Блестящий зоопарк

В прошлой части мы дошли до триода — лампы с тремя электродами, которая умеет усиливать. Логично спросить: если триод все умеет, зачем понадобилось что-то еще?

Затем, что у триода обнаружилась врожденная болезнь. И дальнейшая история ламп — это, по сути, история борьбы с побочными эффектами, где каждое решение порождало новую проблему.

Пойдем по порядку возрастания сложности.

Два электрода: диод и кенотрон

С этого, напомню, мы начинали. Катод и анод, ток в одну сторону.

Маленькие диоды использовались как детекторы в приемниках — выделяли звук из радиосигнала. Часто их встраивали прямо в одну колбу с усилительной лампой, чтобы сэкономить место.

Большие диоды называются кенотронами и работают выпрямителями в блоках питания. У кенотрона задача простая: превратить переменное напряжение с трансформатора в постоянное для питания анодных цепей.

Кенотрон, между прочим, имеет одно свойство, которое потом неожиданно окажется востребованным в гитарных усилителях, — но об этом чуть ниже.

Три электрода: триод и эффект Миллера

С триодом все понятно. Он усиливает, он линеен, он прекрасен, но на радиочастотах он вел себя отвратительно, и долгое время никто не понимал почему.

Разобрался в 1920 году американец Джон Милтон Миллер.

Смотрите. Анод и сетка — это два куска металла, расположенные близко друг к другу и разделенные пустотой.

А что такое два куска металла, разделенные изолятором?

Конденсатор. По определению. Маленький, единицы пикофарад, но конденсатор. И, в отличие от нормальной детали, этот паразитный конденсатор никто в схему не ставил — он получился сам, случайно.

Казалось бы, ерунда. Но вспомним, что анод — это выход каскада, а сетка — вход. То есть у нас образовался мостик между выходом и входом.

Миллер посчитал: для источника сигнала эта емкость выглядит увеличенной примерно во столько раз, каково усиление каскада. Триод с усилением 50 и проходной емкостью 3 пикофарады дает на входе больше 150 пикофарад.

На звуковых частотах пережить можно. На радиочастотах — нет. Каскад заваливает верхние частоты, теряет усиление, а главное — часть сигнала возвращается с выхода на вход. Это положительная обратная связь, и каскад начинает генерировать сам. Получается, что вместо приема приемник свистит.

Эффект Миллера, кстати, никуда не делся. Он живет в любом транзисторном каскаде и в любом силовом полевике, где его проклинают все, кто разводит платы для мощных ключей. Явление старше транзистора на четверть века.

Четыре электрода: тетрод и новая беда

Решение напрашивается само собой: если мешает емкость между сеткой и анодом, поставим между ними экран.

Так и сделали. Между управляющей сеткой и анодом появилась вторая сетка — экранирующая. На нее подают постоянный положительный потенциал, а по переменному току сажают на землю через конденсатор. С точки зрения сигнала она — сплошная металлическая стенка.

Проходная емкость падает с единиц пикофарад до сотых долей. С этим уже можно жить.

Прибор из четырех электродов называется тетрод. Патент на экранную сетку взял еще в 1919 году Вальтер Шоттки, до рабочей конструкции довел Альберт Халл в GE к 1926-му.

И тут вылезла новая проблема (что ж такое-то!).

Электрон, разогнанный анодным напряжением, прилетает на анод с приличной энергией. И выбивает из металла анода другие электроны. Явление называется вторичной эмиссией.

Обычно эти выбитые электроны никуда не денутся и вернутся на тот же анод. Но в тетроде рядом висит экранная сетка, тоже под плюсом. И если в какой-то момент напряжение на аноде проседает ниже, чем на экранной сетке, — вторичные электроны улетают не обратно на анод, а на нее.

Что при этом происходит с током анода? Он падает при росте напряжения.

Вдумайтесь: напряжение растет, а ток падает.

Чтобы понять, чем это плохо, надо сказать пару слов про характеристику лампы. Это обычный график: по горизонтали откладываем напряжение на аноде, по вертикали — ток через лампу. Снимается он просто: крутим ручку источника питания, записываем показания амперметра, соединяем точки. Для нормальной лампы линия идет снизу вверх, монотонно: больше напряжение — больше ток. По этому графику разработчик и выбирает рабочую точку, то есть режим, вокруг которого будет качаться сигнал.

У тетрода на этом графике образуется горб, а за ним впадина — участок, где линия вместо подъема идет вниз. И если рабочая точка окажется на нем или сигнал в него заедет на пиках, лампа на этом отрезке ведет себя наоборот: прибавили напряжение — получили меньше тока. Половина синусоиды идет как положено, а вторая половина проваливается в яму и выходит оттуда покореженной.

Хуже другое. Участок, где ток падает при росте напряжения, — это отрицательное сопротивление, и оно способно не гасить колебания, а подпитывать их. Обычная схема любые случайные колебания глушит: качнулось — затухло. А тут наоборот, они получают подкачку и разрастаются сами по себе, пока не упрутся в потолок. Схема из усилителя превращается в генератор и начинает выдавать собственную частоту, не имеющую к сигналу никакого отношения. На слух в приемнике это как вой и свист.

Явление называется динатронным эффектом.

Скрытый текст

Забавно, что этот дефект научились использовать. На том самом участке отрицательного сопротивления, который мешал усилителю, строили генераторы.

Пять электродов: пентод

Лекарство нашли в Philips. В 1926 году Бернард Теллеген и Жиль Холст поставили третью сетку — между экранной и анодом, соединив ее с катодом. Как вы поняли, в 1920-е годы у инженеров вообще не было проблем ни со смелостью, ни с сетками.

Новая сетка создает возле анода небольшой отрицательный барьер. Медленные вторичные электроны, только что выбитые из анода, через этот барьер пролезть не могут и возвращаются обратно. А быстрые первичные, летящие с катода, проскакивают его не заметив.

Получился пентод: катод, три сетки, анод. Провал на характеристике исчез, усиление выросло, проходная емкость осталась крошечной.

Пентод стал рабочей лошадью электроники на следующие тридцать лет. 6Ж1П и 6П14П, хиты нашей электронной промышленности, нашедшие широчайшее применение, — это пентоды.

Экспериментируем с геометрией: лучевой тетрод

А в Англии пошли другим путем. Причем, что характерно, по юридическим соображениям: патенты на пентод держал Philips, и обходить их надо было конструктивно.

Инженеры EMI Айзек Шенберг, Кэбот Булл и Сидни Родда подали заявку в 1933 году. Они предложили решить ту же задачу не добавлением сетки, а формой электродов.

Во-первых, они поставили специальные пластины, которые собирают электронный поток в плоские ленты, направленные точно в анод. Во-вторых, витки управляющей и экранной сеток выровняли строго друг за другом, чтобы электроны летели «в тени» экранной сетки и не оседали на ней.

В результате плотность потока в промежутке между экранной сеткой и анодом получается такой, что уже сам пространственный заряд (помните облачко из первой части?) создает барьер для вторичных электронов.

То есть барьер построен не из металла, а из самих электронов.

Это лучевой тетрод. RCA довела идею до серии, и в 1936 году появилась лампа 6L6 — вероятно, самый живучий выходной тетрод в истории. Ее советский аналог 6П3С выпускали десятилетиями, а ее потомки до сих пор стоят в гитарных усилителях по всему миру.

Спор «пентод против лучевого тетрода» с тех пор не утихает: EL34 против 6L6, Marshall против Fender. Лезть в него не буду, там больше вкусовщины, чем физики. Хотя корни спора, как мы только что выяснили, вообще патентные.

Сетка, намотанная с переменным шагом

Еще один интересный прием. Задача тут такая.

В приемнике нужна автоматическая регулировка усиления — АРУ, она же AGC. Сразу оговорюсь, потому что путаница тут возникает постоянно: это не регулировка громкости. Громкость — это ручка на передней панели, которую крутит человек. АРУ работает сама, сидит в высокочастотном тракте и нужна для того, чтобы держать сигнал на входе детектора примерно постоянным независимо от того, какую станцию вы поймали. Станция мощная — усиление надо убавить, слабая — прибавить.

Делается это изменением постоянного напряжения на управляющей сетке: сдвинули отрицательно — усиление упало.

Проблема в том, что обычная лампа при сдвиге к запиранию попадает на самый нелинейный участок характеристики. Сигнал разваливается, громкая станция звучит отвратительно.

Скрытый текст

Быстро введем новый термин: напряжение запирания.

Помните, сетка управляет потоком электронов не механически, а зарядом: чем выше на ней отрицательный потенциал, тем сильнее она электроны отталкивает и тем меньше их долетает до анода. Так вот, если давить дальше, в какой-то момент отталкивание пересилит притяжение анода, и до него не долетит вообще никто. Ток через лампу станет нулевым, лампа закроется. То напряжение на сетке, при котором это происходит, и называется напряжением запирания.

Для типичной приемной лампы это единицы или первые десятки вольт минуса. Дошли до этой отметки — лампа заперта, дальше давить бессмысленно, глуше уже не будет.

И вот тут вылезает главное. Ток спадает к нулю не по прямой. Ближе к запиранию кривая заваливается: одна и та же прибавка минуса на сетке в начале диапазона убирает много тока, а в конце — уже почти ничего. Участок получается кривой, и именно на нем сигнал начинает корежить, потому что верхняя и нижняя половина синусоиды проходят через разную крутизну и усиливаются по-разному.

Дальше — как с педалью газа на убитой машине. В начале хода она почти не отвечает, потом хватает рывком, а под конец опять глохнет. Ехать можно, но ровно вести не получится. Ровно это и происходит с сигналом, когда лампу поджимают к запиранию.

И вот что сделали в RCA. Первая серийная лампа с решением — тетрод типа 35, май 1931 года.

Они намотали управляющую сетку с переменным шагом. В середине витки редкие, к краям — частые.

Смысл вот в чем. Участок с частыми витками запирается уже при небольшом отрицательном смещении, а участок с редкими продолжает пропускать электроны. Лампа как бы состоит из нескольких ламп с разным напряжением запирания, включенных параллельно. По мере роста смещения они выключаются одна за другой, и характеристика запирания растягивается — становится длинной и плавной.

Такая лампа называется варимю (от variable mu — переменный коэффициент усиления), или лампой с удлиненной характеристикой.

Закон регулирования тут заложен чисто конструктивно, геометрией намотки проволоки. Никакой дополнительной электроники, только переменный шаг витков.

Дальше — по нарастающей

Как мы помним, смелости инженерам тех лет было не занимать, а сеток их работодатели отсыпали им с лихвой. Потому лампы с шестью, семью, восемью электродами существовали и применялись, но объяснять каждую я не буду, иначе статья превратится в справочник. Скажу про сам принцип: дополнительные сетки добавляли, чтобы в корпусе одной лампы де-факто реализовать работу нескольких.

Классический пример — гептод, лампа с пятью сетками, работавшая преобразователем частоты в супергетеродинном приемнике. Грубо говоря, ей надо было одновременно и генерировать вспомогательный сигнал, и перемножать его с принятым. Раньше на это уходило две лампы, стало хватать одной.

Отдельная ветка — комбинированные лампы, где в одну колбу засовывали два и более независимых прибора. Двойной триод 6Н2П — это просто два триода с общим подогревателем. Были и звери вроде триод-гептода ECH81, где в одном баллоне живут и генератор, и смеситель.

Экономия шла по всем статьям сразу: меньше места, меньше сложность монтажа, меньше расход на накал.

Рекорд по извращенности поставила GE в 1961 году серией Compactron: до двенадцати выводов на цоколе и до четырех приборов в одной колбе. Обратите внимание на дату — транзистор к тому моменту изобретен четырнадцать лет как, а телевизоры все еще делают на лампах и продолжают выжимать из технологии максимум.

Любимый ящик с мультиками

И совсем отдельная ветка, о которой редко говорят именно в контексте ламп, — кинескоп. Тот самый ящик-телевизор, который простоял у всех дома до середины двухтысячных, был вакуумной лампой. Причем самой большой в вашей квартире.

Все то же самое, что мы уже разобрали, только растянутое на полметра. С задней стороны трубки, в узком горлышке, сидит подогреваемый катод — та же излучающая электроны железка. Дальше стоят электроды с отверстиями, которые вытягивают из него пучок и разгоняют его напряжением в двадцать с лишним киловольт. А анодом служит слой графита на внутренней стенке колбы, и пучок летит через всю длину трубки, врезаясь в люминофор на экране. Люминофор от удара светится, и вот вам точка на экране.

Из школьного курса вы наверняка помните, что двадцать пять кадров в секунду сливаются в движение. Так вот, картинку эта точка рисует построчно, и устроено это чуть хитрее, чем кажется. Каждый кадр разбит на два полукадра: сначала луч пробегает нечетные строки, потом возвращается и заполняет четные. Двадцать пять полных кадров, пятьдесят проходов по экрану в секунду — и мерцание становится незаметным при вдвое меньшей полосе. Называется это чересстрочной разверткой. Отклоняют луч магнитным полем катушек, надетых на горловину: одна пара гоняет его по горизонтали, вторая сдвигает по вертикали. Кто разбирал старый телевизор, помнит этот бублик из медной проволоки на узкой части.

В цветном все то же самое, только пучка три, а люминофор на экране нанесен точками или полосками трех вариаций. Чтобы красный луч попадал строго в красные точки и никуда больше, за экраном стоит теневая маска — стальной лист с сотнями тысяч отверстий, отсекающий все, что летит не под тем углом. Точность там такая, что маску приходилось делать из инвара, сплава с почти нулевым тепловым расширением: обычная сталь от нагрева поводила бы дырки, и цвета уплывали бы через полчаса работы. Заодно понятно, куда девалась мощность — до восьмидесяти процентов электронов в маску и упиралось.

Колба кинескопа — это откачанный до глубокого вакуума сосуд, на который снаружи давит атмосфера. Давайте посчитаем честно. При диагонали в двадцать один дюйм и формате 4:3 площадь одного только экрана — около 0,14 квадратного метра, и атмосфера давит на него с силой порядка полутора тонн. Полная же площадь колбы вместе с конусом и горловиной — уже под половину квадратного метра, и нагружена она вся, просто на конусе давление раскладывается по наклонной стенке выгоднее. Отсюда и вес: толстенное стекло экрана, стальной бандаж по периметру и предупреждение в инструкции не бить по трубке ничем тяжелым.

Из той же семьи, только поменьше, — осциллографические трубки и радиолокационные индикаторы с длительным послесвечением, где точка гасла не сразу, а держалась секунду-другую, чтобы оператор успел разглядеть отметку от цели, пока антенна делает круг.

К концу двухтысячных кинескопы вымерли. И это, пожалуй, единственная ниша, откуда вакуум ушел начисто и без вариантов.

Не только вакуум

Небольшая, но важная оговорка. Не всякая лампа — вакуумная.

Есть целое семейство газоразрядных приборов, где вакуум как раз не нужен, а нужен строго определенный газ под строго определенным давлением. Работают они на тлеющем или дуговом разряде.

Тиратрон — по сути управляемый ключ, предшественник тиристора. Стабилитрон тлеющего разряда — держит на себе стабильное напряжение. Декатрон — счетная лампа, в которой светящаяся точка перескакивала по кругу с каждым импульсом, так что счет можно было читать глазами.

Оттуда же — газоразрядные цифровые индикаторы, знаменитые ИН-14 и ИН-18. Внутри колбы стопка катодов в форме цифр от нуля до девяти, подали напряжение на нужный — вокруг него загорелось оранжевое свечение. Именно эти лампы сейчас переживают второе рождение в самодельных часах, и цены на них соответствующие.

И, наконец, магический глаз — индикатор настройки. Наш 6Е5С. Люминофорный экран, на котором светится зеленый сектор, сужающийся при точной настройке на станцию. Функционально это простейший вольтметр, показывающий напряжение той самой АРУ. Эстетически — вещь, ради которой люди до сих пор покупают старые приемники.

Теперь, когда мы разобрались, как лампы устроены и какие они бывают, можно наконец сравнить их с транзисторами.

Битва полупроводниковых с вакуумными

Самая популярная версия истории звучит примерно так: транзистор был меньше, экономичнее и надежнее, поэтому лампу и вытеснил.

Версия правильная процентов на тридцать. И она упускает главное.

Давайте разберем слабые и сильные места лампы, а потом я покажу, за счет чего транзистор одержал победу на самом деле.

Где лампа проигрывает вчистую

Накал. Это главная, фундаментальная, ничем не исправляемая проблема.

Чтобы катод испускал электроны, его надо греть. Постоянно. Независимо от того, работает схема или простаивает.

Маленькая лампа 6Н2П: подогреватель 6,3 вольта, 0,34 ампера. Два с небольшим ватта. Выходной пентод 6П14П — 6,3 вольта, 0,76 ампера, почти пять ватт.

Два ватта на то, чтобы прибор просто был готов работать.

Для сравнения: современный микроконтроллер в активном режиме потребляет милливатты, а в спящем — микроватты. Разница между простаивающей лампой и спящим микроконтроллером — примерно шесть порядков.

А теперь умножим.

ЭНИАК, 1945 год, одна из первых электронных вычислительных машин. 17 468 ламп. Общее потребление — порядка 150 киловатт. Масса — двадцать семь тонн.

Сто пятьдесят киловатт — это примерно семьдесят электрочайников, включенных одновременно и навсегда.

Я попробовал прикинуть, сколько из этого уходило конкретно на накал. Точных данных не нашел, но ЭНИАК строился в основном на лампах с накалом три-пять ватт. Умножаем на семнадцать с половиной тысяч — получается где-то шестьдесят-восемьдесят киловатт. То есть примерно половина мощности машины тратилась просто на поддержание катодов в горячем состоянии.

И эти сто пятьдесят киловатт надо было еще как-то вынести из помещения. Помните, я говорил, что там проблема с двух сторон: сначала греем, а потом как-то придумываем, чтобы обслуживающий персонал не сварился прямо в машзале. У ЭНИАКа для этого стояла отдельная система принудительного обдува с парой мощных нагнетателей, а машинные залы следующих поколений уже проектировали вместе с промышленным кондиционированием. Один из первых случаев, когда вычислительная техника всерьез потянула за собой смежную отрасль.

Включение убивает. Это интересно тем, что контринтуитивно.

Лампа выходит из строя в основном не в работе, а при включении.

Причин две. Первая: сопротивление холодной вольфрамовой нити в несколько раз ниже, чем горячей. У лампы накаливания, работающей при 2700 градусах, разница доходит до десяти раз; у подогревателя приемной лампы, где температура порядка тысячи градусов, — примерно в пять-семь. Но и этого хватает с запасом: в момент подачи питания через нить идет бросок тока в разы выше рабочего.

Вторая: тепловой удар. Металл расширяется резко, стекло и керамика куда медленнее, спаи работают на разрыв.

Отсюда правило, к которому пришли эксплуатационники: не выключайте.

Команда ЭНИАКа так и поступила — машину держали включенной круглосуточно. По разным свидетельствам, это радикально снизило отказы: если поначалу лампы летели по несколько штук в день, то со временем частота упала до величин порядка одной лампы за пару суток. Цифры в источниках гуляют, я бы за них не ручался до запятой, но направление везде одинаковое.

Вторая мера была еще проще: недогружать. Лампы работали в облегченных режимах, с токами сильно ниже паспортных. Ресурс от этого растет нелинейно.

Прогрев. Ламповый аппарат выходит на режим за десятки секунд. Кто застал ламповые телевизоры, помнит эту паузу между щелчком выключателя и появлением картинки.

Для бытовой техники это неудобно, но терпимо. А вот для военных реальная проблема: система ПВО, которая думает полминуты перед захватом цели, никому не нужна. Отсюда целое направление ламп мгновенного разогрева и режим дежурного накала.

Микрофонность. Лампа — механическая конструкция. Тонкие электроды висят в вакууме на слюдяных дисках и ничем не демпфированы. Постучите по работающей лампе предусилителя — услышите в динамике звон. Вибрация меняет геометрию, геометрия меняет ток.

В аппаратуре с этим боролись амортизирующими панельками, резиновыми кольцами и специальными малошумящими сериями с усиленным креплением электродов.

Габариты и монтаж. Ламповое шасси — это объемный навесной монтаж, панельки, конденсаторы на сотни вольт, силовой и выходной трансформаторы.

Справедливости ради, тут стоит уточнить, потому что тезис «ламповую технику невозможно автоматизировать» — преувеличение. Сами лампы делали на вполне автоматических линиях, миллионами штук в год, а поздние ламповые телевизоры уже собирали на печатных платах с волновой пайкой. Но все, что вокруг ламп — трансформаторы, объемный монтаж высоковольтных цепей, настройка и регулировка, — упрямо требовало человека с паяльником и головой. Именно это и не масштабировалось.

И потолок по частоте. Об этом ниже отдельно.

Где лампа неожиданно выигрывает

Теперь другая сторона, сильная.

Лампа умирает медленно. Эмиссия катода падает постепенно, месяцами. Лампа начинает шуметь, фонить, терять усиление. Аппарат при этом продолжает работать — просто хуже. У инженера есть время заметить, измерить и заменить.

Полупроводник умирает мгновенно. Был прибор — и нет прибора, чаще всего с коротким замыканием и утаскиванием за собой соседей по цепи.

Для гитарного усилителя разница выглядит так. Ламповый начинает звучать вяло — значит, пора съездить за новым комплектом. Времени вагон, все в плановом порядке. Транзисторный радостно щелкает посреди концерта, а если не повезло — выносит с собой динамик.

За это свойство лампы держали и держат в точках, где внезапный отказ критичен. Плавная деградация — вещь, за которую некоторые сферы простят очень многое.

Лампа терпит перегрузку. У лампы огромная тепловая инерция по сравнению с полупроводником. Кратковременный бросок мощности она просто проглотит: анод чуть сильнее раскалится и остынет.

Полупроводниковый переход имеет микроскопические размеры и тепловую постоянную в микросекунды. Перегрузили — умер, причем быстрее, чем сработает любая защита.

Лампе не страшна температура. Кремниевый прибор перестает работать примерно при 150–175 градусах на кристалле. Это его физический потолок.

А анод мощной передающей лампы в штатном режиме светится вишневым. Он для этого и сделан: графит или специальные сплавы, рассчитанные на то, чтобы излучать тепло при шести-девяти сотнях градусов.

Для лампы семьсот градусов на аноде — норма. Для кремния сто семьдесят пять — конец без разговоров.

Лампе безразлична радиация. Кремниевый прибор от накопленной дозы ионизирующего излучения деградирует, а от попадания одиночной тяжелой частицы может дать сбой или вообще защелкнуться и сгореть.

В лампе разрушать нечего. Там нет кристаллической решетки, которую можно повредить смещением атомов. Нет p-n перехода, в котором можно накопить паразитный заряд. Нет ячеек памяти, содержимое которых можно перевернуть. Есть металл, стекло и вакуум.

Ограничением в итоге оказывается не сама лампа, а ее изоляторы и стекло, которые от больших доз мутнеют.

И главное: у вакуума нет узкого места по теплу. Вот общий принцип, который объясняет сразу все случаи, к которым мы придем ниже.

В полупроводнике электрон движется в кристаллической решетке и все время во что-то врезается: в тепловые колебания решетки, в примеси, в дефекты. Это ограничивает и скорость, и допустимое поле, а главное — приводит к выделению тепла прямо в объеме крохотного кристалла. Тепло приходится вытаскивать через микроскопическую площадку.

В вакууме электрон не врезается ни во что. Он летит свободно, разгоняется до энергий в десятки тысяч электронвольт и отдает энергию там, где вы решили — на аноде, конструкцию которого вы вольны сделать хоть с кулак размером и охлаждать водой.

Отсюда правило: полупроводник выигрывает там, где нужно много приборов и мало мощности на прибор. Вакуум — там, где нужно мало приборов и очень много мощности на каждый.

Запомните эту формулировку, она нам понадобится в третьей части — там весь список выживших ниш укладывается ровно в нее.

Так как же транзистор победил

Для начала немного окунемся в контекст эпохи. Первые транзисторы были откровенно плохи.

Точечно-контактный германиевый прибор конца сороковых: шумный, с диким разбросом параметров, работающий на единицах мегагерц, чувствительный к температуре настолько, что уже к семидесяти-восьмидесяти градусам характеристики уплывали, а прибор фактически переставал работать. Мощность — милливатты.

Хорошая лампа сорок девятого года била его по всем параметрам, кроме потребления и размера.

Первый серийный транзисторный приемник Regency TR-1 вышел в 1954 году, содержал четыре транзистора и стоил 49 долларов 95 центов. По тем деньгам очень дорого. Звучал он при этом хуже лампового за те же деньги.

Покупали его за то, что он влезал в карман.

Так что транзистор выиграл не качеством. Он выиграл тремя вещами.

Первое. Отсутствие накала. Здесь надо формулировать аккуратно, потому что расхожее «транзистор в покое не потребляет ничего» — неправда. Любой каскад класса A прекрасно тянет ток покоя, есть токи утечки, есть подпороговая проводимость, и в сумме это далеко не ноль.

Дело в другом. У транзистора нет отдельной, неустранимой статьи расхода на подогрев катода. Он не тратит энергию на то, чтобы просто быть готовым работать. Ток покоя можно свести к микроваттам, а можно вообще обнулить, переведя схему в спящий режим. Накал лампы обнулить нельзя: погасили накал — получили не спящий прибор, а неработающий, и на пробуждение уйдут десятки секунд.

Именно это открыло все, что работает от батареек: карманные приемники, слуховые аппараты, потом плееры и все остальное.

Второе. Возможность печатать. Лампа принципиально штучная вещь. Одна лампа — один прибор, ну два, ну четыре в компактроне. Каждая — это отдельный стеклянный баллон, откачанный отдельно, со своим геттером, вставленный в свою панельку и подключенный своими проводами. Сделать миллион ламп разом на одной подложке невозможно в принципе. У каждой должен быть свой собственный вакуум.

А полупроводниковый прибор делается литографией — то есть, грубо говоря, печатается на пластине через набор масок. И как только Жан Эрни придумал планарный процесс, а Роберт Нойс и Джек Килби — интегральную схему, стало ясно: одним и тем же набором операций можно сделать один транзистор, а можно тысячу.

Третье. Цена. Формально она вытекает из второго пункта, но заслуживает отдельной строки, потому что именно она в итоге и решила исход.

Себестоимость в пересчете на прибор у литографии падает практически до нуля и продолжает падать с каждым следующим поколением процесса. У лампы так не бывает никогда: ее цена упирается в стекло, в вакуумную откачку и в руки сборщика, и ниже определенного предела не опустится, сколько их ни делай. Один и тот же прибор с годами дешевеет у полупроводника и не дешевеет у вакуума.

Вот, собственно, три сильные стороны транзистора, за которые он и взял победу. Компактный, экономичный, дешевый. И заметьте: экономичность и слабый нагрев — это на самом деле одно свойство, потому что накал в транзисторе просто отсутствует.

Последний бой: нувистор

К концу пятидесятых всем было понятно, куда идет дело. И вот в 1959 году RCA выпускает нувистор.

Это лампа, у которой нет стекла. Корпус металлокерамический, электроды не подвешены на слюдяных дисках, а собраны в жесткую цилиндрическую конструкцию с прецизионными посадками. Диаметр — около одиннадцати миллиметров, высота — около двадцати. То есть штука чуть меньше наперстка. Накал — доли ватта. Микрофонность и шумы заметно ниже, чем у обычных ламп.

По сути RCA взяла лампу и применила к ней подход точного машиностроения вместо стеклодувного дела.

Нувисторы пошли в телевизионные тюнеры, в измерительную аппаратуру, в профессиональные видеомагнитофоны Ampex, в студийные микрофоны. Работали отлично.

Это была лебединая песня ламп, последний рывок и попытка все же ухватить уплывающий рынок. Но через десять с небольшим лет нувисторов не стало, и вовсе не потому, что они оказались плохи. Просто кремний оказался дешевле. Тот самый третий аргумент из трех, что мы разобрали выше: не характеристики и не размер, а цена.

Частотный предел

У лампы есть предел по частоте, и связан он с тем, что электрону нужно время, чтобы долететь.

Давайте посчитаем.

Расстояние от катода до сетки в приемной лампе — порядка 0,2 миллиметра, то есть 2·10⁻⁴ метра. Электрон стартует почти с нулевой скоростью и разгоняется слабым полем. Средняя скорость на этом участке получается порядка полумиллиона метров в секунду, то есть 5·10⁵ м/с.

Делим одно на другое: время пролета выходит около четырехсот пикосекунд. Пикосекунда — это триллионная доля секунды.

А теперь смотрим, что это значит. На частоте один гигагерц — то есть миллиард колебаний в секунду — период одного колебания составляет одну наносекунду, то есть тысячу пикосекунд.

Четыреста из тысячи. Почти половина периода.

Иначе говоря, электрон, вылетевший в момент, когда сетка его разгоняла, долетает до анода тогда, когда сетка уже поменяла знак и должна была бы его тормозить. Управление разваливается.

Боролись с этим единственным доступным способом — уменьшали расстояния. Появились лампы-желуди, потом маячковые лампы, потом металлокерамические с дисковыми выводами, где зазоры измеряются десятками микрон, а сама лампа становится частью резонатора.

Это подняло потолок до нескольких гигагерц. Но проблему не отменило. Казалось, что потолок достигнут и тут, стоит сказать лампам спасибо и разойтись. Но вдруг родилась внезапная мысль: а не поможет ли нам это ограничение кое в чем?

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.