1883 年，著名發(fā)明家托馬斯?愛(ài)迪生（Thomas Edison）在一次實(shí)驗(yàn)中，觀察到一種奇怪現(xiàn)象。
當(dāng)時(shí)，他正在進(jìn)行燈絲（碳絲）的壽命測(cè)試。在燈絲旁邊，他放置了一根銅絲，但銅絲并沒(méi)有接在任何電極上。也就是說(shuō)，銅絲沒(méi)有通電。
碳絲正常通電后，開(kāi)始發(fā)光發(fā)熱。過(guò)了一會(huì)，愛(ài)迪生斷開(kāi)電源。他無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，銅絲上竟然也產(chǎn)生了電流。
愛(ài)迪生沒(méi)有辦法解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，但是，作為一個(gè)精明的“商人”，他想到的第一件事，就是給這個(gè)發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專(zhuān)利。他還將這種現(xiàn)象，命名為“愛(ài)迪生效應(yīng)”。
現(xiàn)在我們知道，愛(ài)迪生效應(yīng)的本質(zhì)，是熱電子發(fā)射。也就是說(shuō)，燈絲被加熱后，表面的電子變得活躍，“逃”了出去，結(jié)果被金屬銅絲捕獲，從而產(chǎn)生了電流。
愛(ài)迪生申請(qǐng)專(zhuān)利之后，并沒(méi)有想到這個(gè)效應(yīng)有什么用途，于是將其束之高閣。
1884 年，愛(ài)迪生電光公司的技術(shù)顧問(wèn)、英國(guó)物理學(xué)家約翰?安布羅斯?弗萊明（John Ambrose Fleming）訪問(wèn)美國(guó)，與愛(ài)迪生進(jìn)行會(huì)面。愛(ài)迪生向弗萊明展示了自己發(fā)現(xiàn)的愛(ài)迪生效應(yīng)，給弗萊明留下了深刻的印象。
這個(gè)弗萊明，大家應(yīng)該也比較熟悉。他是一個(gè)電學(xué)專(zhuān)家，也是一個(gè)電機(jī)工程師，我們中學(xué)經(jīng)常使用的右手定則，就是他發(fā)明的。
除了傳統(tǒng)電學(xué)之外，弗萊明其實(shí)還有一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)，那就是無(wú)線電磁學(xué)。他年輕的時(shí)候，曾經(jīng)師從麥克斯韋，專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)無(wú)線電磁理論。麥克斯韋臨終前上課，只有兩個(gè)學(xué)生來(lái)聽(tīng)，其中一個(gè)，就是弗萊明。
弗萊明觀摩了愛(ài)迪生效應(yīng)的演示后，也沒(méi)有想到這個(gè)效應(yīng)到底能用來(lái)干啥。事實(shí)上，等到他真正用到它，已經(jīng)是十幾年后。
1896 年，意大利人伽利爾摩?馬可尼（Guglielmo Marconi）成功取得了世界上第一個(gè)無(wú)線電報(bào)系統(tǒng)專(zhuān)利，從而將人類(lèi)帶入無(wú)線通信時(shí)代。
1899 年，馬可尼決定嘗試橫跨大西洋的遠(yuǎn)程無(wú)線電通信。為了完成這個(gè)壯舉，他找來(lái)了弗萊明，和他簽約，請(qǐng)他幫忙改進(jìn)自己的無(wú)線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。
弗萊明也確實(shí)沒(méi)有辜負(fù)馬可尼的期望，大幅改進(jìn)了馬可尼的設(shè)計(jì)，幫助實(shí)現(xiàn)了跨大西洋無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)。（可惜，馬可尼刻意對(duì)外隱瞞了弗萊明的貢獻(xiàn)，還“忘記”了自己承諾要給弗萊明的 500 股股票獎(jiǎng)勵(lì)，把弗萊明氣得半死。）
弗萊明在改進(jìn)無(wú)線通信系統(tǒng)的時(shí)候，遇到了很多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，最大的挑戰(zhàn)，就是無(wú)線信號(hào)的接收。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在接收端，如何檢波信號(hào)，放大信號(hào)，讓信號(hào)能夠被完美解讀。
放大信號(hào)大家都懂，那什么是檢波信號(hào)呢？
所謂信號(hào)檢波，其實(shí)就是信號(hào)篩選。天線接收到的信號(hào)，是非常雜亂的，什么信號(hào)都有。我們真正需要的信號(hào)（指定頻率的信號(hào)），需要從這些雜亂信號(hào)中“過(guò)濾”出來(lái)，這就是檢波。
想要實(shí)現(xiàn)檢波，單向?qū)ㄐ裕▎蜗驅(qū)щ姡┦顷P(guān)鍵。
大家都知道，無(wú)線電磁波是高頻振蕩，每秒高達(dá)幾十萬(wàn)次的頻率。無(wú)線電磁波產(chǎn)生的感應(yīng)電流，也隨著“正、負(fù)、正、負(fù)”不斷變化，如果我們用這個(gè)電流去驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，一正一負(fù)就是零，耳機(jī)就沒(méi)辦法反應(yīng)出信號(hào)。
采用單向?qū)щ娦?，正弦波?strong>負(fù)半周就沒(méi)有了，全部是正的，電流方向一致，把高頻過(guò)濾掉之后，耳機(jī)就能夠輕松體現(xiàn)出電流的變化。
在這里，我要先給大家介紹一樣?xùn)|西 —— 礦石檢波器。
1874 年，德國(guó)科學(xué)家卡爾?布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發(fā)現(xiàn)，有一些天然礦石（金屬硫化物）具有電流單向?qū)ǖ奶匦?，可以用于整流（將交流電變成直流電）?/p>
1894 年，英屬印度物理學(xué)家賈格迪什?錢(qián)德拉?博斯（Jagadish Chandra Bose）基于卡爾?布勞恩的發(fā)現(xiàn)，利用方鉛礦（硫化鉛）的單向?qū)щ娦裕瞥闪耸澜缟系谝粋€(gè)檢波器 —— 礦石檢波器。
1900 年，美國(guó)人格林里夫?惠特勒?皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于礦石檢波器，成功制造了世界上第一個(gè)礦石收音機(jī)。這為后來(lái)無(wú)線電廣播的迅速普及奠定了基礎(chǔ)。
弗萊明在研究如何改進(jìn)無(wú)線電接收機(jī)的時(shí)候，采用了礦石檢波器。但是，他想起了之前的愛(ài)迪生效應(yīng)，他想到 —— 是不是可以基于愛(ài)迪生效應(yīng)的電子流動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)新型的檢波器呢？
就這樣，1904 年，世界上第一只真空電子二極管，在弗萊明的手下誕生了。當(dāng)時(shí)，這個(gè)二極管也叫做“弗萊明閥”。（真空管，vacuum tube，也就是電子管，有時(shí)候也叫“膽管”。）
弗萊明的二極管，結(jié)構(gòu)其實(shí)非常簡(jiǎn)單，就是真空玻璃燈泡里，塞了兩個(gè)極：一個(gè)陰極（Cathode），加熱后可以發(fā)射電子；一個(gè)陽(yáng)極（Anode），接收電子。
玻璃管里之所以要抽成真空，是為了防止發(fā)生氣體電離，對(duì)正常的電子流動(dòng)造成影響，破壞特性曲線。（抽成真空，還可以有效降低燈絲的氧化損耗。）
二極管的出現(xiàn)，解決了檢波和整流需求。但是，它還有改進(jìn)的空間。
1899 年，馬可尼應(yīng)邀到美國(guó)做無(wú)線電通訊表演。他的表演，吸引了一個(gè)年輕人的關(guān)注。這個(gè)年輕人，就是剛剛獲得博士學(xué)位的德福雷斯特（De Forest Lee）。
德福雷斯特為馬可尼的無(wú)線電感到著迷。于是，他投遞簡(jiǎn)歷，想要加入馬可尼的公司。結(jié)果，遭到拒絕。
被拒絕之后，德福雷斯特沒(méi)有放棄，而是繼續(xù)研究無(wú)線電通信。他的目光，放在了弗萊明的二極管上。
1906 年，德?福雷斯特在真空二極電子管里，巧妙地加了一個(gè)柵板（“柵極”），發(fā)明了真空三極電子管。
柵板的主要作用，是控制電流。
柵極上很小的電流變化，能引起陽(yáng)極很大的電流變化，而且，變化波形與柵極電流完全一致。所以，三極管有信號(hào)放大的作用。
現(xiàn)在看來(lái)，真空三極管的發(fā)明，是電子工業(yè)領(lǐng)域的里程碑事件。
這個(gè)小小的元件，集檢波、放大和振蕩三種功能于一體，為電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
真空三極管是那一時(shí)期電子工業(yè)的心臟?；谒覀儾庞辛诵阅茉絹?lái)越強(qiáng)大的廣播電臺(tái)、收音機(jī)、留聲機(jī)、電影、電臺(tái)、雷達(dá)、無(wú)線電對(duì)講等。
德?福雷斯特發(fā)明了三極管之后，很快陷入與弗萊明以及馬可尼公司的專(zhuān)利官司。
雙方互相起訴，弗萊明認(rèn)為德?福雷斯特侵犯了自己的二極管專(zhuān)利，而德?福雷斯特則認(rèn)為自己的改進(jìn)很大，足以形成新的專(zhuān)利。官司打了很久，最終，雙方達(dá)成和解，相互授權(quán)對(duì)方生產(chǎn)二極管（三極管）。
三極管誕生后，因?yàn)槟芊糯笮盘?hào)，所以受到了美國(guó)通信巨頭 AT&T 公司的關(guān)注。
當(dāng)時(shí)，AT&T 公司打算建造一條連接美國(guó)東西海岸的跨大陸電話(huà)線，急需解決信號(hào)放大問(wèn)題。在沒(méi)有三極管之前，放大信號(hào)只能用中繼器，但是中繼器的效果不好，且成本較高。
三極管的出現(xiàn)，給 AT&T 公司帶來(lái)了新的選項(xiàng)。
1913 年 7 月，經(jīng)過(guò)一番討價(jià)還價(jià)，AT&T 公司以 39 萬(wàn)美元的價(jià)格，買(mǎi)下了德?福雷斯特的三極管專(zhuān)利。
再后來(lái)，AT&T 認(rèn)識(shí)到電子管這類(lèi)基礎(chǔ)研究對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用，于 1925 年正式成立了“貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室公司”。這個(gè)公司，就是后來(lái)大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室。
1912—1920 年，美國(guó)西電公司（Western Electric，簡(jiǎn)稱(chēng) WE）研制出具有實(shí)用性的球形電子三極管，發(fā)燒友稱(chēng)之為“洋蔥頭”電子管。
1924 年，美國(guó) RCA 公司（Radio Corporation of America）研制出效率較高的三極真空電子管。這種古典管在第一次世界大戰(zhàn)中得到廣泛應(yīng)用。
1919 年，德國(guó)的肖特基提出在柵極和正極間加一個(gè)簾柵極的想法。這個(gè)想法被英國(guó)的朗德在 1926 年實(shí)現(xiàn)。這就是后來(lái)的四極管。再后來(lái)，荷蘭的霍爾斯特和泰萊根又發(fā)明了五極管。
到了 20 世紀(jì) 40 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)研究進(jìn)入高潮。人們發(fā)現(xiàn)，電子管的單向?qū)ㄌ匦?，可以用于設(shè)計(jì)一些邏輯電路（例如與門(mén)電路、或門(mén)電路）。于是，他們開(kāi)始將電子管引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。
1946 年，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師埃克特和物理學(xué)家毛希利等人，共同研制出了真正意義上的第一臺(tái)通用型電子計(jì)算機(jī) —— 埃尼阿克（ENIAC）。
大家應(yīng)該都知道埃尼阿克。這臺(tái)鋼鐵巨獸，使用了 18000 多只電子管，重 130 多噸，占地面積 170 多平方米，每秒鐘可作 5000 多次加法運(yùn)算。之前的計(jì)算機(jī)需要 2 小時(shí)完成的計(jì)算任務(wù)，ENIAC 只需要 3 秒鐘，在當(dāng)時(shí)堪稱(chēng)奇跡。
上世紀(jì) 40-50 年代，電子管的發(fā)展達(dá)到了高潮。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)，電子管已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。
一方面，電子管容易破損，故障率高，另一方面，電子管需要加熱使用，很多能量都浪費(fèi)在發(fā)熱上，也帶來(lái)了極高的功耗。
所以，人們開(kāi)始思考 —— 是否有更好的方式，可以實(shí)現(xiàn)電路的檢波、整流和信號(hào)放大呢？
且看下期 ——《到底什么是晶體管》。
參考文獻(xiàn)：
1、Leo 的微電子學(xué)習(xí)筆記，黎翱白 Leobai，B站；
2、從上海發(fā)跡的中國(guó)收音機(jī)百年史，戴輝；
3、從電子管到晶體管，解碼科技史，央視；
4、真空二極管的工作原理，IC 先生；
5、第一塊晶體管背后的故事，中科大胡不歸；
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君
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