Свечение Лосева

Привычные всем светоизлучающие диоды, по мнению большинства энциклопедических источников, появились в 1962 году, вскоре после изобретения полупроводникового лазера. Однако светодиоды появились гораздо раньше в результате работ советского изобретателя Олега Владимировича Лосева.

В последнем выпуске Nature Photonics вышла статья, посвяшенная столетию оптоэлектроники.

Впервые явление свечения при прохождении тока через полупроводники наблюдал Генри Раунд (Henry Round), работавший в то время ассистентом Маркони. Он опубликовал в 1907 году короткую

Имя Олега Владимировича Лосева сегодня известно разве что узкому кругу специалистов. А жаль: его вклад в науку, в развитие радиотехники таков, что дает право этому ученому-подвижнику на благодарную память потомков.

Ученик пятого класса реального училища дореволюционной Твери Олег Лосев что ни вечер тихо копошился в своей полутайной домашней радиолаборатории, которую оборудовал на средства, сэкономленные от школьных завтраков, и мастерил очередную электрическую “пищалку”. И никто подумать не мог, что в скромном вежливом мальчике, выделявшемся среди одноклассников глубиной понимания физики, любовью к экспериментированию, формируется личность целеустремленного исследователя. А началось все с публичной лекции о беспроволочной телеграфии, как в то время называли радио, с которой выступил начальник Тверской радиоприемной станции В. М. Лещинский. В четырнадцать лет Олег Лосев делает окончательный выбор: его призвание - радиотехника.

Большой жизненной удачей оказалась для Лосева случайная дорожная встреча с крупнейшим радиоспециалистом того времени профессором В. К. Лебединским. В вагоне пригородного поезда познакомились и навсегда сдружились маститый ученый и увлеченный юноша. Олег зачастил на Тверскую радиоприемную станцию международных сношений, куда Лебединский приезжает из Москвы для научных консультаций. Идет мировая война - станция занимается перехватом радиосообщений противника. Ученик В. К.Лебединского поручик М. А. Бонч-Бруевич, страстный пропагандист радиодела, всячески опекает юного радиолюбителя. В домашней лаборатории Олега кипит работа: испытываются когерреры, изготавливаются кристаллические детекторы.

Наступил революционный 1917 год. Лосев в это время заканчивает среднюю школу. Он мечтает стать радиотехником. Но для этого необходимо получить специальное образование, и он подает документы в Московский институт связи.

Март 1918 года. Положение в стране крайне напряженное. Казалось бы, время не для решения задач далекого завтра: слишком уж тяжел день сегодняшний. И тем не менее Владимир Ильич Ленин обдумывает возможность создания отечественной радиопромышленности. В том же восемнадцатом году инициативная группа во главе с Бонч-Бруевичем переезжает в Нижний Новгород. По замыслу В. И. Ленина создается первый в Советской России радиотехнический научно-исследовательский институт - Нижегородская радиолаборатория (НРЛ). В. К. Лебединский становится председателем Совета НРЛ и редактором первого отечественного научного радиожурнала “Телеграфия и телефония без проводов”(“ТиТбп”).

НРЛ сыграла крупную роль в развитии отечественной радиотехники. Радио становится средством разъяснения политики партии народу. “Газета без бумаги” и “без расстояний”, которую Вы создаете, будет великим делом”, - писал В. И. Ленин М. А. Бонч-Бруевичу.

Лосев проучился в институте связи всего один месяц и вскоре оказался в Нижнем Новгороде - в кругу своих учителей и покровителей. Не обошлось, конечно, без активной агитации со стороны В. К. Лебединского. Бескорыстный, внимательный педагог взял на себя ответственность за образование молодого человека. Лосев включился в исследовательскую деятельность лабораторий, занятых разработкой новейших для того времени радиотехнических средств.

Увлечение беспроволочной телеграфией в те годы охватило весь мир. Уже отошла в историю стеклянная трубка с железными опилками - когеррер, и давно освоенный кристаллический детектор переставал удовлетворять растущие запросы радистов. Наступала эра электронной лампы. Однако их было крайне мало, по существу, единственный тип радиолампы Р-5, да и та оставалась пределом мечтании всех одержимых радиотехникой, Поэтому актуальной задачей тех лет было усовершенствование кристаллического детектора. Эти приборы работали весьма неустойчиво.

Лосев проверяет чистоту поверхности и внешнее строение кристаллов, в различных режимах изучает вольт-амперные характеристики детекторов и оценивает влияющие на них факторы.

Молодой исследователь не покидает Нижегородскую лабораторию сутками: днем проводит эксперименты, ночью занимает “свое место” на площадке третьего этажа, перед выходом на чердак, где стоит его кровать, а одеялом служит легкое пальто. Таким был “комфорт” начала 20-х годов.

Исследуя вольт-амперные характеристики детекторов, Лосев подметил, что некоторые образцы имеют довольно странную кривую, включающую падающий участок. Детектируют они столь же неустойчиво, но что-то подсказывает Олегу, что он на пути к разгадке, В конце 1921 года, во время короткого отпуска в Твери Лосев продолжает опыты в своей юношеской лаборатории. Снова берет цинкит и угольный волосок от старой лампы, начинает испытывать детектор. Что это? В наушниках какая-то далекая станция чисто и громко ведет передачу азбуки Морзе. Такого еще не бывало... Значит - прием не детекторный!

Это был первый гетеродинный прием на основе полупроводникового прибора. Полученный эффект, по существу, являлся прообразом транзисторного эффекта. Лосеву удалось выявить короткий падающий участок характеристики, способный приводить к самовозбуждению колебательный контур. Так, 13 января 1922 года 19-летний исследователь сделал выдающееся открытие. Поймут и теоретически опишут его много позже, а пока - практический результат: радисты всего мира получают в руки простой детекторный приемник, работающий не хуже дорогого лампового гетеродина, при том без громоздких батарей питания, без дефицитнейших электронных ламп и сложной наладки.

Множество материалов испробовал Лосев в качестве рабочего кристалла. Лучшим оказался облагороженный цинкит, получаемый сплавлением в электрической дуге естественных цинкитных кристаллов или чистой окиси цинка. Контактным волоском служила стальная игла.

Описание полупроводникового приемника с генерирующим кристаллом появилось в печати - это было последнее слово радиотехники. Вскоре Олег разработал целый ряд радиосхем с кристаллами и написал для радиолюбителей брошюру с подробными характеристиками приемников и рекомендациями по изготовлению кристаллов.

Сразу после первой публикации открытие Лосева привлекло пристальное внимание зарубежных специалистов. Американский журнал “Radio News“ восклицал: “Молодой русский изобретатель О. В. Лосев передал свое изобретение миру, не взяв на него патента!” Один из французских журналов писал тактичнее: “...Лосев обнародовал свое открытие, думая прежде всего о своих друзьях - радиолюбителях всего мира”. Приемник Лосева получил название “Кристадин”, что означало кристаллический гетеродин. Кристадин принимал слабые сигналы далеких передающих станций, повышал избирательность приема, ослаблял уровень помех.

Волна радиолюбительства охватила молодежь страны, началась “кристадинная лихорадка”. Цинкит было трудно достать, пробовали, что попадалось под руку, - любой кристалл. Массовые исследования принесли еще одну находку - галенит (искусственный свинцовый блеск), он неплохо работал, и его было много. Позже ученые будут спорить: почему же в 20-е годы не был открыт транзистор? Почему одаренный исследователь, не исчерпав всех возможностей своего открытия, вдруг оставил его? Что заставило повернуть работу в иное русло? Ответ есть...

В 1923 году, экспериментируя с детектирующим контактом на основе пары “карборунд - стальная проволока”, Олег Лосев обнаружил на стыке двух разнородных материалов слабое свечение. Раньше такого явления он не наблюдал, но прежде и использовались другие материалы. Карборунд (карбид кремния) был испробован впервые. Лосев повторил опыт - и снова полупрозрачный кристалл под тонким стальным острием засветился. Так, немного более 60 лет назад было сделано одно из перспективнейших открытий электроники - электролюминесценция полупроводникового перехода. Обнаружил Лосев явление случайно или тому были научные предпосылки, сейчас судить трудно. Так или иначе, но молодой талантливый исследователь не прошел мимо необычного явления, не отнес его в разряд случайных помех, напротив, обратил самое пристальное внимание, угадал, что оно базируется на еще неизвестном экспериментальной физике принципе.

Свечение многократно изучалось на различных материалах, а разных температурных условиях и электрических режимах, рассматривалось под микроскопом. Лосеву становилось все более очевидным, что он имеет дело с открытием. “Вероятнее, что здесь происходит совершенно своеобразный электронный разряд, не имеющий, как показывает опыт, накаленных электродов”, пишет он в очередной статье. Итак, новизна, неизвестность науке открытого свечения для Лосева бесспорна, но понимания физической сущности явления еще нет.

Формулировалось несколько версий по поводу физических причин открытого свечения. Одну из них он высказывает в той же статье: “Вероятнее всего, кристалл светится от электронной бомбардировки аналогично свечению различных минералов в круксовых трубках”. Позже, проверяя это объяснение, Лосев помещает различные кристаллы в катодо-люминесцентную трубку и при облучении их сравнивает спектры и силу излучаемого света с аналогичными характеристиками детекторного свечения. Обнаруживается значительное сходство, но вопрос о четком понимании физики явления, по словам Лосева, остается открытым. Все усилия ученый сосредоточивает на глубоком и детальном изучении светящегося карборундового детектора.

В № 5 журнала “ТиТбп” за 1927 год появляется большая статья “Светящийся карборундовый детектор и детектирование с кристаллами”, в которой экспериментатор пишет: “Можно различать два вида свечения... свечение I - зеленовато-голубая, яркая маленькая точка и свечение II, когда ярко флуоресцирует значительная поверхность кристалла”. Только через не сколько десятилетий выяснится, что в кристаллической решетке карборунда в результате случайного внедрения атомов других элементов создавались активные центры, в которых происходила интенсивная рекомбинация носителей тока, вследствие чего наружу выбрасывались кванты световой энергии.

Экспериментируя с различными сортами кристаллов и разными контактными проволоками, О. В. Лосев делает два важнейших вывода: свечение происходит без выделения тепла, то есть является “холодным”, инерция возникновения и потухания свечения чрезвычайно мала, то есть оно практически безынерционно. Теперь мы знаем: эти характеристики свечения, отмеченные Лосевым в 20-е годы, являются важнейшими для сегодняшних светодиодов, индикаторов, оптронов, излучателей инфракрасного света.

Физическая сущность свечения по-прежнему неясна, и О. В. Лосев настойчиво ищет объяснение физики явления. Вскоре он делает одно важное наблюдение, приближающее к пониманию сути процесса: “Под микроскопом можно хорошо видеть, что свечение возникает тогда, когда контактная проволочка касается острых ребер или изломов кристалла...”, то есть генерация света происходит на кристаллических дефектах. Технические отчеты за 1927 год, хранящиеся в архивах НРЛ имени В. И. Ленина, подтверждают, насколько обстоятельно велось исследование светящегося карборундового детектора. Изучалось влияние сильного магнитного поля, ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей; поведение в различных средах - испытывалась ионизация воздуха, окружающего свечение; исследовалась термоэмиссия различных минералов. Одна за другой отпадают ошибочные версии, шаг за шагом идет накопление ценных знаний. Лосев сам готовит для экспериментов различные сорта карборунда, монтирует испытательные установки, пилит и точит металл, занимается измерениями, ведет рабочие журналы - все сам, от идеи до конечных результатов.

Исследования Лосева по электролюминесценции получили широкий отклик и признание за рубежом. Его работы перепечатывали иностранные журналы, а открытие получило официальное название - “свечение Лосева”. И за границей и у нас делались попытки его практического использования. Сам Лосев получил патент на устройство “световое реле”, однако слабая разработка в тот период теории твердого тела и почти полное отсутствие полупроводниковой технологии не позволили при жизни ученого найти работам по электролюминесценции практическое применение. По существу, они относились к проблемам будущего, и до них дошла очередь лишь через 20 - 30 лет.

Практическое использование эффекта свечения Лосева началось в конце пятидесятых годов. Этому способствовало освоение полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров. Не полупроводниковыми оставались только элементы отображения информации - громоздкие и ненадежные. Поэтому во всех развитых в научно-техническом отношении странах велась интенсивная разработка полупроводниковых светоизлучающих приборов.

Первым из них стал серийно выпускаться фосфидо-галлиевый светодиод красного свечения. Вслед за ним появился карбидокремниевый диод с излучением желтого цвета. В шестидесятые годы физики и технологи создали зеленый и оранжевый светодиоды. Наконец, в начале текущего десятилетия на антимониде был получен синий светодиод. Параллельно шел поиск новых технологических методов, полупроводниковых материалов и прозрачных пластмасс. В итоге интенсивной работы была значительно увеличена яркость свечения приборов, разработаны различные типы сегментных цифробуквенных индикаторов, матричных индикаторов и линейных шкал. Приборы с изменяющимся цветом свечения, а также различные типы светодиодных мнемонических излучателей, которые высвечивают разнообразные геометрические фигуры: прямоугольник, треугольник, круг и т. д. В последнее время возник новый класс приборов - модули плоских твердотелых экранов, из которых можно собирать мозаичные экраны и табло нового поколения.

Ученый опередил своих современников. Его заслуга не только в открытии детекторного свечения, но, главным образом, в том, что своими исследованиями он столь остро поставил проблему, что продолжение работ в этой области стало неизбежным. Так, интуиции и настойчивости О. В. Лосева обязано, зарождение нового направления электроники - полупроводниковой оптоэлектроники, которое имеет огромное будущее.