А. С. Попов, продолжая совершенствовать конструкцию слухового детекторного радиоприемника, в том же, 1900 году создал первый твердотельный детектор, пригодный для практических целей. Это был кристаллический точечный диод с контактом стальных иголок и угольных шайб (рис. 8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конструктивно он был выполнен в виде эбонитового цилиндрического корпуса с навинчивающимися на его основания двумя крышками, внутри которых находились угольные диски (рис. 9). Между шайбами, параллельно большей оси корпуса, располагались подсжатые крышками стальные иголки, заостренные с обоих концов. Кристаллический диод был успешно применен ученым в детекторном телефонном радиоприемнике (рис. 10).

 

Рис. 9. Общий вид (а) и устройство (б) кристаллического детектора А. С. Попова. 1900 г.

В 20-е годы ХХ века имел распространение упрощенный вариант кристаллического детектора конструкции А. С. Попова в виде контактной пары «металлическая монета — кусочек угля» (рис. 11). Следует заметить, что односторонняя электрическая проводимость некоторых минеральных кристаллов была обнаружена еще в 1874 году малоизвестным тогда директором гимназии Томаса в городе Лейпциг (Германия) Фердинандом Брауном (Karl Ferdinand Braun).

Пионерские работы А. С. Попова в области создания кристаллическо- го радиоприемника стали определяющими в формировании крупного перспективного научного направления в радиоприеме и передаче информации, основанного на свойствах кристаллов, вслед за ними подобные конструкции кристаллических радиоприемников появились и за рубежом. Так, американский генерал Генри Данвуди (Henry Harrison Chase Dunwoody), пытаясь улучшить работу радиоприемника с электролитическим детектором, пришел к выводу, что его успешное действие зависит от качества контакта острия иглы с раствором электролита. Это натолкнуло исследователя на мысль заменить пару «жидкость — металлическая игла» другой, более устойчивой и надежной детекторной контактной парой. Среди множества предложенных им вариантов наиболее широкое распространение на практике имели пары, состоящие из двух касающихся ребрами кристаллов («карборунд — карборунд») и тонкого графитового стержня, касающегося своим острием поверхности кристалла («карборунд — графит»). Детектор «карборунд — графит» в сочетании с потенциометром и батареей американский изобретатель предложил в качестве замены электролитического детектора. Такое устройство действовало как выпрямитель и выделяло из поступающих электрических колебаний те импульсы, которые были вызваны в микрофоне оператором на передающей радиостанции. На это изобретение под названием «Система беспроводной телеграфии» Г. Данвуди получил американский патент № 837616 от 4 декабря 1906 года (рис. 12).

Научные исследования в этом направлении проводились и другими учеными. После работ Г. Данвуди, наиболее заметными явились результаты исследования инженера американской компании AT&TC (American Telephone and Telegraph Company) Гринлифа Пикарда (Greenleaf Whittier Pickard). В 1902 году он собрал кристаллический радиоприемник с угольным детектором, конструкция которого напоминала кристаллический детектор А. С. Попова (рис. 13). Однако Пикард не останавливался и продолжал кропотливый поиск наиболее эффективных кристаллов для работы в качестве детекторных пар «кристалл — металлическое острие». Осуществив проверку 31250 комбинаций материалов для детекторов, он обнаружил, что образец сплавленного кремния, полученного от Westinghouse Electric Company, дает самые лучшие результаты. На радиоприемник с кремниевым кристаллическим детектором он получил американский патент № 836,531 от 20 ноября 1906 года (рис. 14). Основное отличие кристаллического детектора Г. Пикарда состояло в том, что его детекторная контактная пара была образована кристаллом, к поверхности которого прикасался заостренный конец металлической пружинки. Электрод в виде пружинки позволял обеспечить необходимое усилие прижатия металлического острия к поверхности кристалла, а при желании еще и найти наиболее чувствительную точку приема путем установки острия на различные точки поверхности кристалла. Во время своих экспериментов ученый попутно открыл свойство двух находящихся в соприкосновении кристаллов пропускать ток только в одном направлении и предложил конструкцию детектора из двух кристаллов, получившего название «перикон».

Рис. 14. Схема кристаллического радиоприемника Г. Пикарда с использованием кремния.
Патент США № 836531 от 4 ноября 1906 г.

После изобретений Г. Данвуди и Г. Пикарда были предложены кристаллические детекторы с иными контактными парами, например, в конструкции француза К. Тиссо (C. Tissot) использовалась контактная пара: «кристалл свинцового блеска — стальное или серебряное острие». Этот тип детектора, наряду с конструкцией Г. Данвуди «кристалл — заостренный графитовый стержень», получил наибольшее распространение. В 1910 го ду в широкой продаже появились кристаллические наборы Г. Данвуди, позволявшие всем желающим самим построить детекторный радиоприемник для приема радиопередач.

Кристаллический детектор сразу занял достойное место в детекторном приемнике. Такое устройство не требовало гальванической батареи и работало от энергии электромагнитных волн, излучаемых радиостанцией. Детектор тех лет представлял собой проволочку, которая своим острым концом легко касалась поверхности кристалла полупроводника (галена или карборунда) (рис. 15). В месте касания проволочки с кристаллом двунаправленные токи высокой частоты преобразовывались в приемлемый для приема однонаправленный ток. Кристаллические детекторы того времени представляли собой полупроводниковые диоды с запирающим слоем, о чем тогда не было известно. На поверхности кристалла образовывалась пленка с другой проводимостью, вследствие чего между пленкой и телом кристалла создавался запирающий слой, обладающий односторонней проводимостью. Это и приводило к детектированию сигналов.

Всестороннее исследование свойств кристаллических детекторов провели в 1908–1910 годах японские ученые М. Китамура (Kitamura M.), Е. Иокояма (Iokoaima E.) и В. Ториката (Torikata W.). Среди сотни проверенных минералов им удалось выбрать наиболее чувствительные. Английский ученый физик Вильям Иклз (William Henry Eccles, 08.23.1875–04.29.1966) примерно в этот же период (1909–1911 гг.) провел сравнение отдельных типов детекторов и исходя из этого сформулировал теорию работы детектора. Он также одним из первых построил характеристику детектирования кристаллического диода.

Все бы ничего, но кристаллический детектор был очень капризным, пленка на поверхности кристалла, будучи невысокого качества, неоднородной структуры и малой прочности, приводила к неустойчивой работе детектора. Маленький толчок — и чувствительность падала, а в худшем случае, что бывало гораздо чаще, детектор вообще переставал работать. И приходилось начинать все сначала — уже в который раз браться за поиск новой точки чувствительности, царапая кончиком проволоки поверхность кристалла.

Задача фиксации острия на поверхности кристалла была решена только через 50 лет, в середине ХХ века, с появлением полупроводниковой промышленности. Сегодня выпускается широкий ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификации они носят название «полупроводниковые точечные диоды». Для фиксации металлического острия на поверхности кристалла в этих полупроводниковых приборах используется метод электрической формовки, то есть мощные кратковременные импульсы токов пропускают через точечный контакт. При этом контакт разогревается, а кончик иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая механическую прочность. В области контакта образуется маленький полусферический р-n-переход. Такие диоды имеют устойчивые электрические параметры.

Большой объем научных исследований и технических наработок позволил промышленности многих стран мира наладить производство детекторных радиоприемников на основе кристаллических детекторов. Перед первой мировой войной в радиоэфире работало много искровых, дуговых и машинных радиопередатчиков, которые занимали широкие полосы частоты и мешали друг другу. Слушателям, чьи радиоприемники имели всего один входной колебательный контур, сложно было настроиться на определенную радиостанцию. На повестке дня встал вопрос о радиоприемниках с высокой избирательностью.