Diody i triody germanowe
Radioamator 7/1952

     Wszyscy znamy doskonale detektor kryształowy, w skład którego wchodzi kryształ galeny (siarczek ołowiu PbS). O kryształ ten opiera się ostrze i dzięki własnościom takiego zespołu prąd płynie praktycznie tylko w jedną stronę od ostrza do kryształu, a prawie wcale w kierunku odwrotnym. Te własności detektora kryształkowego pozwalają na prostowanie prądów wielkiej częstotliwości i demodulację sygnałów antenowych. Detektorki te znalazły zastosowanie od zarania radiotechniki, kiedy to nie było jeszcze wcale lamp elektronowych i do dziś jeszcze służą doskonale, a ich popularność jest spowodowana tym prawie wyłącznie, że do pracy nie wymagają żadnych pomocniczych źródeł prądu elektrycznego. Do celów "poważnej" elektroniki zostały one już bardzo dawno zastąpione przez diody lampowe.
     Z chwilą zastosowania fal ultra-krótkich, np. do radaru, dioda lampowa, jak się okazało, nie spełniała zbyt dobrze swojej funkcji, przede wszystkim ze względu na swoją stosunkowo znaczną pojemność anoda-katoda. Powrócono więc do starego kryształka w unowocześnionej oczywiście formie. Początkowo użyto kryształu silikonu (związek krzemu). Taki kryształ wykonany w formie stałej, to znaczy bez ruchomego ostrza, lecz z ostrzem raz na zawsze umiejscowionym, spełniał doskonale swe zadania, aż do fal centymetrowych. Jedyną jego co prawda bardzo poważną wadą, była duża wrażliwość na przeciążenia. Raz i drugi przeciążony kryształ silikonowy nie nadawał się do użytku; miejsce styku traciło swe własności prostujące. Oczywiście, że inne miejsca były nie naruszone, ale żadnego nie było z nich pożytku, ponieważ dioda silikonowa była fabrycznie zaprasowana w plastikowej kapsułce.
     Niedługo po wykonaniu diody silikonowej stwierdzono, że diody z kryształu germanu dają doskonałe wyniki i nie są tak przeciążalne jak silikonowe. Początkowo co prawda gorzej pracowały przy falach najkrótszych, lecz w miarę poszukiwań i badań i ten mankament został stopniowo usunięty.
     German jest to rzadki metal, znajdujący się w następującej grupie pierwiastków (wg tabeli Mendelejewa): miedź (Nr 29), cynk (Nr 30), galium (Nr 31), germanium (Nr 32), arsen (Nr 33), selen (Nr 34) i brom (Nr 35).
     Małe, na stałe zmontowane detektorki z germanu wykazały doskonałe własności w detekcji fal centymetrowych i znajdują wiele zastosowań zamiast diod lampowych, między innymi do przyrządów pomiarowych, falomierzy, ograniczników itp.
     Badania nad detektorami germanowymi doprowadziły do odkrycia niezmiernie ciekawego zjawiska. Okazało się, że jeśli do kryształu germanu przytknąć dwa ostrza, bardzo blisko siebie (odległość 0,05 do 0,25 mm) to między prądami, jakie płyną przez te dwa ostrza powstaje pewna współzależność, którą można wyzyskać dla otrzymania wzmocnienia.


Rys.1

     Dwa ostrza odgrywają rolę jedno elektrody sterującej, drugie elektrody zbierającej. Pierwsza nazywa się "emiterem", zaś druga "kolektorem" (rys.1). Do emitera przykłada się napięcie polaryzujące dodatnie około 1 wolta wraz z sygnałem wejściowym. Do kolektora dopasowuje się napięcie ujemne takie, aby prąd kolektora był tego samego rzędu co emitera. Przeważnie wynosi to napięcie 20÷30 woltów. Znaczna część prądu emitera przechodzi do kolektora, wzmocnienie zaś wynika z tego, że obciążenie stosowane w obwodzie kolektora ma oporność około 100 razy większą, niż obwód wejściowy emitera. Wielkość oporności wejściowej i wyjściowej oraz kierunki załączenia baterii są odwrotne w stosunku do tych, jakie spotykamy w normalnych lampach elektronowych.
     Teoria działania transistora i mechanizm przepływu elektronów w pobliżu kontaktów, nie zostały dotychczas całkowicie wyjaśnione. Dość prawdopodobna hipoteza twierdzi, że istnieją dwie odmiany kryształu germanu "n" - który jest źródłem wędrujących wolnych elektronów, oraz "p", w którym elektrony tworzą mniejsze lub większe zagęszczenia. Przesuwanie dziur elektronowych pod wpływem sygnałów przyłożonych do odpowiednio spolaryzowanych ostrzy jest przyczyną działania transistora.
     W kapsułce stanowiącej podstawę transistora całość jest z germanu "n", zaś odpowiednio spreparowana powierzchnia z gemranu "p". Ruchliwość "dziur" elektronowych w takim zestawieniu jest dość znaczna, mimo że ruch nie odbywa się w próżni. W każdym razie transistor może pracować na falach krótkich, aż do 30 m długości.
     Choć technika zastosowania transistorów różni się znacznie od normalnych lamp elektronowych zwłaszcza pod względem dopasowania obwodów do warunków niskiej oporności wejściowej, zdołano już skonstruować na samych transistorach doświadczalne odbiorniki o mocy wyjściowej 25 miliwatów, wzmacniaki telefoniczne, oraz oscylator częstotliwości akustycznych.
     Ustawianie ostrzy w bardzo bliskim sąsiedztwie i utrzymywanie ich bez najmniejszych drgań i przesunięć w czasie pracy i ewentualnych nieuniknionych wstrząsów, było bardzo poważnym problemem mechanicznych i produkcyjnym.
     Postępem w konstrukcji transistorów było umieszczenie ostrzy w jednej osi, po obu stronach kapsułki germanowej. W kapsułce tej wyszlifowano wklęśnięcie z jednej lub z obu stron, na grubość około 0,1 mm. Ostrza zbliżają się więc do siebie na żądaną odległość, ale rozwiązanie to zapewnia dużą stabilność mechaniczną i odporność na wstrząsy czy nawet upadki, ostrza bowiem tkwią solidnie w swoich wklęsłościach i nawet lekkie przesunięcie któregokolwiek z nich nie zmienia praktycznie ich wzajemnego położenia i odległości (rys.2). Poza tym, sam german (połączony do masy) stanowi ekran elektrostatyczny pomiędzy ostrzami, a więc pomiędzy wejściem i wyjściem układu, co przecież jest często warunkiem stabilnej pracy wzmacniacza w częstotliwości.


Rys.2

     Wzmocnienie następuje tu na tej samej zasadzie co w transistorze jednostronnym z tym, że prądy przesuwają się na wskroś masy germanu, a nie po jego powierzchni.
     Kapsułka germanu ma w nowym wykonaniu około 3 mm średnicy i 0,5 mm grubości. Wyszlifowane wklęśnięcia zbliżają ostrza na odległość około 0,1 mm.
     Ostatnio dokonano jednak odkrycia niemniej rewelacyjnego niż sama zasada transistora. Stwierdzono bowiem, że styk dwu odmian german p-n ma własności prostujące. Otrzymano więc w ten sposób elementy prostownicze znacznie przewyższające pod każdym względem diody germanowe z ostrzem i to zarówno pod względem wielkości prądu przewodzonego jak i mniejszej znacznie wartości prądu odwrotnego. Również i pojemności własne zmalały, a przynajmniej nie wzrosły.
     Odkrycie poszło jednak dalej, stwierdzono bowiem, że uwarstwowienie germanu p-n p, a więc równoważne właśnie dwóm ostrzom, po jednym z każdej strony centralnej warstwy n, odpowiada pod każdym względem własnościom transistora współosiowego, a dane elektryczne są o wiele bardziej korzystne, nie mówiąc już o solidności mechanicznej. W tym to właśnie ostatnim wykonaniu transistor zdobędzie sobie bez wątpienia poczesne miejsce wśród elementów urządzeń elektronowych.
     German jest jednak bardzo rzadkim pierwiastkiem, którego obecność można wykryć przy pomocy bardzo subtelnych metod chemicznych i fizycznych, ale od tego do jego produkcji na skalę poważniejszą jest jeszcze bardzo daleko. Potrzeba jest jednak matką wynalazków i stworzono metody wykrywania i ekstrakcji germanu przy produkcji cynku i kadmu. Czystość tak otrzymanego pierwiastka pozostawiała wiele do życzenia. Obecny sposób wydobywania wykorzystuje więc obecność germanu w niektórych rodzajach węgla i wyciąga się go z pyłu uchodzącego z kominów np. elektrowni. Obfitość zaopatrzenia w chemicznie i fizycznie czysty german, i to przy niezbyt wygórowanych kosztach została w ten sposób zapewniona. Dzięki zaś temu właśnie ostatnio pojawiły się prostowniki germanowe przeznaczone dla prostowania dość znacznych prądów w układach prostowniczych sieciowych. Okazały się one mniejsze i sprawniejsze nawet od prostowników selenowych.

[Dział Historia]

© 2000-2002 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl