Ultrakrótka historia elektroniki – wzmacniacze półprzewodnikowe

W poprzednim artykule omówiliśmy niemal dwustuletnią historię materiałów półprzewodnikowych. Zaczęło się od Michaela Faradaya, ale on przeprowadził jedynie wstępne próby. Zaskoczeniem może być informacja, że pierwsze użyteczne wzmacniacze półprzewodnikowe pojawiły się sto lat temu!
W jednym z poprzednich odcinków wspomniałem, że już sto lat temu zaobserwowano dziwne właściwości niektórych detektorów kryształkowych, które były prymitywnymi diodami ostrzowymi. Końcówką drucika dotykano powierzchni galeny, pirytu, karborundu lub innego minerału i w ten sposób powstawało złącze metal – półprzewodnik. Tu od razu nasuwa się wniosek, że jeżeli metal – półprzewodnik, to były to diody Schottky’ego. Teoretycznie tak powinno być, jednak tym półprzewodnikiem był jakiś naturalny minerał – kryształ z rozmaitymi zanieczyszczeniami w strukturze i na powierzchni. Dlatego w radioodbiornikach detektorowych trzeba było dotykać końcówką drucika różnych punktów powierzchni kryształu, żeby znaleźć miejsce „gdzie grają”.

Z tego powodu były to bardzo kapryśne, niestabilne elementy o właściwościach zależnych od szeregu czynników. O właściwościach innych niż popularne, współczesne diody Schottky’ego.

Krystadyna

Określenie „krystadyna” (ang. cristadyne albo częściej cristodyne) dotyczy pierwszych półprzewodnikowych wzmacniaczy z lat 20. XX wieku.

I tu trzeba przywołać nazwisko tragicznie zmarłego radzieckiego naukowca, wynalazcy diody LED (!). Otóż już we wczesnych latach 20 XX wieku młodziutki Oleg Łosiew (Олег Владимирович Лосев) przeprowadzał udane eksperymenty ze wzmacniaczami, które dziś nazwalibyśmy półprzewodnikowymi.

Ale zacząć trzeba od tego, że zasadniczo detektor kryształkowy jest diodą, w idealnym przypadku przewodzącą prąd w jednym kierunku. W praktyce było zwykle dużo gorzej i można tylko mówić, że w takim elemencie prąd nieco chętniej płynął w jednym kierunku, niż w drugim. Od tej różnicy, czyli od jakości detektora zależała skuteczność odbioru. Gdy prąd przez taki prymitywny element jednakowo chętnie płynął w obu kierunkach – skuteczność odbioru radiowego była zerowa.

Dlatego poszukiwano jak najlepszych materiałów i sposobów realizacji diody ostrzowej. I robili to najczęściej praktycy, w tym hobbyści, a nie naukowcy. I właśnie podczas różnych przypadkowych prób okazało się, że w nielicznych sytuacjach odbiór jest wyjątkowo dobry – lepszy od oczekiwań opartych na doświadczeniu.

To zaskakujące, ale okazało się, że nieliczne detektory kryształkowe są jednocześnie wzmacniaczami. Tylko często było to kwestią przypadku i nikt nie rozumiał, dlaczego wzmacniają!

Dziś w szkole uczymy się m.in. o wynalezionych dużo później diodach tunelowych (diodach Esaki’ego), które do niedawna służyły, a nawet do dziś służą, do wzmacniania sygnałów o bardzo dużych częstotliwościach.

Podobnie działające wzmacniacze półprzewodnikowe zawierające minerał cynkit – tlenek cynku, dokładnie sto lat temu zaproponował i z dość dużym powodzeniem realizował młody radziecki naukowiec Oleg Łosiew, bardziej znany jako wynalazca diody LED. Jego sukcesy szybko stały się znane także na Zachodzie, bowiem na samym początku lat 20. naukowcy ZSRR nie byli jeszcze odcięci od reszty świata. Rysunek 1 pokazuje schemat odbiornika z krystadyną.

Obrazek ten pochodzi z amerykańskiego czasopisma z września 1924 roku – rysunek 2.

Krystadyna to w zasadzie detektor kryształkowy, czyli dioda, prostująca sygnał z anteny. Ale nie zwyczajna dioda, nie dioda Schottky’ego, tylko coś, co nazwalibyśmy rodzajem diody tunelowej. Eksperymentalne dobranie wartości płynącego z baterii przez taka diodę stałego „prądu podkładu” pozwala na pracę diody w obszarze ujemnej rezystancji, gdzie ma ona właściwości wzmacniające. Dla wtajemniczonych: z najprostszego radioodbiornika detektorowego robimy w ten sposób dużo czulszy odbiornik reakcyjny.

Fotografia tytułowa pokazuje przykład zastosowania krystadyny. Ale nie jest to odbiornik radiowy, tylko generator. A wbrew opisom w Internecie, rysunek 3 nie jest schematem radioodbiornika, tylko właśnie tego generatora z krystadyną, generatora, którego działanie przypomina nadajnik, a nie odbiornik.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze majowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.