phải không?

Trong khi đó, Korn mất hơn 3 năm để thực hiện ý tưởng của mình. Và khoảng cách hoàn toàn không phải là selen, không, bộ điều khiển bán tải hoạt động hoàn hảo.

14

Khó khăn chính là đạt được sự đồng bộ hóa hoàn toàn các chuyển động cơ học và sự bằng nhau về tốc độ quay của trống.

Cuối cùng, đến năm 1907 vấn đề đã được giải quyết. Và đây là một cuộc biểu tình ở Paris. Các trống được lắp đặt bên trái và bên phải của Korn là trạm phát và trạm thu. Và các dây dẫn ra khỏi trạm phát được kết nối với đường dây điện thoại Paris-Lyon. (Trên trang thứ hai của trang bìa có một bức ảnh từ tạp chí L’Illustration của Pháp, đưa tin về thí nghiệm giật gân của Korn.) Tín hiệu từ phần tử dòng mảnh vụn truyền dọc theo một bộ dây đến Lyon, và dọc theo bộ kia quay trở lại Paris, chỉ 1000 km. Bức ảnh được đặt trong ống truyền phát đã được “xem” trong 12 phút. Bộ phim từ xi lanh mồi ngay lập tức được phát triển và in - và một bức ảnh của Tổng thống Cộng hòa Pháp, Follier, được trình chiếu trước sự tán thưởng của khán giả. Korn, chấp nhận sự đàn áp, nói rằng ông không nghi ngờ gì về thành công, vì trước đó ít lâu ông đã chuyển thành công bức chân dung của Tổng thống Roosevelt dọc theo tuyến Munich-Nunberg-Munich.

Việc truyền hình ảnh bằng tế bào quang điện bắt đầu nhanh chóng được công nhận. Các thiết bị hoạt động theo nguyên lý do Korn phát triển đã được cải tiến đến mức có thể truyền văn bản báo nhỏ đi một khoảng cách với độ rõ nét cao.

Đây là vòng đầu tiên và không mấy nổi tiếng trong lịch sử của các thiết bị bán dẫn. Bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19, họ đã chứng kiến ​​​​sự xuất hiện của điện thoại và máy biến áp trong một năm, trong 20 năm - thật hạnh phúc, và trong gần 50 năm - … chính họ, tức là sự ra đời của lớp “thiết bị bán dẫn”! Nghịch lý thay, phát minh của Korn lại là sự kiện lớn cuối cùng ở giai đoạn đầu này. Chúng tôi đã phải đợi thêm mười năm nữa mới có được thiết bị mới. Thời gian này là cần thiết để tạo ra một lý thuyết lượng tử về các tính chất điện của chất bán dẫn, phát triển các phương pháp độc đáo để tinh chế chúng khỏi các tạp chất ngẫu nhiên, cũng như các phương pháp đưa vào một lượng tạp chất mong muốn được kiểm soát chặt chẽ và sản xuất các bộ thiết bị phức tạp để sản xuất thiết bị. Chỉ sau đó, vào đầu những năm 50 của thế kỷ chúng ta, “cuộc cách mạng bán dẫn” mới trở thành hiện thực; một trong những đơn vị tiên tiến nhất của vương miện là điện bán dẫn quang học hiện đại.

Khoa học thú vị này, gọi tắt là quang điện tử, nghiên cứu các định luật chuyển đổi dòng điện qua chất bán dẫn thành ánh sáng và các định luật tượng trưng theo đó ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn gây ra tín hiệu điện trong đó. Dựa trên quang điện tử, việc tạo ra một thiết bị khổng lồ đã trở nên vững chắc trong cuộc sống của chúng ta và đã trở nên quen thuộc. Thật đáng ngạc nhiên và ngưỡng mộ khi hơn 100 năm trước, các nhà khoa học không chỉ có thể chế tạo ra các thiết bị quang điện tử đầu tiên mà còn bằng trực giác đáng kinh ngạc, có thể dự đoán những lĩnh vực quan trọng nhất trong việc sử dụng và phát triển trong tương lai của chúng.

Độ nhạy của quang kế Siemens đã trở thành nguyên mẫu của máy dò ánh sáng bán dẫn hiện đại - bộ tách sóng quang. Chúng thu tín hiệu quang yếu ở khoảng cách hàng chục km tính từ nguồn, “đọc” lệnh quang của các máy điều khiển bằng máy tính hiện đại, báo hiệu điểm cuối của băng trong máy ghi băng và thực hiện nhiều chức năng quan trọng khác. bài toán.

Nỗ lực của J. Carey nhằm tạo ra một màn hình phát sáng để truyền hình ảnh đi xa đang được tiếp tục trong công trình của các nhà nghiên cứu ở nhiều nước nhằm tạo ra một màn hình tivi phẳng, được coi là để thay thế mạch phim cồng kềnh của những chiếc tivi tạm thời. Các bảng thông tin (“báo phát sáng”) được lắp đặt trên nóc các tòa nhà ở Moscow, Leningrad và các thành phố khác đã trực tiếp thực hiện một ý tưởng táo bạo đã có hàng trăm năm tuổi.

Photophone của Bell, vốn đã bị khai tử từ lâu do cuộc diễu hành thắng lợi kéo dài nhiều năm của điện thoại điện trên khắp thế giới, đã ra đời vào những năm 70 của thế kỷ 20 trên Biode của hệ thống điện thoại quang. Các hệ thống này cho phép một cáp quang truyền một