Текст книги "В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]"

Автор книги: Рудольф Сворень

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 13 страниц)

Труженики «нулевого цикла»

или рассказ о том, как извлекли из жидкого азота полупроводниковые лазеры, заставили их непрерывно излучать при комнатной температуре и переместили частоту излучения в диапазон видимого света.

Слова «нулевой цикл» – узаконенный строительный термин, он относится к сооружению той части здания, которая лежит ниже уровня земли, ниже нулевой отметки. Проще говоря, «нулевой цикл» – это закладка фундамента. Именно с него, с этого цикла, с этого комплекса сложных и трудоемких работ, начинается строительство любого объекта. Потом вырастают на прочном фундаменте этажи, появляются нарядные интерьеры, уютные квартиры, быстроходные лифты, и уже мало кто задумывается о том, с чего начинался дом.

Во всяком деле имеются свои «нулевые циклы», свои невидимые миру фундаментальные работы, истинное значение которых зачастую понимают лишь специалисты. Сейчас нам предстоит интересная встреча с группой ученых, которые сегодня работают на переднем крае физики полупроводников, создают фундамент для электроники завтрашнего дня. Это лауреаты премии Ленинского комсомола 1976 г. Иван Арсентьев, Петр Копьев, Вячеслав Мишурный и Валерий Румянцев. Для встречи с ними мы отправляемся в Ленинград, в ордена Ленина Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Академии наук СССР, или, как его иногда коротко называют, Физтех. Наш конечный пункт – лаборатория контактных явлений в полупроводниках. Руководит ею лауреат Ленинской премии академик Жорес Иванович Алферов.

Известно, что все вещества можно разделить на две группы – проводники и диэлектрики (изоляторы): в проводниках есть свободные электрические заряды, а в диэлектриках свободных зарядов нет. Между проводниками и диэлектриками находится еще одна большая группа веществ, которые называют полупроводниками. В полупроводниках есть свободные заряды, но их во много тысяч раз меньше, чем, скажем, в меди или железе. Поэтому полупроводники сами по себе проводят ток значительно хуже, чем классические проводники – металлы.

Обратите внимание на оговорку «сами по себе» – от нее начинается путь к удивительным явлениям, которые как раз и определили интерес современной техники к полупроводниковым материалам.

Физики с виртуозной точностью научились производить с полупроводниками различные операции, которые можно объединить одним понятием – «легирование». Легирование есть не что иное, как введение различных примесей в чистый полупроводниковый материал. Эти примеси, даже если они в ничтожных количествах – миллионные и миллиардные доли процента, – радикально меняют свойства «самого по себе» полупроводника.

Действие примесей в самом упрощенном виде можно описать так: они занимают места в кристаллической решетке основного вещества; в результате такой замены в полупроводнике резко возрастает количество свободных зарядов, и по своим свойствам он заметно приближается к металлическому проводнику.

После введения некоторых примесей – их называют донорами – в полупроводнике появляются свободные электроны; на рисунках в популярных брошюрах их обычно изображают в виде этаких маленьких бегающих шариков или кружков с «минусом» в середине. Другие примеси – их называют акцепторами – создают в полупроводнике свободные положительные заряды; на рисунках их изображают тоже в виде шариков или кружков, но уже, конечно, с «плюсом» в середине. Причем в таком рисунке значительно больше искажается истина, чем там, где в виде шариков изображались свободные электроны. Дело в том, что свободных, подвижных частиц с положительным зарядом, с «плюсом», в полупроводниковом материале вообще нет. Их роль выполняют так называемые «дырки» – положительные заряды неподвижных атомов с недостающими электронами на орбите. Такой атом может перехватить электрон у своего соседа, и теперь уже тот станет носителем положительного заряда. В результате быстрого перескакивания электрона из атома в атом в полупроводнике, по сути дела, перемещается «дырка», т. е., по сути дела, движется положительный заряд.

Полупроводниковые материалы с донорными примесями называют полупроводниками n-типа, а с акцепторными примесями – полупроводниками p-типа. Главное волшебство начинается там, где в одном кристалле соприкасаются участки с электрической проводимостью разного типа. Такая область соприкосновения называется р-n-переходом (рис. 1).

Уже одиночный р-n-переход есть основа вполне законченного электронного прибора – диода, который пропускает ток только в одну сторону: только от зоны р к зоне n. Он делает то, что раньше поручали электровакуумному диоду – радиолампе с двумя металлическими электродами. А трехслойный «пирог» – кристалл с двумя переходами, т. е. со структурой р-n-р или n-р-n – это уже усилительный прибор, транзистор.

Основой традиционных полупроводниковых диодов или транзисторов всегда был однородный полупроводниковый кристалл – германий или кремний. В самом кристалле, как уже говорилось, имелись области с разными примесями, но основной материал оставался неизменным. Но существуют еще так называемые гетероструктуры, в которых не только создают области с разными свободными зарядами – электронами и «дырками», но и по мере выращивания кристалла меняют саму его основу, само вещество, из которого строится кристаллическая решетка. Начинают, на пример, выращивать кристалл из одного раствора, из арсенида галлия GaAs, а продолжают выращивание, заменяя частично или полностью атомы галлия на атомы алюминия (рис. 5, 7). Таким образом, гетеропереход – это контакт различных по химическому составу полупроводников, осуществленный в одном кристалле.

Для чего это нужно? Для чего простой однородный кристалл заменять сложными гетероструктурами? Конечно же, делается это ради определенных практических выигрышей. Создание гетероструктур есть принципиально новый способ управления физическими процессами, происходящими в полупроводниковом приборе. Очень отдаленно это напоминает создание сложных многоэлектродных радиоламп: чтобы управлять движением зарядов в лампе, улучшать ее усилительные способности, в баллон вводили дополнительные электроды – ставили дополнительные спирали и сетки на пути электронного луча, тормозили или ускоряли электроны электрическими полями, сжимали электронный поток своего рода отражающими пластинами. В полупроводниковый кристаллик не влезешь, чтобы как-то повлиять на движение зарядов в нем. Но зато тонкими технологическими приемами, созданием гетероструктур, можно влиять на физические свойства кристаллика в определенных его участках и именно таким способом добиваться нужных характеристик будущего прибора.

Уже с первых своих шагов физика полупроводников вступила в союз с оптикой, и в наши дни благодаря этому союзу техника получила немало прекрасных подарков, таких, например, как полупроводниковые фотоэлементы, превращающие световую энергию в электрическую, – из них, в частности, собраны панели солнечных батарей, которые кормят электроэнергией космические корабли. Или таких, как светодиоды, из которых собирают цифровые табло многих микрокомпьютеров. Или, наконец, полупроводниковые лазеры – предмет исследований нашей четверки молодых физиков.

Полупроводниковый лазер – это тот же диод. Или, если точнее, определенного типа полупроводниковый диод при определенных условиях может давать лазерное излучение. Когда диод включен в прямом направлении и пропускает так, то к р-n-переходу с обеих сторон движутся заряды: из зоны n – электроны, из зоны р – «дырки». В узкой области р-n-перехода они рекомбинируют, объединяются – свободные электроны занимают места в атомах с недостающими электронами. И каждый такой акт рекомбинации сопровождается выделением порции энергии, часто излучением кванта в видимой или инфракрасной области спектра. Частота (длина волны) излучения зависит от так называемой ширины запрещенной зоны данного полупроводника. Это настолько важная характеристика, что о ней стоит сказать несколько слов особо.

Электроны на орбитах атома могут обладать строго определенными запасами энергии, или, иными словами, могут иметь строго определенные энергетические уровни. Их принято отображать горизонтальными линиями на диаграмме уровней: чем больше энергия электрона, тем выше расположена линия (рис. 2).

Самые высокие – уровни внешних, валентных электронов, комплект этих уровней называют валентной зоной. Здесь слово «зона» не имеет ничего общего с районами кристалла, с его зонами n и р; просто два разных понятия названы одним и тем же словом «зона». Можно каким-то образом еще больше увеличить энергию электрона, но при этом он уже уйдет из атома, станет свободной частицей. Такие электроны как раз и участвуют в создании тока, их называют электронами проводимости. А комплект энергетических уровней этих электронов образует так называемую зону проводимости. Она, конечно, выше, чем валентная зона. И не просто выше – между валентной зоной и зоной проводимости всегда существует скачок; имеется некоторый диапазон энергетических состояний, в которых электрон в принципе не может находиться. Именно «в принципе» – это запрещено законами квантовой механики. Вот этот диапазон запрещенных состояний, запрещенных уровней и называют запрещенной зоной.

Энергия электронов, их энергетический уровень, измеряется в электронвольтах. В этих же единицах измеряется и ширина запрещенной зоны, т. е. различие энергетических уровней. Ширина запрещенной зоны определяется самим полупроводниковым веществом, его химическим составом и структурой.

Рекомбинация пары электрон – «дырка» – это, по сути дела, переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Энергия, которую теряет электрон, как раз и расходуется на излучение. И она, эта энергия, естественно, тем больше, чем выше энергетическая ступенька, с которой «спрыгнул» электрон. А чем большая энергия вложена в квант излучения, тем выше его частота, короче длина волны.

В зоне проводимости, так же как и в валентной, много близких уровней, и из области p-n-перехода, где рекомбинируют электроны и «дырки», идет излучение разных, хотя и довольно близких, частот. Излучение, разумеется, появляется лишь тогда, когда через р-n-переход идет ток, и расходится оно по кристаллу во все стороны. Пока это еще не лазер; так работает, скажем, светодиод: создал ток, получил свет. Чтобы получить лазерный луч, т. е. монохроматическое, когерентное излучение, нужно выполнить целый ряд особых условий. Главное из них – необходимо добиться, чтобы многие электроны одновременно излучали на близких частотах. На очень близких. А для этого в свою очередь нужно, чтобы большое количество электронов поднялось на очень близкие энергетические ступеньки в зоне проводимости. И итог, к сожалению, не очень радостный – для получения лазерного излучения из р-n-перехода нужно пропустить через него большой ток (рис. 3). Этот ток не что иное, как ток накачки, он поставляет в р-n-переход сами излучатели, поставляет электроны и «дырки».

В огромном семействе лазеров полупроводниковые лазеры выделяются несколькими неповторимыми особенностями. В них, например, легко управлять интенсивностью излучения, модулировать его, для этого достаточно просто менять силу тока через переход; эти лазеры миниатюрны, только они пока могут на равных войти в современную электронику, где размеры деталей измеряются миллиметрами и микронами.

Идея полупроводниковых лазеров появилась лет двадцать назад, на заре квантовой электроники, огромный вклад в ее реализацию внесли советские физики, главным образом в Москве, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, и в Ленинграде, в Физтехе. В течение сравнительно короткого времени были найдены десятки полупроводниковых материалов для лазеров, созданы конкретные приборы. Однако долгие годы оставался практически неустранимым главный недостаток приборов – необходимость большого тока накачки. Из-за этого, в частности, лазеры, работающие в непрерывном режиме, приходилось сильно охлаждать, обычно до температуры жидкого азота (—196 °C). И именно идея гетеропереходов открыла путь к резкому снижению тока накачки.

В полупроводниковом лазере с простейшей гетероструктурой одна из областей кристалла, скажем зона р, образована из двух разных веществ (рис. 5). Причем вещество, которое находится дальше от р-n-перехода, имеет большую ширину запрещенной зоны. И благодаря этому оно как бы отталкивает в сторону р-n-перехода электроны, которые за счет диффузии неизбежно пролезают на чужую территорию. В более сложной структуре еще и вещество зоны n подбирают с таким расчетом, чтобы в нее за счет диффузии не протекали «дырки», В результате в узкой области самого перехода «бесплатно» повышается концентрация электронов и «дырок», а значит, уже нужен меньший ток для накачки лазера. И появляются гетеролазеры, дающие непрерывное излучение при сравнительно высокой температуре, вплоть до комнатной и выше. Впервые в мире такие лазеры были созданы в Физтехе в 1969 г.

Это только просто говорится «кристалл образован из двух разных веществ». В действительности же стыковка двух веществ в одном кристалле для лазера – дело очень сложное. Прежде всего нужно с высокой точностью согласовать постоянную решетки– расстояние между атомами исходных веществ (рис. 4).

Если постоянная решетки будет различаться хотя бы на несколько сотых долей ангстрема, то никакого лазера не получится, все излучение погибнет внутри кристалла, на его внутренних дефектах. Кроме того, должны быть подобраны температурные и оптические характеристики материалов. Переход от одного материала к другому должен сопровождаться определенным изменением ширины запрещенной зоны – в этом-то и смысл гетероперехода. Причем запрещенная зона активной области должна обеспечивать заданную длину волны излучения. Кстати, именно эта сторона дела была предметом исследований героев нашего повествования.

Дело в том, что первые гетеролазеры излучали в инфракрасной и красной областях – запрещенная зона излучающего вещества, как правило, получалась довольно узкой. И задача ставилась так: создать гетероструктуру с более широкозонной излучающей областью. Работы велись с трехкомпонентными твердыми растворами соединений АВ, в то время уже традиционными; обозначение А₃B₅ говорит о том, что в соединение входят элементы третьей и пятой групп таблицы Менделеева, например фосфор и индий (InP) или галлий и мышьяк (GaAs). Твердый раствор – это, по сути дела, гибрид двух кристаллов; он выращивается из расплава, в котором есть компоненты и одного, и другого. А характеристики гибрида зависят от соотношения этих компонентов (рис. 6).

Поиски новых материалов для гетероструктур – чрезвычайно трудоемкая экспериментальная работа. Ведется она, разумеется, не вслепую, каждый новый результат анализируется с позиций тонкой теории полупроводников, из него извлекаются какие-то полезные выводы для следующих проб.

Исследование сложных трехкомпонентных растворов привело к парадоксальному, казалось бы, выводу: нужно еще больше усложнить систему, от трех веществ перейти к четырем. Работать с четырехкомпонентной системой, конечно, сложней, чем с трехкомпонентной, – резко возрастает число возможных комбинаций исходных веществ. Но одновременно и больше возможностей для согласования различных областей сложной гетероструктуры. Именно сделав трудный шаг к четырехкомпонентным твердым растворам и начав, по сути дела, новый раунд исканий, молодые физики в итоге добились успеха – созданные ими гетероструктуры дали лазерное излучение и сдвинулась, наконец, вверх сама частота излучения – удалось получить оранжевый лазерный луч и даже зеленый.

И еще один результат – о нем рассказывает Жорес Иванович Алферов:

– Работа, удостоенная премии Ленинского комсомола, не просто находится на передовых рубежах мировой науки, результаты работы на ряде участков далеко продвинулись за эти рубежи. Выполненные в условиях жесткой конкуренции с крупными научными центрами США и Японии, эти исследования дали нашей стране лидирующее положение в одной из важных областей физики и технологии полупроводниковых приборов. Хочется особо отметить, что методы исследований и технологические приемы были получены самими молодыми физиками, а не их старшими товарищами. И таким образом, важным результатом всей этой работы нужно, наверное, считать рождение четырех серьезных исследователей со своим научным почерком – исследователей, умеющих принимать самостоятельные решения и брать на себя ответственность за их результаты.

2:0 в пользу телевизора

Успехи микроэлектроники позволили создать приставку к телевизору, которая превращает его экран в своего рода спортивную площадку и позволяет вам, не выходя из комнаты, играть в „хоккей“, „теннис“ и другие телевизионные игры.

Очень похоже, что телевизор – это размноженное миллионными тиражами чудо радиотехники и электроники – осваивает новый развлекательный жанр и тем самым выигрывает еще один раунд в борьбе за наш досуг. Речь идет о домашних телевизионных играх, в которых экран телевизора, полностью отключившись от программ, прибывающих из эфира, становится ареной очень забавных состязаний, таких, например, как «теннис», «хоккей», «футбол». Играете вы в них со своим сидящим рядом партнером, и это развлечение чем-то напоминает настоящий теннис или настоящий хоккей. С той, конечно, разницей, что не нужно бегать и прыгать, ударять клюшкой или ракеткой, не нужно преодолевать усталость, утирать соленый пот с лица и в борьбе за победу выкладывать свои физические силы. Все атрибуты телевизионной игры – хоккейные ворота или теннисная сетка, мяч, шайба, клюшки, ракетки, границы поля – в виде некоторых условных фигурок и линий появляются на телевизионном экране, и, сражаясь с противником, вы ударяете «ракеткой» по «мячу», двигая для этого рычажки или поворачивая ручки.

Чтобы читателю легче было представить себе, что такое домашние телевизионные игры, попробуем более или менее подробно описать одну из них – простейший теннис. (Мы, пожалуй, больше не будем употреблять кавычки, иначе они просто заполонят эти страницы; все называемые дальше спортивные игры и предметы спортивного инвентаря – это не более чем условность.)

Игра осуществляется с помощью небольшой, размером с книгу, приставки, от которой идет кусок кабеля со штекером на конце. Этот штекер включается в антенное гнездо телевизора; сама телевизионная антенна при этом, конечно, вынимается из гнезда. На приставке несколько ручек управления, в том числе две ручки, поворотом которых игроки двигают по экрану свои ракетки.

Телевизор включен, нажата клавиша включения приставки, и на экране сразу же появляются две горизонтальные тонкие линии– границы игровой площадки (рис. 2, а). В середине площадки проходит вертикальная линия – это сетка. Справа, у самого края площадки, небольшой, длиной 3–4 см, вертикальный прямоугольник – это наша ракетка. А у левого края площадки такая же ракетка противника.

Вверху по обе стороны от сетки две цифры – это счет. Пока, конечно, счет 0:0, игра еще не начата.

Ну что ж, начнем, пожалуй… Нажимаем соответствующую клавишу приставки, и на экран выплывает яркая белая точка – мяч. Он быстро летит по прямой линии слева направо, перелетает сетку (точнее, проходит сквозь нее – все ведь происходит на плоскости) и движется уже по нашей половине поля куда-то вправо-вниз… Нам нужно быстрее повернуть ручку, переместить свою ракетку вниз и отбить мяч (рис. 2, б)… Кажется, успели – мяч отбит и летит в сторону противника (рис. 2, в)… Теперь уже ему, противнику, нужно вовремя переместить ракетку в предполагаемую точку встречи с мячом… Но противник перестарался – он слишком высоко поднял ракетку, мяч проскочил мимо нее, ушел за пределы площадки (рис. 2, г), и индикатор счета сразу показал 1:0 в нашу пользу. Ура!

Мяч снова в игре, он влетает на площадку в направлении проигравшего… На этот раз противник успевает, отбивает мяч, и тот опять летит на нас, летит вправо-вверх. Ситуация знакомая – быстро поднимаем ракетку (рис. 2, д)… Но что это? Мы, оказывается, просчитались – не учли, что мяч шел под очень большим углом и из-за этого ударился о верхнюю границу площадки…

По правилам данной игры мяч отражается, отлетает от горизонтальных границ поля (обычно вертикальных границ вообще нет, и мяч может легко уйти, но только влево или вправо, а вверх или вниз не может), резко поворачивает вниз, и мы уже не успеваем подставить ракетку (рис. 2, е)… Ничего не поделаешь – 1:1.

Современного человека окружает огромное множество самых разнообразных машин, приборов, аппаратов, и, конечно же, невозможно знать, как все они устроены, как работают. Невозможно и не обязательно. Есть немало фотографов-любителей, которые делают прекрасные слайды, хотя и не знают, как образуется цветное изображение на обратимой пленке. И немало шоферов-любителей, которые прекрасно водят машину и при этом знать не хотят, что происходит, когда нога нажимает педаль сцепления. Ну а без знания заэкранных секретов телевизионной игры наверняка можно прожить: чтобы точно двигать ракетку, совсем не обязательно понимать, как именно эта ракетка нарисована на экране и как перемещается, как двигается мяч, ведется счет, зажигаются цифры.

И все же в расчете на пытливого читателя, на возможные вспышки любопытства мы уделим этим процессам немного внимания. Совсем немного. А попутно заметим: в телевизионных играх электроника использует свои классические методы и сломы, знакомство с ними может пригодиться при встрече с техникой, далекой от развлечений.

Начнем с описания двух простейших опытов. Один из них вы, наверное, уже наблюдали или даже непреднамеренно проделывали сами: если вблизи телевизора включить электробритву с моторчиком, например «Харьков», то на экране замелькает множество черных и белых пятен и пятнышек. Второй опыт следует проделать специально – он очень прост и совершенно безопасен. Вставьте в антенное гнездо телевизора кусок провода (рис. 1) и набросьте его на включенный транзисторный приемник – на экране появятся замысловатые узоры, прямые и волнистые линии, темные и светлые пятна. Если поворачивать переключатели диапазонов или вращать ручку настройки приемника, то узоры эти придут в движение, а при некоторых положениях ручки настройки они остановятся и будут оставаться в сравнительно устойчивом состоянии.

Теперь вывод: посторонний электрический сигнал, попав в телевизор, может создавать на экране какие-то элементы картинки. Почему мелькает экран, когда рядом работает бритва? Потому, что искрит коллектор ее моторчика, в процессе искрения в цепи резко меняется ток, резкие электрические всплески тока каким-то образом проникают в телевизор (либо через сеть, либо прямо через антенну) и именно они, эти незваные электрические сигналы, поочередно создают на экране бессчетные блики. Примерно то же самое происходит и в опыте с приемником. Практически все современные приемники – это супергетеродины, у них внутри имеется собственный вспомогательный генератор – маломощный гетеродин. Если приблизить приемник к антенне телевизора, то в нее попадет сигнал гетеродина – слабый меняющийся ток. Подобно трамвайному «зайцу», он доберется до конечной станции – до управляющего электрода кинескопа, а всякий сигнал на управляющем электроде – это светлое или темное пятнышко на экране; именно на этом основано создание картинки при нормальной телепередаче.

Рисование на телевизионном экране с помощью синтетических сигналов известно давно. Вспоминается, как лет 10 назад в журнале «Радио» была описана приставка, которая, используя оригинальный способ электрического рисования на экране, превращала телевизор в осциллограф. В этой приставке, кстати, уже в готовом виде были схемные решения, которые сейчас встречаются во всех телевизионных играх. Другой пример. Телецентры в паузах передают в эфир неподвижные картинки, например задернутый занавес. Иногда такой занавес передается традиционным способом (телекамера смотрит на настоящий занавес и посылает его изображение нам), а иногда – от специального «генератора занавеса». Он вырабатывает определенные серии электрических сигналов, которые через телепередатчик приходят в телевизор и рисуют на его экране. Никакого настоящего занавеса и в помине нет, мы видим «полотнище», созданное виртуозом-генератором. И наконец, еще один представитель электронной живописи – дисплей, устройство, где на телевизионном экране с помощью серии электрических импульсов рисует и пишет компьютер, сообщая результаты своих размышлений.

От проделанных простейших опытов до принципов рисования в телевизионной игре остается буквально несколько шагов. Прежде всего попробуем понять, чем определяется место появления светлых или темных точек на экране. Электронный луч кинескопа быстро прочерчивает экран горизонтальными строками и, медленно смещаясь вниз, заполняет в итоге весь кадр. Движением луча управляют два пилообразных напряжения – строчное и кадровое (рис. 3). Они меняются равномерно, линейно и постепенно подтягивают рисующий луч к своим отклоняющим пластинам (катушкам). Потом пила обрывается и луч возвращается в исходное состояние.

А еще есть в кинескопе управляющий электрод, он управляет интенсивностью электронного луча, т. е. яркостью экрана. Если на управляющий электрод на мгновение подать «минус», т. е. подать импульс отрицательного напряжения, то оно как бы оттолкнет электроны, ослабит луч и на экране появится темная точка. Кратковременный «плюс», наоборот, ускорит электроны, электронный луч станет интенсивнее, и появится светлая точка. В каком месте экрана вспыхнет точка? Это зависит от того, в какой момент появится импульс. Если выпустить его на арену в начале кадровой пилы, то мы увидим точку вверху, а если в конце пилы – внизу; если импульс появится в начале строчной пилы, точка будет слева, если в конце строчной пилы – справа.

Следующий шаг – посмотрим, как можно поставить точку в нужном нам месте. Предположим, что у нас есть генератор импульсов, которым на равных управляют сразу два руководителя, противодействующих друг другу (в электронных схемах это осуществляется очень просто и протекает без эксцессов). Один из них – пилообразное напряжение строчной развертки U₀ (рис. 4), другой – постоянное напряжение U_з, которое можно менять поворотом ручки переменного резистора (реостата). Схема построена так, что импульс появляется в момент, когда оба «руководителя» дают одинаковые указания – когда меняющееся напряжение строчной пилы U₀ становится равным установленному нами поворотом ручки постоянному напряжению U_з. При этом, конечно, чем более высокий порог постоянного напряжения мы установим, тем позже пила U₀ достигнет этого порога, тем позже появится импульс и тем правее окажется на экране точка. Работу этой схемы можно проиллюстрировать такой аналогией. На одной чаше весов стоит гирька, на второй – стакан, который медленно наполняется водой. Наступит момент, когда вес воды превысит вес гирьки и весы «сработают». И конечно, чем больше вес гирьки, тем позже произойдет такое срабатывание.

Пилообразное напряжение, которое помогает в нужный момент выдать импульс (подобно тому как будильник «выдает» звонок), может быть взято прямо от генераторов развертки или же должно быть жестко с ними синхронизировано – только в этих случаях точка на экране не будет дергаться. Чтобы можно было разместить точку в любом месте экрана, обычно создают два импульса – один от строчной пилы, другой от кадровой. Импульсы эти пропускают через схему совпадений, и точка появляется как бы на пересечении двух линий – вертикальной и горизонтальной. Ракетки в нашем теннисе двигаются только вверх-вниз, и поэтому к строчной пиле они намертво привязаны в одном месте. Чтобы управлять ракетками, достаточно менять время их появления, отсчитанное по кадровой пиле, т. е. одним переменным резистором менять только одно постоянное напряжение.

Намного сложнее управлять полетом мяча, как правило, его нужно перемещать и вверх-вниз, и влево-вправо. И при этом следить, чтобы, попав в точку, соприкасающуюся с ракеткой, мяч не пошел дальше. Чтобы он отскочил от ракетки. И притом под определенным углом. И чтобы он отскакивал также от горизонтальных границ площадки. И не отскакивал от вертикальных границ. Чтобы он проходил через них за пределы площадки. А потом возвращался. И опять под определенным углом…

Ну и задачи… Кто может их решить? И каким образом?

Но позвольте: кто вообще двигает мяч по площадке? Ведь сами игроки управляют только ракетками…

Движение мяча, все его отскоки, исчезновения, появления, как и множество других важных дел, осуществляет самый главный блок телевизионной игры – вычисляющее устройство (рис. 5).

Его работу в предельно упрощенном виде можно описать так. В этом блоке все начинается с дирижера. Это вспомогательный тактовый генератор, он выдает бесконечные пулеметные очереди импульсов высокой частоты – обычно миллион импульсов в секунду. Если бы все они попали на управляющий электрод кинескопа, то на экране появился бы монотонный «горошек»– тысячи точек, расположенных ровными рядами. (При существующем стандарте – 625 строк – на экране в принципе можно поставить около 300 000 точек, но в простейшей телевизионной игре такая детализация картинки не нужна.) На пути к кинескопу тактовые импульсы проходят через основные элементы вычисляющего устройства – счетчики импульсов, собранные из цепочек триггеров, и логические элементы, умеющие рассуждать таким примерно образом: «Если ко мне на вход придут одновременно 573-й и 826-й импульсы, зажгу точку…» Или: «Если 128-й импульс появится вместе с 2593-м, не зажгу точку…» Счетчики и логические элементы соединены между собой строго определенным образом, они работают по заданной программе. В итоге из ровного частокола импульсов остаются только те, которые в соответствии с правилами игры и игровой обстановкой в нужном месте экрана высвечивают мячик. А в следующий момент с учетом того, какие точки светились раньше, мячик передвигается в следующую точку траектории. Вычисляющее устройство, сформировав необходимые наборы импульсов, рисует границы площадки, ведет счет.

Обо всем этом, конечно, лишь рассказывать просто. Чтобы вести даже простейшую игру, нужны вычисляющие устройства с сотнями схемных узлов, состоящие из тысяч элементов – конденсаторов, транзисторов, резисторов, диодов. Если бы такой вычисляющий блок создавался лет двадцать назад и собирался из отдельных деталей, то он занял бы большой шкаф. Только интегральные схемы сделали телевизионную игру реальностью – все ее управляющее устройство вмещается сейчас в кремниевой пластине размером с клеточку арифметической тетради.