Транзистор?.. Это очень просто!

Н. — Можно ли в чем-нибудь еще упрекнуть транзистор?

Л. — К несчастью, да. Его возможности ограничены по частоте и по мощности. Он не может работать на частотах, превышающих несколько тысяч мегагерц…

Н. — Но это не так уж плохо, если вспомнить, что мегагерц — это миллион периодов в секунду.

Л. — Он также не может работать при больших мощностях, так как в этом случае теплота, выделяемая в транзисторе, резко ухудшает его отдачу. Тем не менее удается превысить мощность в 100 Вт.

Н. — Не думаешь ли ты, что эти недостатки исключают возможность широкого применения транзисторов?

Л. — Конечно, нет. С тех пор как транзистор был изобретен в 1948 г. тремя американскими физиками — Бардиным, Брэттейном и Шокли, которые получили за это изобретение Нобелевскую премию, он непрерывно совершенствовался. Уже сейчас транзистор в большинстве случаев может успешно заменить электронную лампу. Но я не думаю, что придет такой день, когда можно будет полностью отказаться от применения электронных ламп.

Возвращение к истокам

Н. — Теперь, когда меня больше не осаждает нестройный хор портативных приемников, как на пляже, я больше, чем когда бы то ни было, хочу понять, как работают транзисторы и каким образом их можно использовать.

Л. — Любопытная вещь: насколько просты наиболее распространенные транзисторные схемы, настолько сложны явления, происходящие в этих крохотных полупроводниковых приборах.

Н. — Я подозреваю, что в транзисторе, как и в лампе, имеются катод, сетка и анод.

Л. — Действительно, там различают области, которые в известной мере играют роль, аналогичную электродам вакуумного триода: эмиссия потока электронов, регулировка плотности и его фокусировка. И если ты желаешь, я могу кратко рассказать о применении транзисторов, не анализируя принципа их работы. Согласен?

Н. — Нет, я предпочитаю разобраться, что там в действительности происходит. Ты приучил меня рассуждать и анализировать механизм изучаемых явлений. Сохраним же эту традицию.

О молекулах и атомах

Л. — Ты прав. Но в этом случае мы должны начать с начала, т. е. со строения материи.

Н. — Мне кажется, что это… материя, которую мы давно знаем. Самая маленькая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства, называется молекулой — так сказано в моем учебнике физики.

Л. — Однако там не сказано, что в настоящее время мы знаем около полумиллиона разных молекул, являющихся результатом различных комбинаций примерно ста простых элементов.

Н. — Да, но там сказано, что все молекулы находятся на некотором расстоянии одна от другой (чем и объясняется сжимаемость всех тел); что они притягивают одна другую (к нашему счастью, иначе все предметы немедленно превратились бы в пыль) и что они находятся в беспорядочном движении, скорость которого по мере повышения температуры увеличивается.

Л. — Браво, Незнайкин! Ты все меньше и меньше оправдываешь свое имя… Раздробим молекулы, которые состоят из атомов, т. е. элементарных частиц простых веществ (или элементов). Каждый атом, как ты знаешь…

Н. — …представляет собой как бы миниатюрную солнечную систему со своим солнцем-ядром, состоящим из протонов (элементарных положительно заряженных частиц) и нейтронов, а планетами этой системы являются электроны, или вращающиеся вокруг ядра элементарные частицы отрицательного электричества (рис. 2).

Рис. 2. Атом лития имеет два электрона, вращающихся на оболочке К, и один электрон на оболочке L.

Л. — Ты говоришь как по книге, но нужно быть осторожным с аналогиями. Если все планеты солнечной системы движутся в одной плоскости, то у электронов орбиты располагаются в разных плоскостях. И эти орбиты расположены в пространстве не по воле случая: они могут занимать лишь определенные места, носящие название оболочек К, L, М, N, О, Р и Q. Эти оболочки упрощенно можно представить себе в виде концентрических сфер, в центре которых находится ядро, а радиусы этих сфер пропорциональны квадрату их номера.

Н. — Подожди, Любознайкин! Для меня это сразу слишком сложно.

Л. — Нет ничего проще. Оболочка К — это оболочка номер 1. Следовательно, у оболочки L, имеющей номер 2, радиус будет в 2² = 4 раза больше, а у оболочки М радиус будет в З² = 9 раз больше и т. д.

Н. — Это значит, что радиус седьмой оболочки, которую ты называешь оболочкой Q, будет в 7², или в 49, раз больше радиуса оболочки К?

Л. — Разумеется. А кроме того, энергия, которой обладает каждый электрон, возрастает по мере увеличения номера (обычно говорят «квантового числа») оболочки, на которой он находится.

Н. — Расстояние до ядра увеличивается от оболочки к оболочке, но какова их реальная величина?

Л. — Самая близкая к ядру оболочка К находится от него на расстоянии 5·10^{– 9} см, но я боюсь, что это тебе ничего не говорит. Представь себе фею, которая ударом волшебной палочки может увеличивать вещи в 10 раз. Если наша фея 14 раз ударит своей волшебной палочкой по атому углерода^[3]…

Н. — …атом увеличится в 10¹⁴ раз и, возможно, достигнет размеров целого земного шара, так что его и пристроить будет некуда. Вот будет фее хлопот!

Л. — Совсем нет. Протоны станут величиной с простое яблоко, а электроны (хотя масса каждого из них в 1837 раз меньше массы протона) — с футбольный мяч. И если ядро такого атома положить на паперть собора Парижской богоматери, то два электрона оболочки К будут вращаться на расстоянии 5 км, т. е. еще не выйдут за пределы Парижа. Что же касается четырех электронов внешней оболочки, то они будут вращаться в пригородной зоне на расстоянии 20 км от ядра, например будут проходить через Версаль.