电子管应用历史电子管——一个敏锐的顺风耳|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

电子管——一个敏锐的顺风耳

生活在现代的人们，手机或电脑里都有收音机或者电台这样的播放器，点开之后，就可以收听到广播节目,所以真正的收音机对大家似乎只是一个符号。

但是在上世纪六七十年代，收音机却是当时流行的“三转一响一咔嚓”中的一响。“三转”指的是自行车、手表与缝纫机，“一响”指的是收音机，“一咔嚓”是照相机。在当时，能配齐这五大件的家庭，是非常令人羡慕的。而那时的收音机是体积比较大的电子管的收音机。

要想让收音机出声儿，有一个元器件必不可少，那就是今天的主角——电子管。

电子管，是一种最早期的电信号放大器件 。早期应用于收音机、电视机、扩音机、计算机等电子产品中。可以说电子管是打开电子时代大门的钥匙。

这样的发明和爱迪生也有关联。1883年，托马斯·爱迪生在寻找电灯泡里灯丝的最佳材料的时候，无意中发现：没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。虽然爱迪生并不知道为什么会发生这样的现象，但具有敏锐的商业头脑的他，果断为这个发现申请了专利，并命名为“爱迪生效应” 。

1884年，英国物理学家弗莱明，根据爱迪生的发现，制作出了世界上第一只电子二极管。

之后，美国发明家德福雷斯特发现了二极管存在的不足。他试着在二极管的阴极和阳极之间增加了一个用金属细丝做的 “栅极”。1908年，他发明的真空三极管获得了美国专利。人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。

很快，电子管就被应用在收音机上，收音机几乎一时间“风靡全球”。

早期电子管收音机不仅价格昂贵，而且体积巨大。这种收音机主要使用大型的电子管，不抗颠簸，搬运不注意就会出现接触不良甚至损坏，严重影响使用体验。

1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利和他的两个同伴沃特尔·布拉顿、约翰·巴丁开始尝试用金属锗取代硅，改良电子管，他们的实验让测试电流放大了330倍，获得了巨大的成功。晶体管诞生了。

然而，在获得成功之后，肖克利的三人小组很快就因为专利署名问题，分崩离析。他的两个同伴从此告别了晶体管的研究，而肖克立则成立了自己的半导体实验室，继续晶体管的研究。

肖克利开办了自己的公司后，却因为自己的性格问题和严苛的管理方式，使得很多优秀的人才纷纷离职，其中最著名的，就是被他称为“八叛逆” 的八个年轻人。

后来，这八个年轻人成立了自己的仙童公司，并且发展出了性能更加优良，价格更加便宜的晶体管，而仙童公司也一跃成为了美国最具实力的电子公司。

而电子管历史中的核心人物肖克利却晚景凄凉，孤独终老。

千万不要觉得电子管、晶体管已经远离了我们的生活，只要你家里还有微波炉、电磁炉就一定还会有晶体管在其中！

解码科技史

《进阶的电子管》

播出时间：10月26日 07:39

监制 / 闫东主编 / 刘铭黄丽君

编辑 / 张兰刘斯宏高贝贝（实习）

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。