Чтение онлайн

УКВ, в свою очередь, подразделяются на диапазоны: метровый, дециметровый, сантиметровый, миллиметровый и субмиллиметровый.

Напомним, что световые волны имеют длину = 5·10– 2— 10– 7 см, в том числе волны видимого света = 8·10– 5 — 4·10– 5 см. Какой узкой щелкой является видимый свет по сравнению с диапазоном радиоволн!

Само слово радио появилось от латинского radio, что означает «испускаю лучи». Обычно под словом радио теперь понимается способ передачи информации посредством радиоволн (беспроволочный), а также область науки и техники, лежащая в основе этого способа и объясняющая его.

Современный мир трудно представить себе без радио. Радиотелеграфная связь и широко развившееся радиовещание, осуществляемое на ультракоротких, коротких, средних и длинных радиоволнах; также широко развившееся, особенно во второй половине XX в., телевидение с его поистине неисчерпаемыми возможностями; использование телевизионной аппаратуры в местах, трудно доступных или вовсе не доступных человеку (в космосе, на больших земных глубинах, в зонах повышенной радиации и во многих других случаях); появление и развитие радиолокации, позволяющей находить и распознавать искомые объекты путем фиксации отраженных радиосигналов; радионавигация, в которой используются как пассивные (прием на борту, например, корабля или самолета, сигналов наземных радиостанций), так и активные методы (когда на борту имеются радиолокационные установки); широкое применение радиотехники в космических исследованиях, в автоматическом управлении оборудованием и электронных вычислительных машинах (ЭВМ) — вот далеко не полный перечень использования радиометодов.

Выдающийся русский физик и инженер-электротехник Александр Степанович Попов (1859–1906) — изобретатель электрической, беспроволочной связи (радиосвязи) — в 1895 г., 25 апреля (7 мая), впервые в мире на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал сделанный им радиоприемник.

Приблизительно годом позже итальянский электротехник и предприниматель Гулъельмо Маркони, пользуясь аппаратурой, близкой к аппаратуре Попова, проделал опыт по использованию радиоволн для беспроволочной связи.

Слово электроника, появившееся на свет в XX в., означает также определенную (ныне чрезвычайно важную) область науки и техники. Если говорить о науке, то это вопросы взаимодействия электронов с электромагнитным полем. Что касается техники, то это создание электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных и полупроводниковых), используемых главным образом для передачи, обработки и хранения информации.

Первый период развития электроники, закончившийся в основном в пятидесятых годах XX в., характерен широким применением электровакуумных приборов — электронных ламп, в которых создается движущийся в вакууме поток электронов, отбираемых от катода, и производится с помощью создаваемого электродами электрического поля управление этим потоком. Электронные лампы представляют собой вакуумированные колбы, в центре которых находится источник электронов — катод (обычно вольфрамовая нить накала). Лампы могут иметь различное число электродов: два (диод), три (триод), четыре (тетрод), пять (пентод) и т. д. Электронные лампы нашли очень широкое применение, главным образом в радиоаппаратуре и в ЭВМ первого поколения. В их функции входило: выпрямление переменного тока, преобразование энергии источника тока в энергию электромагнитных колебаний.

Второй период развития электроники, начало которому было положено в пятидесятых годах XX в., определяется переходом (прежде всего в радиоаппаратуре и в ЭВМ теперь уже второго поколения) от электровакуумных приборов (электронных ламп) к полупроводниковым приборам.

Полупроводниками называются такие вещества, электрическая проводимость [359] которых имеет среднюю величину между электропроводностью металлов и диэлектриков. Важным свойством полупроводников является их способность очень сильно изменять свою проводимость при изменении температуры (при повышении температуры их проводимость резко возрастает), а также в результате изменения освещенности, воздействия электрического поля, потоков быстрых частиц и некоторых других внешних воздействий.

В качестве полупроводников используются главным образом монокристаллы германия и кремния, а также химические соединения некоторых других элементов. Важно отметить, что полупроводники очень чувствительны к загрязнению, т. е. к присутствию в полупроводниковом веществе других, посторонних веществ, даже в самом ничтожном количестве, а также к дефектам кристаллической решетки. Поэтому изготовление полупроводников — дело тонкое и трудное.

Носителями тока в полупроводнике являются электроны проводимости т. е. электроны, способные перемещаться по кристаллу, и так называемые дырки — положительно заряженные носители тока в полупроводнике, или, как их называют в физике, электронные вакансии в кристалле полупроводника, обладающие подвижностью. Не так просто популярно объяснить, что представляют собой положительно заряженные носители тока, названные дырками. Мы воспользуемся для этого словами известного советского ученого А. И. Китайгородского из его научно-популярной книги «Электроны» [360] . «Представьте себе строй физкультурников. Один человек вышел по каким-то причинам из строя. Осталось свободное место. Хотя это звучит не очень эстетично, скажем так: образовалась дырка. Для того чтобы выровнять строй, дана команда соседу „дырки“ передвинуться на свободное место. Но тогда, как совершенно ясно, образуется новое пустое место. И его можно заполнить, приказав следующему человеку занять место „дырки“. Если физкультурники будут перемещаться справа налево, то „дырка“ будет перемещаться слева направо. Вот эта схема и объясняет позитивную проводимость полупроводников».

В идеальных кристаллах электроны проводимости и дырки появляются всегда парами, в результате чего концентрации обоих типов носителей проводимости равны. В реальных кристаллах с присущими им примесями других веществ и дефектами структуры равенство обоих типов носителей тока нарушается, и в этом случае проводимость осуществляется только одним носителем тока — отрицательным (электроны проводимости) или положительным (дырки).

Третий период развития электроники, начало которому было положено в первой четверти 60-х годов, именуется периодом микроэлектроники или интегральной микроэлектроники.

Новым в этом случае является создание таких крошечных электронных элементов, что на первый взгляд это кажется фантастикой: посудите сами — до 10 тыс. в 1 см3 полупроводникового кристалла.

Создание интегральных микроэлектронных приборов является еще более тонким и трудным делом, чем производство обычных электронных приборов. Для их производства пришлось отказаться от существовавшей ранее технологии изготовления электронных приборов, заключавшейся в сборке отдельных их элементов — транзисторов, сопротивлений и др., соединяемых между собой проводниками, и перейти к конструированию электронного прибора непосредственно внутри (и на поверхности) полупроводникового кристалла. Эта более чем ювелирная работа производится путем внесения в нужные места кристалла (который должен быть превращен в интегральный, полупроводниковый, электронный прибор, могущий состоять из тысяч электронных элементов) примеси с отрицательными или положительными носителями тока. Иными словами, надо реконструировать полупроводниковый кристалл и превратить его в электронный (микроэлектронный) прибор.

Эта сложная работа, на сколько-нибудь подробном описании которой мы не можем останавливаться, была выполнена. Результатом явились различные микроминиатюризованные изделия высокого качества.

Нам предстоит теперь перейти к изложению принципа действия квантовых усилителей и генераторов (в число которых входят оптические квантовые генераторы — лазеры) — предмету, о котором особенно трудно рассказать в популярной форме.

Создание квантовых усилителей и генераторов явилось крупным научно-техническим событием, имевшим большое значение для развития электроники. В основе принципа действия этих приборов лежит особый тип взаимодействия излучения с веществом, открытый Эйнштейном еще в 1917 г., — вынужденное испускание (рис. 54).

Рис. 54. Схематическое изображение трех типов взаимодействия излучения с веществом

Слева — состояние системы до элементарного анта, справа — после. Поглощение ослабляет поток фотонов, вынужденное испускание — усиливает.

Рассмотрим атом, внешний электрон которого может двигаться по разным орбитам, обладая соответственно энергией Е1, Е2, Е3 и т. д. (см. рис. 54). Пусть сквозь такой атом пролетает фотон с энергией = hv = Е2 — Е1. Если атом находится в состоянии с энергией Е1 то он может поглотить такой фотон и перейти в состояние Е2 (возбудится); электрон перейдет при этом на более удаленную от ядра орбиту 2. Произойдет акт поглощения. При этом в потоке фотонов станет на один фотон меньше.

Возбужденный атом может испустить фотон и перейти при этом в состояние с энергией Е1 Электрон атома перейдет на орбиту 1. Произойдет акт спонтанного (самопроизвольного) испускания. Это второй тип взаимодействия излучения с веществом.

Третий тип взаимодействия излучения с веществом сводится к следующему. Атом возбужден и находится в состоянии с энергией Е2. Летят фотоны с энергией hv = Е2  — Е1 Оказывается, пролетающий фотон может стимулировать переход 2 -> 1. Испущенный при этом атомом фотон по всем параметрам (частота, направление движения и др.) идентичен фотону, который стимулировал переход. Это и есть вынужденное испускание. Поток фотонов при этом усиливается.