liwen01 2025.01.05

前言

半導(dǎo)體的前身是真空管，在集成電路被發(fā)明前，真空管被廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、電話、無(wú)線電、雷達(dá)、電視、電子計(jì)算機(jī)等電子設(shè)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(tǒng)稱為真空管。

因?yàn)榉g的原因，Triode 三極管實(shí)際指代的是真空三極管，而不是我們現(xiàn)在使用的晶體三極管。在了解半導(dǎo)體前有必要對(duì)真空管有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解。

(一)真空二極管

(1)愛(ài)迪生效應(yīng)

1879年愛(ài)迪生發(fā)明了電燈泡，但是早期的電燈泡使用時(shí)間長(zhǎng)了之后，外面的玻璃容易變黑，從而導(dǎo)致電燈泡的亮度變低，愛(ài)迪生認(rèn)為是部分燈絲碳化后的煙塵覆蓋在了玻璃上。

為解決電燈泡玻璃變黑的問(wèn)題，愛(ài)迪生嘗試將一銅片安裝在電燈泡里面，以嘗試阻擋燈絲高溫碳化后的煙塵。在試驗(yàn)的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：在電燈泡亮了一段時(shí)間之后，用來(lái)阻擋煙塵的銅片產(chǎn)生了單向的電流。而銅片是位于玻璃真空管內(nèi)部，與帶電的燈絲之間應(yīng)該是絕緣的才對(duì)。

愛(ài)迪生無(wú)法解釋銅片產(chǎn)生單向電流的原因，他周邊的其它科學(xué)家也無(wú)法給出合理的解釋。專注于新發(fā)明和實(shí)際應(yīng)用的愛(ài)迪生無(wú)暇顧及電燈泡里的這個(gè)現(xiàn)象，習(xí)慣性地申請(qǐng)了一個(gè)專利后，他就將它忘在腦后了。

后來(lái)人們稱這一現(xiàn)象為愛(ài)迪生效應(yīng)，或者是 真空電子發(fā)射效應(yīng)

愛(ài)迪生效應(yīng)原理

后來(lái)在其它科學(xué)家的探索中我們知道：在真空管中，當(dāng)電流通過(guò)陰極(燈絲)時(shí)，它會(huì)使燈絲變熱。根據(jù)熱電子發(fā)射原理，陰極的溫度升高到一定程度時(shí)，燈絲表面的電子會(huì)獲得足夠的能量克服金屬表面的勢(shì)壘(也就是逸出功)，從而被釋放到真空中,這個(gè)過(guò)程稱為熱電子發(fā)射。

可以簡(jiǎn)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(chǎn)生了單向電流。

(2)弗萊明閥(真空二極管)

受愛(ài)迪生效應(yīng)的啟發(fā)，弗萊明在1904年發(fā)明了最早的真空二極管，也被稱為弗萊明閥

在弗萊明閥中，靠近燈絲端是陰極，在原來(lái)銅塊的位置是陽(yáng)極。

當(dāng)外部加一個(gè)反向的電源，如下圖(a),銅片處是帶負(fù)電，與正極間形成一個(gè)電場(chǎng)，燈絲加熱后，溢出的電子受到電場(chǎng)力的作用，朝外部電源的正極移動(dòng)，所以外部電源斷開(kāi)，不能導(dǎo)通。

當(dāng)外部接一個(gè)正向的電源時(shí)(上圖b)，銅板與燈絲間的電場(chǎng)反向,燈絲加熱后溢出的電子在電場(chǎng)力的作用下，往銅板的方向移動(dòng)，這時(shí)，整個(gè)電路導(dǎo)通。

這就是最早的真空二極管，具有單向?qū)ǖ淖饔谩?/p>

(3)二極管檢波

在20世紀(jì)初真空管剛發(fā)明的時(shí)候，還沒(méi)有長(zhǎng)途電話、收音機(jī)、電視機(jī)和計(jì)算機(jī)這些東西，在赫茲通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在后，人們才開(kāi)始嘗試使用無(wú)線電磁波進(jìn)行通信的試驗(yàn)。

無(wú)線信號(hào)的載波信號(hào)一般都是高頻信號(hào)，因?yàn)楦哳l信號(hào)傳輸效果比低頻的好。比如現(xiàn)在調(diào)幅(AM)廣播的頻率一般是153 kHz~26.1 MHz，調(diào)頻(FM)廣播的頻率是87.5 MHz ~108 MHz，而人耳能聽(tīng)到的聲音頻率只有 20Hz ~ 20kHz。

無(wú)線電在發(fā)送的時(shí)候，是將聲音的低頻信號(hào)與載波的高頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使發(fā)送的無(wú)線信號(hào)中帶有聲音信息，這個(gè)過(guò)程叫信號(hào)的調(diào)制。

以調(diào)幅廣播舉例，收音機(jī)天線接收到高頻交變的無(wú)線信號(hào)之后，先是利用二極管的單向?qū)ㄐ?，將信?hào)的負(fù)半部分去除，就變成了單向的脈沖直流信號(hào)。在這之后，再通過(guò)電阻和電容組成的低通濾波電路，就可以得到調(diào)幅廣播的低頻信號(hào)了，這個(gè)就是聲音的信號(hào)了。 這個(gè)過(guò)程實(shí)際上也就是無(wú)線電的解調(diào)過(guò)程。

早期人們是使用金屬屑檢波器進(jìn)行檢波，但它的開(kāi)關(guān)速度很慢，效果不好。而真空二極管里面沒(méi)有機(jī)械部分，電流純靠電子的流動(dòng)，因此開(kāi)關(guān)速度比金屬屑檢波器快很多。

(4)二極管整流

在上面檢波的過(guò)程中，我們是直接把交變信號(hào)中的負(fù)半部分去除了，如果是要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，這樣其實(shí)是把一半的電能丟棄掉了。

為了可以盡可能地完整使用交流電中的所有電能，可以使用二極管橋接成一個(gè)整流電路

上圖左邊輸入的是交變電流

• 在(a)圖中，輸入電流從上邊正極向右到達(dá)D點(diǎn)，由于二極管的單向?qū)ㄐ裕荒芡ㄟ^(guò)D2到達(dá)A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)負(fù)載電燈到達(dá)B點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)D3二極管到達(dá)C點(diǎn)后回到電源的負(fù)極，形成一個(gè)環(huán)路。
• 在(b)圖中，輸入電流從下邊正極到C點(diǎn)，經(jīng)過(guò)D4二極管到達(dá)A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)電燈負(fù)載到達(dá)B點(diǎn)再經(jīng)過(guò)D1二極管到達(dá)D點(diǎn)回到電源的負(fù)極形成一個(gè)環(huán)路。

對(duì)于負(fù)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(fù)半部分，電流都是從A流向B，從而實(shí)現(xiàn)了電能的全部使用。

(二) 真空三級(jí)管

在二極管的基礎(chǔ)上，在銅板與燈絲之間插入一個(gè)帶電的柵格，也就是一個(gè)帶孔的網(wǎng)格，這樣就變成了一個(gè)真空三極管。

1906年年底，福雷斯特在二極管中多加入了一個(gè)柵極，使真空管具有了放大與振蕩功能。

(1) 三極管工作原理

當(dāng)柵格的電極為負(fù)的時(shí)候，它對(duì)燈絲逃逸出來(lái)的電子有個(gè)反作用力，可以抑制電子往銅板的方向逃逸，當(dāng)這個(gè)電場(chǎng)力足夠大的時(shí)候，它可以阻斷外部電源電流的流通。

當(dāng)柵格的電極為正的時(shí)候，它對(duì)燈絲逃逸出來(lái)的電子有個(gè)吸引的作用力，可以加速燈絲電子的逃逸。

因?yàn)殡娮犹右莸膭?dòng)能很小，所以實(shí)際上只需要很小的一個(gè)電信號(hào)就可以控制外部電源的電流大小，這就實(shí)現(xiàn)了真空三極管的放大功能。

因?yàn)闁鸥裥盘?hào)實(shí)際影響的是電子，所以它的響應(yīng)速度與真空二極管一樣，都非常快。

(2) 三極管結(jié)構(gòu)

實(shí)際使用的真空管，并不是直接使用燈絲加熱讓燈絲上的電子逃逸，而是在里面設(shè)置一個(gè)專門(mén)用來(lái)加熱的器件，也叫旁熱式真空管。

上面這個(gè)是真空三極管的剖面圖：

• 最中間的是一個(gè)加熱絲，用于加熱陰極
• 加熱器外面就是陰極，加熱后會(huì)逃逸出電子
• 陰極外面一層是柵極，用于控制電子的運(yùn)動(dòng)
• 柵極外面是陽(yáng)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(tài)。

(3) 三極管應(yīng)用

真空三極管被發(fā)明之后，被廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、電視機(jī)、無(wú)線電報(bào)、音響以及早期的電子計(jì)算機(jī)中，它主要作用是開(kāi)關(guān)和信號(hào)放大。

無(wú)線信號(hào)或是長(zhǎng)途電話，在通過(guò)遠(yuǎn)距離的傳輸后，信號(hào)會(huì)衰減，變得很微弱。通過(guò)三極管的放大功能，可以將信號(hào)進(jìn)行放大和還原，從而使無(wú)線通信和長(zhǎng)途電話技術(shù)變?yōu)榭赡堋?/p>

(三)真空管的局限

隨著電子設(shè)備功能的逐漸復(fù)雜，真空管的缺點(diǎn)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(guó)建成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) ENIAC，它使用了 18000 個(gè)真空管，重量達(dá)到了 27 噸，占地28平方，功率達(dá)到 150KW，它主要用于軍方的彈道和其它武器相關(guān)的復(fù)雜計(jì)算。

因?yàn)檎婵展苄枰A(yù)熱之后才能被使用，而當(dāng)時(shí)真空管材料的應(yīng)力不夠，導(dǎo)致真空管容易損壞，ENIAC 這一萬(wàn)多個(gè)真空管，基本上每天都會(huì)有幾個(gè)被燒壞。結(jié)果就是 ENIAC 的一半時(shí)間在工作，另外一半時(shí)間是在維修。

而這臺(tái)電子計(jì)算機(jī)每秒只能夠執(zhí)行 5000 次加法運(yùn)算或是 357 次乘法運(yùn)算，脈沖信號(hào)頻率也只有 100 kHz。現(xiàn)在任意一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力應(yīng)該都比它強(qiáng)。

真空管的缺點(diǎn)限制了復(fù)雜電子設(shè)備的發(fā)展，二戰(zhàn)后美蘇進(jìn)入冷戰(zhàn)階段，開(kāi)始軍備和太空競(jìng)賽。軍方急需穩(wěn)定、可靠、質(zhì)量輕便的器件來(lái)代替真空管，這也就給半導(dǎo)體的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

在20世紀(jì)五十年代，人類剛開(kāi)始太空探索，據(jù)說(shuō)每增加 1Kg 衛(wèi)星的重量，火箭就要增加1噸的燃料。那時(shí)，軍方只關(guān)注電子器件的體積、功耗、和穩(wěn)定性，而無(wú)關(guān)乎價(jià)格和成本。這也就為后來(lái)的晶體管和集成電路的發(fā)展提供了市場(chǎng)需求和資金來(lái)源。

結(jié)尾

真空管被廣泛地使用在早期的無(wú)線電、收音機(jī)、電視、電子計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等電子設(shè)備上。在有了美國(guó)軍方市場(chǎng)和資金的支持下，美國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，最后真空管逐漸地被晶體管所替代。

下一篇我們將介紹半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)鍵 PN結(jié) 和晶體二極管。