Открытие мокрого окисления
11.12.15.
Павел Николаевич Яблочков (1847-1894)
Павел Яблочков – русский электротехник, военный инженер, изобретатель и предприниматель. Известен разработкой дуговой лампы (вошедшей в историю под названием «свеча Яблочкова») и другими изобретениями в области электротехники.
Уволившись в запас, Яблочков устроился на Московско-Курскую железную дорогу начальником службы телеграфа. Уже в начале своей службы на железной дороге Яблочков сделал своё первое изобретение: создал «чёрно-пишущий телеграфный аппарат». К сожалению, подробности этого изобретения до нас не дошли.
Яблочков являлся членом кружка электриков-изобретателей и любителей электротехники при Московском политехническом музее. Здесь он узнал об опытах А.Н. Лодыгина по освещению улиц и помещений электрическими лампами, после чего решил заняться усовершенствованием, существовавших тогда дуговых ламп. Свою изобретательскую деятельность он начала с попытки усовершенствовать наиболее распространённый в то время регулятор Фуко. Регулятор был очень сложный, действовал с помощью трёх пружин и требовал к себе непрерывного внимания. Весной 1974 года Павлу Николаевичу представилась возможность практически применить электрическую дугу для освещения. Из Москвы в Крым должен был следовать правительственный поезд. Администрация Московско-Крымской дороги в целях безопасности движения задумала осветить этому поезду железнодорожный путь ночью и обратилась к Яблочкову как инженеру, интересующемуся электрическим освещением. Он охотно дал согласие. Впервые в истории железнодорожного транспорта на паровозе установили прожектор с дуговой лампой – регулятором Фуко. Яблочков, стоя на передней площадке паровоза, меняя угли, подкручивал регулятор; а когда меняли паровоз, Павел Николаевич перетаскивал свой прожектор и провода с одного локомотива на другой и укреплял их. Это продолжалось весь путь, и, хотя опыт удался, он ещё раз убедил Яблочкова, что широкого применения такой способ электрического освещения получить никак не может и нужно упрощать регулятор. Уйдя в 1874 году со службы на телеграфе, Яблочков открыл в Москве мастерскую физических приборов. По воспоминаниям одного из современников:
|
|
|
«Это был центр смелых и остроумных электротехнических мероприятий, блестевших новизной и опередивших на 20 лет течение времени.»
В октябре 1875 года, отправив жену с детьми в Саратовскую губернию, к родителям, Яблочков уезжает за границу с целью показать в США на всемирной выставке в Филадельфии свои изобретения и достижения русской электротехники, а заодно ознакомиться с постановкой электротехники в других странах. Однако финансовые дела мастерской окончательно расстроились, и осенью 1875 года Павел Николаевич в силу сложившихся обстоятельств остался в Париже. Здесь он заинтересовался мастерскими физических приборов академика Л. Бреге, с аппаратами которого Павел Николаевич был знаком ещё при работе в бытность начальником телеграфа в Москве. Бреге принял русского учёного весьма любезно и предложил ему место в своей фирме.
|
|
|
Париж стал тем городом, где Яблочков быстро достиг выдающегося успеха. Его не покидала мысль о создании дуговой лампы без регулятора. В Москве сделать это ему не удалось, но последние опыты показали, что путь этот вполне реален. К началу весны 1876 года Яблочков завершил разработку конструкции электрической свечи и 23 марта получил на неё французский патент за № 112024, содержащий краткое описание свечи в её первоначальных формах и изображение этих форм. Этот день стал исторической датой, поворотным пунктом в истории развития электро- и светотехники, звёздным часом Яблочкова.
Свеча Яблочкова оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем угольная лампа А.Н. Лодыгина, не имела ни механизмов, ни пружин. Она представляла собой два стержня, разделённых изоляционной прокладкой из каолина. Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних концах зажимался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал. Яблочкову пришлось очень много поработать над выбором подходящего изолирующего вещества и над методами получения подходящих углей. Позднее он пытался менять окраску электрического света, прибавляя в испаряющуюся перегородку между углями различные металлические соли.
|
|
|
15 апреля 1876 года в Лондоне открылась выставка физических приборов. Свою продукцию на ней показывала и французская фирма Бреге. Своим представителем на выставку Бреге направил Яблочкова, который участвовал на выставке и самостоятельно, экспонировав на ней свою свечу. В один из весенних дней изобретатель провёл публичную демонстрацию своего детища. На невысоких металлических постаментах Яблочков поставил четыре своих свечи, обёрнутых в асбест и установленных на большом расстоянии друг от друга. К светильникам подвёл по проводам ток от динамо-машины, находившейся в соседнем помещении. Поворотом рукоятки ток был включён в сеть, и тотчас обширное помещение залил очень яркий, чуть голубоватый электрический свет, Многочисленная публика пришла в восторг. Так Лондон стал местом первого публичного показа нового источника света.
|
|
|
Свечи Яблочкова появились в продаже и начали расходиться в громадном количестве, так, к примеру, предприятие Бреге ежедневно выпускало свыше 8 тысяч свечей. Каждая свеча стоила около 20 копеек и горела 1,5 часа; по истечении этого времени приходилось вставлять в фонарь новую свечу. Впоследствии были придуманы фонари с автоматической заменой свечей.
В феврале 1877 года электрическим светом были освещены фешенебельные магазины Лувра. Затем свечи Яблочкова вспыхнули и на площади перед зданием оперного театра. Наконец, в мае 1877 года они впервые осветили одну из красивейших магистралей столицы – Avenue de l’Opera. Жители французской столицы, привыкшие к тусклому газовому освещению улиц и площадей, в начале сумерек толпами стекались полюбоваться гирляндами белых матовых шаров, установленных на высоких металлических столбах. И когда все фонари разом вспыхивали ярки и приятным светом, публика приходила в восторг. Не меньшее восхищение вызывало освещение огромного парижского крытого ипподрома. Его беговая дорожка освещалась 20 дуговыми лампами с отражателями, а места зрителей 120 электрическими свечами Яблочкова, расположенными в два ряда.
В годы пребывания во Франции Павел Николаевич работал не только над изобретением и усовершенствованием электрической свечи, но и над решением других практических задач. Только за первые полтора года – с марта 1876 по октябрь 1877 – он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и открытий. П.Н. Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока, который, в отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных стержней в отсутствие регулятор, первым применил переменный ток для промышленных целей, создал трансформатор переменного тока (30 ноября 1876 года, дата получения патента, считается датой рождения первого трансформатора), электромагнит с плоской обмоткой и впервые использовал статистические конденсаторы в цепи переменного тока. Открытия и изобретения позволили Яблочкову первому в мире создать систему «дробления» электрического света, то есть питания большого числа свечей от одного генератора тока, основанную на применении переменного тока, трансформаторов и конденсаторов.
В 1877 году русский морской офицер А.Н. Хотинский принимал в Америке крейсеры, строящиеся по заказу России. Он посетил лабораторию Эдисона и передал ему лампу накаливания А.Н. Лодыгина и «свечу Яблочкова» со схемой дробления света. Эдисон внёс некоторые усовершенствования и в ноябре 1879 года получил на них патент как на свои изобретения. Яблочков выступил в печати против американцев, заявив, что Томас Эдисон украл у русских не только их мысли и идеи, но и их изобретения. Профессор В.Н. Чиколев писал тогда, что способ Эдисона не нов и обновления его ничтожны.
С наибольшим интересом изобретение П.Н. Яблочкова было встречено в учреждениях военно-морского флота. К середине 1880 года в России было установлено около 500 фонарей со свечами Яблочкова. Из них больше половины было установлено на военных судах и на заводах военного и военно-морского ведомств. Например, на Кронштадтском пароходном заводе было установлено 112 фонарей, на царской яхте «Ливадия» - 48 фонарей, на других судах флота – 60 фонарей, при этом установки для освещения улиц, площадей, вокзалов и садов имели каждая не более 10-15 фонарей.
Однако электрическое освещение в России такого широкого распространения, как за границей, не получило. Причин для этого было много: русско-турецкая война, отвлекавшая много средств и внимания, техническая отсталость России, инертность, а подчас и предвзятость городских властей. Не удалось создать и сильную компанию с привлечением крупного капитала, недостаток средств ощущался всё время. Немаловажную роль сыграла и неопытность в финансово-коммерческих делах самого главы предприятия. Павел Николаевич часто отлучался по делам в Париж, а в правлении, как писал В.Н. Чиколев в «Воспоминаниях старого электрика», «недобросовестные администраторы нового товарищества стали швырять деньги десятками и сотнями тысяч, благо они давались легко!» К тому же, к 1879 году Т. Эдисон в Америке довёл до практического совершенство лампу накаливания, которая полностью вытеснила дуговые лампы.
В декабре 1892 года учёный окончательно возвращается на родину. Он привозит все свои заграничные патенты №112024, 115703 и 120684, заплатив за них выкуп в миллион рублей – всё своё состояние. Однако Петербург встретил его холодно, точно его имя мало кому было известно. В Петербурге П.Н. Яблочков сильно заболел. Чувствовались усталость и последствия от взрыва в 1884 году натровой батареи, где он чуть не погиб и перенёс после два инсульта. Дождавшись приезда из Парижа его второй жены Марии Николаевны и сына Платона, Яблочков уезжает с ними в Саратовскую губернию.
В 1906 году Гриклиф Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор. В 1910 году Уильям Икклз обнаружил, что кристаллические детекторы в определённых условиях демонстрируют отрицательное внутреннее сопротивление и потому могут быть использованы для генерации колебаний и усилений сигналов. В 1922 году О.В. Лосев доказал возможность усиления и генерации электромагнитных колебаний на кристаллическом детекторе при подаче на него постоянного напряжения смещения (кристадинный эффект). Цинкитный детектор («кристадин») Лосева сохранял работоспособность на частотах до 10 МГц. К концу 1920-х годов кристаллические детекторы были вытеснены вакуумными лампами, а развитие этого направления физики полупроводников приостановилось.
Нереализованный «полевой транзистор» Лилиенфельда. Патент США 1745175 на «метод и устройство управления электриескими токами» с приоритетом от 8 октября 1926 года (выдан 28 января 1930 года).
В 1922-1927 годах Грёндаль и Гейгер изобрели и внедрили в практику медно-закисный выпрямитель, а в 1930-е годы ему на смену пришёл более совершенный селеновый выпрямитель. Как писал Уолтер Браттейн, аналогия между выпрямителем на закиси меди и вакуумным диодом была очевидна для всех. Изучавших полупроводники, - и многие из них задумывались о том, как внедрить в выпрямитель третий, управляющий электрод («сетку»), сделав из выпрямителя усилитель. В 1925 году немецкий физик Юлиус Лилиенфельд подал первую патентную заявку на твердотельный усилитель, состоящий из слоёв металла и полупроводника. Лилиенфельд не смог довести свое предложение даже до стадии макета: его проект не мог быть реализован в 1920 годы из-за недостаточного развития фундаментальной науки. В 1935 году другой немецкий физик Оскар Хайл запатентовал в Великобритании принцип действия полевого транзистора. В 1938 году сотрудники Гёттингенского университета Роберт Пол и Рудольф Хилш создали твердотельный «триод», способный усиливать медленно меняющийся входной сигнал. Усилитель Пола был слишком медленным, работал только при высоких температурах и поэтому не имел практического развития, да и сам Пол не желал заниматься прикладными работами, предпочитая фундаментальную науку. Все эти безуспешные эксперименты в той или иной мере воспроизводили устройство вакуумного триода. Так, в «триоде» Пола управляющий электрод представлял собой мелкоячеистую металлическую сетку, управлявшую полем внутри кристалла бромида калия. Лосев в 1939 году упоминал о работе над полупроводниковой «трёхэлектродной системой, аналогичной триоду», но эти неопубликованные работы были утрачены.
Во время Второй мировой войны исследовательские бюджеты многократно выросли, но, по мнению Питера Морриса, в физике полупроводников было сделано слишком мало. Все существенные достижения были связаны с военным заказом в двух направлениях, в которых были бессильны вакуумные лампы, - детектирование инфракрасного излучения и детектирование отражённого сигнала в радиолокации. Излучатели ранних радиолокаторов работали на частотах до 3 ГГц, а частотный диапазон детекторов на вакуумных диодах был ограничен 400 МГц. Контактные полупроводниковые детекторы, напротив, могли эффективно выпрямлять сверхвысокие частоты, поэтому в конце 1930-х годов правительства Великобритании, Германии и США начали масштабные проекты по совершенствованию полупроводников. В ходе этих исследований были исследованы фундаментальные свойства полупроводников и заложены основы технологии их производства, сделавшие возможным серийный выпуск полупроводниковых приборов.
В октябре 1939 года среди заготовок нашёлся странный образец, электрические параметры которого вели себя настолько беспорядочно, что дальнейшие измерения казались бессмысленными. Только 23 февраля 1940 года Ол нашёл время, чтобы лично проверить его. Оказалось, что образец реагировал на свет, а степень наблюдаемого фотоэффекта на порядок превосходила фотоэффект в традиционных фотоэлементах. Проводимость образца зависела не только от освещённости, но и от температуры и влажности. Несмотря на противодействие своего начальника, который был не в ладах с Келли, с 6 марта Ол продемонстрировал свою находку Келли и Уолтеру Браттейну. Браттейн догадался, что фотоэффект возникает на некоем невидимом барьере между двумя слоями кремния и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток. Именно поэтому измерение проводимости на переменном токе давало необъяснимые, бессмысленные результаты.
Вскоре Скафф и Ол буквально увидели этот барьер: травление азотной кислотой вскрыло видимую глазу границу между двумя слоями кремния. Скафф и Ол дали этим слоям новое название: «кремний p-типа» (positive) и «кремний n-типа» (negative), в зависимости от направления тока изготавливаемых из этих слоёв детекторах. Барьерная зона получила название p-n переход. Постепенно Ол, Скафф и Тойерер пришли к пониманию того, что тип проводимости кремния определяется не его чистотой, а, напротив, присутствием характерных примесей. Более лёгкие элементы подгруппы бора должны были сосредотачиваться в верхнем слое расплава. Более тяжёлые элементы подгруппы азота – в центре тигля.
Действительно, химический анализ кремния p-типа выявил следы бора и алюминия, а присутствие фосфора в грубо очищенном кремнии n- типа ощущалось и без приборов – при обработке такого кремния выделялся фосфин.
Личным волевым решением Келли засекретил открытие p-n перехода. Bell Labs охотно делилась образцами кремния с американскими и британскими коллегами, но это был кремний исключительно p-типа. Он лично отвечал за то, чтобы кремний n-типа и p-n переходы не покидали стен компании. Шокли узнал об открытии Ола только 26 марта 1945 года, а широкая публика – 25 июня 1946 года, когда Ол и Скафф получили патенты на свои изобретения 1940 года.
Независимо от американских физиков, в 1941 году В.Е. Лашкарёв представил теорию «запирающего слоя» и инжекции носителей заряда на границе раздела меди и закиси меди. Лашкарёв предположил, что два типа проводимости, обнаруженные термозондом в медно-закисном элементе, разделены гипотетическим переходным слоем, препятствующим электрическому току. Работы Лашкарёва и К.М. Косогоновой («Исследование запирающих слов методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди») были опубликованы в 1941 году.
В июне 1945 года Келли вновь сформировал отдел по исследованию твёрдого тела в главе с Шокли и Стэнли Морганом (в1945 году Шокли по-прежнему был занят на военных проектах и не имел достаточно времени для единоличного управления отделом). В группу вошли Браттейн, теоретик Джон Бардин, экспериментатор Джеральд Пирсон, физхимик Роберт Джибни и инженер-электрик Хилберт Мур. Образцы полупроводников изготавливали Уильям Пфанн, Джон Скафф и Генри Тойерер. Группа опиралась на ресурсы огромной по тем временам научной организации – в конце 1940-х годов в Bell Labs работали 5700 человек, из них около 2000 – дипломированные профессионалы.
Ознакомившись с наработками исследователей университета Пердью, Шокли сузил выбор полупроводников до двух (германия и кремния), а в январе 1946 года решил сосредоточиться на использовании эффекта поля. Однако эксперименты показали, что в реально полупроводнике эффект поля был на три порядка слабее, чем предсказывала теория. Бардин объяснил экспериментальные данные, предложив гипотезу поверхностных состояний, согласно которой на границе полупроводника и металлического электрода образуется пространственный заряд, нейтрализующий действие внешнего поля.
В течение 1947 года отдел Шокли искал решение проблемы объёмного заряда, с каждым шагом отступая всё дальше и дальше от концепции полевого транзистора. Шокли писал в 1972 году, что благодаря Бардину «мы прекратили “делать транзистор”. Взамен мы вернулись к принципу, который я называю “уважение к научной стороне практической задачи”». В ноябре 1947 года Джибни предложил подавать на «триод» постоянное напряжение смещения с помощью точечного управляющего электрода, отделённого от массы полупроводника слоем электролита. Работы резко ускорились: в ноябре – декабре Бардин, Джибни и Браттейн испытали не менее пяти разных конструкций «триода».
Открытие мокрого окисления
В начале 1955 года в диффузионной печи Карла Фроша, занимавшегося в Bell Labs проблемами диффузии в кремний, произошла случайная вспышка водорода. Часть водорода в печи сгорела с выбросом водяного пара, опытная кремниевая пластина покрылась тонким слоем диоксида кремния. В течение последующих двух лет Фрош и его помощник Линкольн Дерик при участии Молла, Фуллера и Холоньяка обстоятельно изучили процесс мокрого термического окисления и довели его до внедрения в промышленное производство. В отличие от непредсказуемого в то время сухого окисления в атмосфере кислорода мокрое окисление водяным паром оказалось легко воспроизводимым процессом, а полученные оксидные слои – равномерными и достаточно прочными. Они надёжно задерживали тяжёлые легирующие атомы (например, сурьмы) и потому могли служить эффективной, термостойкой маской для селективной диффузии примесей.
Фрош ещё в 1955 году предвидел широкое внедрение селективных оксидных масок, но остановился в одном шаге от идеи интеграции. Холоньяк писал в 2003 году, что открытие Фроша «сделало все другие методы диффузии устаревшими» и сняло последний барьер на пути к созданию интегральных схем. Однако Фрош допустил ошибку, решив, что оксид не способен задерживать диффузию фосфора. Тонкие слои оксида, использованные Фрошем, действительно пропускали атомы фосфора. Но в начале 1958 года Чи-Тан Са установил, что достаточно толстый слой оксида способен задерживать и фосфор. Эта ошибка задержала начало практических работ Жана Эрни по планарной технологии более, чем на год.
Работы Фроша оставались внутренним секретом Bell Labs вплоть до первой публикации в Journal of the Electrochemical Society летом 1957 года. Однако Уильям Шокли, уехавший в 1954 году в Калифорнию и формально уволенный из Bell Labs в сентябре 1955 года, безусловно был в курсе работ Фроша. Шокли оставался рецензентом и консультантом Bell Labs, регулярно получал известия о новейших работах корпорации, знакомил с ними своих сотрудников. Две важнейшие и ещё не обнародованные в 1956 году технологии Bell Labs – мокрое окисление и фотолитография – внедрялись в опытное производство Shokley Semiconductor Laboratory. «Вероломная восьмёрка», покинувшая Шокли и основавшая Fairchild Semiconductor, взяла с собой уже практическое знание этих технологий.
Хейке Камерлинг-Оннес (1853-1926)
Хейке Камерлинг-Оннес – голландский физик и химик, лауреат Нобелевской премии по физике 1913 года.
Три семестра обучался у Кирхгофа и Роберта Бунзена в университете Гейдельберга. В 1873 году вернулся в Гронинген. В 1878-1882 годах Камерлинг-Оннес читал лекции в университете Делфта. В 1883 году защитил докторскую диссертацию, темой которой было оригинальное доказательство вращения Земли.
С 1882 года – профессор экспериментально физики Лейденского университета. С 1894 – основатель и директор Лейденской криогенной лаборатории. В 1894 году Камерлинг-Оннес разработал экспериментальную установку для сжижения газов. Эта установка имела такую производительность, что смогла удовлетворить быстро растущие потребности лаборатории в течение нескольких десятилетий. Первым жидкий водород получил Джеймс Дьюар, но преимущества установки Камерлинг-Оннеса вскоре позволили ему получить в жидком виде кислород и неон. В 1906 году получил жидкий водород.
В 1908 году впервые сумел получить жидкий гелий и сумел достичь рекордно низкой на тот момент температуры 0,9 0К. Основной целью экспериментов было не достижение абсолютного нуля, а исследование свойств веществ при сверхнизких температурах, в том числе спектры поглощения элементов, фосфоресценцию различных соединений, вязкость сжиженных газов и магнитные свойства веществ.
В 1911 году Камерлинг-Оннес впервые наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4,1 0К. Это явление получило название сверхпроводимости. В 1913 году обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами. В 1912 году Камерлинг-Оннес также впервые обнаружил явление сверхтекучести жидкого гелия.
В 1913 году Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике «За исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия».
Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости предложили лишь в 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер (Нобелевская премия 1972 года).
Теоретическое объяснение фундаментальному открытию сверхтекучести предложил П.Л. Капица (Нобелевская премия 1978 года).
Сверхпроводимость
Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость – квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объёма сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом состоянии.
Открытие в 1986-1993 годах ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводников и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4,2 0К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 0К), гораздо более дешёвой криогенной жидкости.
Дата добавления: 2016-01-04; просмотров: 16; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!