liwen01 2025.01.05

前言

半(ban)導體的前身是真空管，在集(ji)成(cheng)電路被(bei)發明前，真空管被(bei)廣泛應用于收音機、電話(hua)、無線電、雷(lei)達、電視、電子計算(suan)機等電子設備中。

真空管也叫電子管，在不同的資料中稱呼可能不一樣，這里我們統稱為真空管。

因為翻譯的原因，Triode 三極管實際(ji)指代的(de)是(shi)真空(kong)三極管，而不是(shi)我們現在使用的(de)晶體(ti)三極管。在了解半導體(ti)前有(you)(you)必要對真空(kong)管有(you)(you)一個簡(jian)單的(de)了解。

(一)真空二極管

(1)愛迪生效應

1879年愛迪(di)生(sheng)發明了(le)電(dian)燈泡(pao)，但是早期的(de)電(dian)燈泡(pao)使用時(shi)間長了(le)之后，外(wai)面的(de)玻(bo)璃(li)容易變黑，從而(er)導致電(dian)燈泡(pao)的(de)亮度變低，愛迪(di)生(sheng)認為是部分燈絲(si)碳化后的(de)煙塵(chen)覆蓋在了(le)玻(bo)璃(li)上(shang)。

為解決(jue)電(dian)(dian)燈泡(pao)玻璃變黑的(de)(de)(de)問題(ti)，愛迪(di)生嘗試(shi)將一(yi)銅(tong)片安裝在(zai)電(dian)(dian)燈泡(pao)里面，以嘗試(shi)阻擋燈絲高溫碳化后的(de)(de)(de)煙塵。在(zai)試(shi)驗的(de)(de)(de)時候卻發現(xian)了(le)(le)奇怪的(de)(de)(de)現(xian)象：在(zai)電(dian)(dian)燈泡(pao)亮了(le)(le)一(yi)段時間之后，用來阻擋煙塵的(de)(de)(de)銅(tong)片產生了(le)(le)單向的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流。而(er)銅(tong)片是位于玻璃真空管內部(bu)，與帶(dai)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)燈絲之間應該是絕緣的(de)(de)(de)才對。

愛迪生無(wu)法解釋(shi)銅片產生單向電(dian)流的(de)原因，他周邊(bian)的(de)其(qi)它(ta)科學家也無(wu)法給出(chu)合理(li)的(de)解釋(shi)。專注于新發明和實際(ji)應用(yong)的(de)愛迪生無(wu)暇顧及電(dian)燈(deng)泡里的(de)這個(ge)現象，習慣性地申請了(le)一個(ge)專利后，他就將它(ta)忘在腦后了(le)。

后來人們稱這一現象為愛迪生效應，或者是 真空電子發射效應

愛迪生效應原理

后來在其它科學家的探索中我們知道：在真空管中，當電流通過陰極(燈絲)時，它會使燈絲變熱。根據熱電子發射原理，陰極的溫度升高到一定程度時，燈絲表面的電子會獲得足夠的能量克服金屬表面的勢壘(也就是逸出功)，從而被釋放到真空中,這個過程稱為熱電子發射。

可以簡單理解為：燈絲通電受熱后，燈絲原子中的電子逃逸出去，飛向了銅片，從而產生了單向電流。

(2)弗萊明閥(真空二極管)

受愛迪生效應的啟發，弗萊明在1904年發明了最早的真空二極管，也被稱為弗萊明閥

在弗(fu)萊明閥中，靠近(jin)燈(deng)絲端是陰極(ji)，在原(yuan)來銅塊的位(wei)置是陽(yang)極(ji)。

當外部(bu)加一個反(fan)向的電源，如下圖(a),銅(tong)片處(chu)是(shi)帶負(fu)電，與正極間形成一個電場，燈絲加熱后，溢出的電子受到(dao)電場力的作(zuo)用(yong)，朝外部(bu)電源的正極移動，所以(yi)外部(bu)電源斷開，不(bu)能導通。

當外部接一個正(zheng)向(xiang)的(de)電(dian)源時(shi)(上(shang)圖b)，銅板(ban)與(yu)燈(deng)絲間的(de)電(dian)場反(fan)向(xiang),燈(deng)絲加(jia)熱(re)后(hou)溢(yi)出的(de)電(dian)子在電(dian)場力的(de)作用下，往銅板(ban)的(de)方(fang)向(xiang)移動，這時(shi)，整個電(dian)路導通。

這就是最早的真(zhen)空二極管，具(ju)有單(dan)向導(dao)通(tong)的作用。

(3)二極管檢波

在(zai)20世紀初真空管剛發(fa)明的時候(hou)，還(huan)沒有長途電(dian)話(hua)、收(shou)音機、電(dian)視機和計算(suan)機這些東西，在(zai)赫茲通(tong)過試(shi)驗(yan)驗(yan)證了(le)電(dian)磁波的存(cun)在(zai)后，人(ren)們才開始嘗(chang)試(shi)使用(yong)無線(xian)電(dian)磁波進行通(tong)信的試(shi)驗(yan)。

無線信(xin)號(hao)的(de)載波信(xin)號(hao)一般都是高頻信(xin)號(hao)，因為高頻信(xin)號(hao)傳輸效果比低頻的(de)好。比如現在調幅(fu)(AM)廣播的(de)頻率(lv)一般是153 kHz~26.1 MHz，調頻(FM)廣播的(de)頻率(lv)是87.5 MHz ~108 MHz，而人耳能(neng)聽到的(de)聲音頻率(lv)只有 20Hz ~ 20kHz。

無(wu)線電在(zai)發送的(de)時候，是將聲音(yin)的(de)低頻信號(hao)與載波(bo)的(de)高頻信號(hao)進行(xing)調制，使(shi)發送的(de)無(wu)線信號(hao)中帶有聲音(yin)信息，這個過(guo)程叫信號(hao)的(de)調制。

以(yi)調幅(fu)廣(guang)播(bo)舉(ju)例，收音機天線接收到高頻(pin)(pin)交(jiao)變(bian)的(de)(de)(de)無線信(xin)號之(zhi)(zhi)后，先是利用二極管的(de)(de)(de)單向導通性，將信(xin)號的(de)(de)(de)負半部分去除，就(jiu)變(bian)成(cheng)了(le)單向的(de)(de)(de)脈沖直流信(xin)號。在這(zhe)(zhe)之(zhi)(zhi)后，再通過電(dian)(dian)阻和電(dian)(dian)容組成(cheng)的(de)(de)(de)低通濾波電(dian)(dian)路，就(jiu)可以(yi)得到調幅(fu)廣(guang)播(bo)的(de)(de)(de)低頻(pin)(pin)信(xin)號了(le)，這(zhe)(zhe)個就(jiu)是聲(sheng)音的(de)(de)(de)信(xin)號了(le)。 這(zhe)(zhe)個過程實際上也就(jiu)是無線電(dian)(dian)的(de)(de)(de)解(jie)調過程。

早期人們(men)是(shi)使用金(jin)屬屑(xie)檢波(bo)器進行檢波(bo)，但它的(de)開關(guan)速度很慢，效果不好(hao)。而真空二極(ji)管里面沒有機械部分(fen)，電流純靠電子的(de)流動，因(yin)此開關(guan)速度比(bi)金(jin)屬屑(xie)檢波(bo)器快很多。

(4)二極管整流

在上面檢(jian)波(bo)的(de)過(guo)程中(zhong)，我們是(shi)直接把(ba)交變信(xin)號中(zhong)的(de)負半部分(fen)去除了(le)，如果是(shi)要(yao)將交流電(dian)轉換(huan)為(wei)直流電(dian)，這樣其(qi)實是(shi)把(ba)一半的(de)電(dian)能丟棄掉了(le)。

為了可以盡可能(neng)地完整使用交流電(dian)(dian)中(zhong)的所有電(dian)(dian)能(neng)，可以使用二極(ji)管橋(qiao)接成一(yi)個整流電(dian)(dian)路

上圖(tu)左邊輸入(ru)的是交變電流

• 在(a)圖中，輸入電流從上邊正極向右到達D點，由于二極管的單向導通性，它只能通過D2到達A點，經過負載電燈到達B點，再經過D3二極管到達C點后回到電源的負極，形成一個環路。
• 在(b)圖中，輸入電流從下邊正極到C點，經過D4二極管到達A點，經過電燈負載到達B點再經過D1二極管到達D點回到電源的負極形成一個環路。

對于負載燈泡而言，不管外部輸入的是交變電流的正半部分還是負半部分，電流都是從A流向B，從而實現了電能的全部使用。

(二) 真空三級管

在二極(ji)管(guan)的基礎上，在銅板與燈絲之間(jian)插入一(yi)個帶電(dian)的柵格(ge)，也就是一(yi)個帶孔的網格(ge)，這(zhe)樣就變成(cheng)了(le)一(yi)個真空三極(ji)管(guan)。

第一個三極管

1906年年底，福(fu)雷斯特在二極(ji)管中(zhong)多加入了(le)一個(ge)柵極(ji)，使真空管具有(you)了(le)放大與振蕩(dang)功(gong)能。

(1) 三極管工作原理

當柵格的(de)電極為負的(de)時候，它對燈絲逃逸出來的(de)電子有個(ge)反作用力，可以(yi)抑制電子往(wang)銅板的(de)方向(xiang)逃逸，當這個(ge)電場力足夠大(da)的(de)時候，它可以(yi)阻斷外部電源電流(liu)的(de)流(liu)通。

當柵格的(de)電極為正的(de)時候，它對(dui)燈(deng)(deng)絲(si)逃(tao)逸出來的(de)電子(zi)有個吸引(yin)的(de)作用力，可以加速燈(deng)(deng)絲(si)電子(zi)的(de)逃(tao)逸。

因為電(dian)(dian)子(zi)逃逸(yi)的(de)(de)動能很小，所以實(shi)際上(shang)只需要(yao)很小的(de)(de)一個電(dian)(dian)信號就(jiu)可以控制外部電(dian)(dian)源的(de)(de)電(dian)(dian)流大(da)小，這就(jiu)實(shi)現了(le)真空(kong)三(san)極管的(de)(de)放大(da)功能。

因(yin)為柵格(ge)信號實際影響(xiang)的是(shi)電子，所以它的響(xiang)應速度(du)與真(zhen)空二(er)極管(guan)一樣，都非常快。

(2) 三極管結構

實際使用的(de)真空管，并不是直(zhi)接使用燈絲(si)加(jia)熱讓燈絲(si)上的(de)電子逃逸(yi)，而是在里面設置(zhi)一個(ge)專門(men)用來加(jia)熱的(de)器件，也叫旁熱式真空管。

上面這(zhe)個(ge)是真空三極管的剖面圖：

• 最中間的是一個加熱絲，用于加熱陰極
• 加熱器外面就是陰極，加熱后會逃逸出電子
• 陰極外面一層是柵極，用于控制電子的運動
• 柵極外面是陽極，用于接收電子
• 最外層是玻璃管，將里面的空氣抽走，形成真空狀態。

低功率三極管

(3) 三極管應用

真空三極管被發明之后(hou)，被廣泛應(ying)用(yong)于(yu)收音機、電視機、無線電報、音響(xiang)以及早期的(de)電子計算機中，它(ta)主要作用(yong)是開(kai)關(guan)和信號放(fang)大。

無線信(xin)號或是(shi)長(chang)途電(dian)話，在通過(guo)(guo)遠(yuan)距離的(de)傳輸后，信(xin)號會衰減，變得很微弱(ruo)。通過(guo)(guo)三(san)極管的(de)放(fang)大功能，可(ke)以(yi)將信(xin)號進行放(fang)大和(he)(he)還原，從而使(shi)無線通信(xin)和(he)(he)長(chang)途電(dian)話技術(shu)變為可(ke)能。

真空管功放真空管無線電臺信號發生器

(三)真空管的局限

隨著電子設備功能的逐漸復雜，真空管的缺點也逐漸地變得明顯：體積大、重量重、功耗高、易損壞、壽命短、溫度高。

1945 年美國建成(cheng)了(le)(le)第一臺電子計(ji)算機 ENIAC，它使用(yong)(yong)了(le)(le) 18000 個真空管，重量達到了(le)(le) 27 噸，占地28平(ping)方，功(gong)率達到 150KW，它主要(yao)用(yong)(yong)于軍方的(de)彈(dan)道(dao)和其它武器相關的(de)復(fu)雜計(ji)算。

因為真空(kong)管(guan)需要預熱(re)之后才能被使用，而(er)當(dang)時(shi)(shi)真空(kong)管(guan)材料的應力不夠，導致真空(kong)管(guan)容易損(sun)壞(huai)，ENIAC 這一(yi)萬多(duo)個(ge)真空(kong)管(guan)，基本(ben)上每天都會有幾個(ge)被燒(shao)壞(huai)。結果就是 ENIAC 的一(yi)半時(shi)(shi)間在(zai)工作，另外一(yi)半時(shi)(shi)間是在(zai)維修。

而這臺電子計算機每秒只能(neng)夠執行 5000 次(ci)加法(fa)(fa)運(yun)算或是 357 次(ci)乘(cheng)法(fa)(fa)運(yun)算，脈沖信號頻率(lv)也只有 100 kHz。現在任(ren)意一(yi)個物聯網(wang)設備的計算能(neng)力應(ying)該都比它強。

真空管的缺點(dian)限制了復(fu)雜電子(zi)設備(bei)的發展，二戰(zhan)后美蘇(su)進入冷戰(zhan)階段，開始(shi)軍備(bei)和(he)太(tai)空競(jing)賽(sai)。軍方急需穩定(ding)、可靠、質量輕便的器(qi)件來(lai)代替真空管，這也就給半導體的發展創造了機會。

在20世(shi)紀五十(shi)年代，人(ren)類剛(gang)開(kai)始太空探索，據說每(mei)增加 1Kg 衛星的(de)重量，火箭就(jiu)要增加1噸的(de)燃(ran)料。那(nei)時，軍方只關(guan)注(zhu)電子器(qi)件的(de)體積(ji)、功耗、和穩定性，而無(wu)關(guan)乎價格(ge)和成本(ben)。這也就(jiu)為后來的(de)晶體管(guan)和集成電路的(de)發展提供(gong)了市場需(xu)求(qiu)和資金來源。

結尾

真空(kong)管被廣泛地使用在早期的(de)(de)無線電、收音機、電視、電子計算機、雷(lei)達等(deng)電子設備上(shang)。在有了美(mei)國軍方(fang)市場和資(zi)金的(de)(de)支持下(xia)，美(mei)國半導體技術也得到了快速的(de)(de)發展(zhan)，最后(hou)真空(kong)管逐漸地被晶體管所替代。

下一篇我們將介紹半導體技術的關鍵 PN結 和晶體二極(ji)管。

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