电子管的发明

　　现代半导体芯片经常是由上百亿个MOS晶体管所组成。而在MOS晶体管发明之前，双极型晶体管发挥着重要作用。但是双极型晶体管也不是凭空创造的，它是在电子管的应用基础上发明的。这些器件的历史演变对于了解当今半导体芯片的创新至关重要。让我们先来看一下最早的有源器件电子管是如何发明的。
　　最早的电子管原型是在200多年前开发的。当时，它的功能不是为了获得放大信号，而是为了产生光。大约在1800年，英国科学家汉弗莱·戴维发现，在金属丝中流动的电流可以使其温度达到非常高的水平，进入炽热发光的程度，成为灯丝。然而，灯丝很快会被燃烧掉。
　　汉弗莱·戴维
　　托马斯·爱迪生
　　后来，托马斯·爱迪生对这一发明进行了改进，他将灯丝放入一个内部为真空的玻璃灯泡中，这使得灯丝可以长期发光而不被烧断。1883年，爱迪生在做实验时发现，在灯泡内的灯丝上方插入第二根金属丝时，有一股微弱的电流会从热灯丝流向第二根金属丝。而这根金属丝与灯丝之间并没有物理连接，哪里来的电流呢？
　　爱迪生的灯泡草图（部分）
　　原因是加热的金属会产生非常活跃的电子，这些电子向第二个金属丝发射出去，从而产生了电流。当在灯丝和第二根金属丝的外接端子之间放上电池时，电流会大大得到加强，但当电池的极性反过来时，带有负电的电子＂同性相斥＂，电子被排斥，电流几乎为零。爱迪生把这个现象称为 ＂爱迪生效应＂，虽然申请了专利，但当时他认为这一观察没有任何实际意义，并把精力集中在重新获得他在1880年申请的白炽灯专利上。
　　但是，爱迪生的专利引起了英国人约翰·弗莱明的注意。他在剑桥大学毕业后，在诺丁汉大学学院担任了一段时间物理和数学教授，然后在爱迪生电话公司任职。弗莱明有机会看到爱迪生的许多发明，并意识到其可能带来的好处。几年后，在他进入伦敦大学学院后（1904年），弗莱明在 ＂爱迪生效应＂基础上开发了一个装置，并将其称为 ＂阀＂。它的功能其实就是一个二极管或电流的单向阀——因为它只允许电流向一个方向流动。该装置的预期用途是作为无线电接收器的检波器。由于＂弗莱明阀＂对电子设备有实际用处，因此常常被认为是电子器件漫长发展历史中的第一项发明。
　　弗莱明和＂弗莱明阀＂
　　弗莱明是一位优秀的研究人员和讲师。在向学生授课时，他创造了使用左右手的规则，用于演示电机中的磁场、电流和力。直到今天，这些规则仍被称为弗莱明左右手规则。
　　弗莱明右手定则，右手三根手指互相垂直，拇指方向是导体移动方向、食指的是磁场方向、中指的为生成电流方向
　　弗莱明的发明和爱迪生效应成为美国人李·德弗雷斯特发明的基础，他在1906年之前就开始研究爱迪生效应。他在热灯丝和金属丝之间放置了一个金属栅网，并发现从灯丝流向另一根金属丝的电流可以通过在金属栅网和灯丝之间施加一个小电压来进行调节。
　　李·德弗雷斯特
　　李·德弗雷斯特将他发明的装置称为＂奥迪恩管＂（Audion）。他发现，电流的控制既取决于金属栅网和灯丝之间的电压，也取决于其极性。负电压会阻碍电子的流动，而正电压则会增强电子的流动。事实上，会有一个电流通过金属栅网，但与通过灯丝和金属丝之间的电流相比，它是非常小的。这意味着，用一个很小的电流变动，就可以控制很大的功率变化。这个金属栅网后来就演变成了我们现在很熟悉的栅极，而其他两个电极称为阴极和阳极（也称为屏极），这就是最初的三极电子管。
　　＂奥迪恩管＂（Audion）
　　李·德弗雷斯特是一位出色的发明家，他总共申请了300多项专利。然而，几乎没有一项是得到成功应用的。但他的奥迪恩管作为第一个能够进行电流放大的器件，却获得了成功，并被电话公司用于跨大陆的有线电话通话。
　　被称为三极管的奥迪恩管是一项杰出的发明，但是也惹来了一连串的麻烦和财务纠纷。李·德弗雷斯特是一个贫穷的商人，第一家公司因破产而被迫关闭。之后，他成立了 ＂李·德弗雷斯特无线电电话公司＂。1909年左右，该公司陷入困境，因为联邦当局指控其行为不当，试图推广一种 ＂毫无价值的设备＂——奥迪恩管。李·德弗雷斯特后来虽然获得了清白，但由于财务上的困难，他不得不以极低的价格将他的奥迪恩管专利权出售给一位代理美国电话和电报公司（AT&T）事务的律师。
　　当时，奥迪恩管主要被AT&T用于电信系统，作为长途通信中的中继器电路的一个重要放大部件。西部电气公司（WECo）使用奥迪恩管的改进版，为海岸到海岸的电话通信建立了一个扩音器（1915年）。早期阀的阳极栅电容非常高，这导致了不必要的振荡，特别是当工作频率为数百kHz（千赫兹）时。这个问题是由英国工程师朗德（H. J. Round）解决的。他在1916年提出了将阳极与栅网去耦的想法，将阳极连接从玻璃容器的顶部穿过，而不是放入底部插脚封套内。
　　朗德（H. J. Round）
　　电子管及其构造
　　为了提高放大系数，更多的栅网被添加到三极管中。1916年，德国德律风根公司（Telefunken）的威廉·肖特基为一种有两个栅网的电子管申请了专利，命名为四极管。四个电极是一个套在另一个里面，热电阴极在中间，然后是第一和第二栅网和阳极。四极管有不同类型，其两个栅网的功能各不相同。在阿尔伯特-赫尔提出的栅网电极四极管中，第一栅网是控制栅极，第二栅网是帘栅极。其他种类的四极管包括空间电荷栅网管或双栅网阀，控制栅极和第二栅网的作用根据用途而改变。栅网阀四极管用于中频小信号放大，而束状四极管用于大功率射频传输。
　　威廉·肖特基
　　五极管又另外加了一个栅网。它是由奥尔斯特（Gilles Holst）和泰勒根（Bernard D.H. Tellegen）在1926年发明的。抽成真空的玻璃管内五个电极分别是加热的阴极、控制栅极、帘栅极、抑制栅极和阳极。放在阳极之前的抑制栅极的作用是防止阳极发出的二次发射电子到达帘栅极，从而避免可能的不稳定和随之而来的振荡。
　　吉尔斯·霍尔斯特
　　伯纳德·泰勒根
　　由五极电子管组成的一个典型放大电路如图所示。C1为信号输入耦合电容，C3是信号输出耦合电容，C2和C4是旁路电容。
　　放大器电路图
　　现在，笨重的电子管已逐渐被固态器件所取代。然而，有一些小领域的应用仍然需要电子管而不是固态器件。例如，用于粒子加速器的大功率无线电频率发生器和广播发射器，以及音频领域的一些高音质大功率放大器等。
　　东芝生产的用于高保真音响的电子管
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