电子管的第一次应用是在到底什么是电子管（真空管）？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

到底什么是电子管（真空管）？

1883年，著名发明家托马斯·爱迪生（Thomas Edison） 在一次实验中，观察到一种奇怪现象。

当时，他正在进行灯丝（碳丝）的寿命测试。在灯丝旁边，他放置了一根铜丝，但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说，铜丝没有通电。

碳丝正常通电后，开始发光发热。过了一会，爱迪生断开电源。他无意中发现，铜丝上竟然也产生了电流。

爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因，但是，作为一个精明的“商人”，他想到的第一件事，就是给这个发现申请专利。他还将这种现象，命名为“爱迪生效应” 。

爱迪生

现在我们知道，爱迪生效应的本质，是热电子发射。也就是说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流。

爱迪生申请专利之后，并没有想到这个效应有什么用途，于是将其束之高阁。

1884年，爱迪生电光公司的技术顾问、英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明 （John Ambrose Fleming）访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了自己发现的爱迪生效应，给弗莱明留下了深刻的印象。

弗莱明

这个弗莱明，大家应该也比较熟悉。他是一个电学专家，也是一个电机工程师，我们中学经常使用的右手定则，就是他发明的。

除了传统电学之外，弗莱明其实还有一个强项，那就是无线电磁学。他年轻的时候，曾经师从麦克斯韦，专门学习无线电磁理论。麦克斯韦临终前上课，只有两个学生来听，其中一个，就是弗莱明。

弗莱明观摩了爱迪生效应的演示后，也没有想到这个效应到底能用来干啥。事实上，等到他真正用到它，已经是十几年后。

1896年，意大利人伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi） 成功取得了世界上第一个无线电报系统专利，从而将人类带入无线通信时代。

马可尼

1899年，马可尼决定尝试横跨大西洋的远程无线电通信。为了完成这个壮举，他找来了弗莱明，和他签约，请他帮忙改进自己的无线电发射机和接收机。

弗莱明也确实没有辜负马可尼的期望，大幅改进了马可尼的设计，帮助实现了跨大西洋无线通信实验。（可惜，马可尼刻意对外隐瞒了弗莱明的贡献，还“忘记”了自己承诺要给弗莱明的500股股票奖励，把弗莱明气得半死。）

弗莱明在改进无线通信系统的时候，遇到了很多技术挑战。其中，最大的挑战，就是无线信号的接收。

简单来说，就是在接收端，如何检波信号 ，放大信号 ，让信号能够被完美解读。

放大信号大家都懂，那什么是检波信号呢？

所谓信号检波，其实就是信号筛选。天线接收到的信号，是非常杂乱的，什么信号都有。我们真正需要的信号（指定频率的信号），需要从这些杂乱信号中“过滤”出来，这就是检波。

想要实现检波，单向导通性（单向导电）是关键。

大家都知道，无线电磁波是高频振荡，每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流，也随着“正、负、正、负”不断变化，如果我们用这个电流去驱动耳机，一正一负就是零，耳机就没办法反应出信号。

采用单向导电性，正弦波的负半周 就没有了，全部是正的，电流方向一致，把高频过滤掉之后，耳机就能够轻松体现出电流的变化。

去掉负半周，电流方向变成一致的，容易解读

在这里，我要先给大家介绍一样东西——矿石检波器 。

1874年，德国科学家卡尔·布劳恩 （Karl Ferdinand Braun）发现，有一些天然矿石（金属硫化物）具有电流单向导通的特性，可以用于整流（将交流电变成直流电）。

1894年，英属印度物理学家贾格迪什·钱德拉·博斯 （Jagadish Chandra Bose）基于卡尔·布劳恩的发现，利用方铅矿（硫化铅）的单向导电性，制成了世界上第一个检波器——矿石检波器 。

1900年，美国人格林里夫·惠特勒·皮卡德 （Greenleaf Whittier Pickard），基于矿石检波器，成功制造了世界上第一个矿石收音机。这为后来无线电广播的迅速普及奠定了基础。

弗莱明在研究如何改进无线电接收机的时候，采用了矿石检波器。但是，他想起了之前的爱迪生效应，他想到——是不是可以基于爱迪生效应的电子流动，设计一个新型的检波器呢？

就这样，1904年，世界上第一只真空电子二极管 ，在弗莱明的手下诞生了。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管，vacuum tube，也就是电子管，有时候也叫“胆管”。）

弗莱明发明的二极管

弗莱明的二极管，结构其实非常简单，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极：一个阴极（Cathode），加热后可以发射电子；一个阳极（Anode），接收电子。

旁热式二极管

玻璃管里之所以要抽成真空，是为了防止发生气体电离 ，对正常的电子流动造成影响，破坏特性曲线。（抽成真空，还可以有效降低灯丝的氧化损耗。）

二极管的出现，解决了检波和整流需求。但是，它还有改进的空间。

1899年，马可尼应邀到美国做无线电通讯表演。他的表演，吸引了一个年轻人的关注。这个年轻人，就是刚刚获得博士学位的德福雷斯特 （De Forest Lee）。

德福雷斯特

德福雷斯特为马可尼的无线电感到着迷。于是，他投递简历，想要加入马可尼的公司。结果，遭到拒绝。

被拒绝之后，德福雷斯特没有放弃，而是继续研究无线电通信。他的目光，放在了弗莱明的二极管上。

1906年，德·福雷斯特在真空二极电子管里，巧妙地加了一个栅板（“栅极”），发明了真空三极电子管 。

德·福雷斯特发明的三极管

栅板的主要作用，是控制电流。

栅极上很小的电流变化，能引起阳极很大的电流变化，而且，变化波形与栅极电流完全一致。所以， 三极管有信号放大的作用 。

现在看来，真空三极管的发明，是电子工业领域的里程碑事件。

这个小小的元件，集检波、放大和振荡三种功能于一体，为电子技术的发展奠定了基础。

一开始的三极管是单栅，后来变成了两个板子夹在一起的双栅，再后来，干脆变成了整个包起来的围栅

真空管

真空三极管是那一时期电子工业的心脏。基于它，我们才有了性能越来越强大的广播电台、收音机、留声机、电影、电台、雷达、无线电对讲等。

真空管收音机的内部构造（可以看到很多个真空管）

德·福雷斯特发明了三极管之后，很快陷入与弗莱明以及马可尼公司的专利官司。

双方互相起诉，弗莱明认为德·福雷斯特侵犯了自己的二极管专利，而德·福雷斯特则认为自己的改进很大，足以形成新的专利。官司打了很久，最终，双方达成和解，相互授权对方生产二极管（三极管）。

三极管诞生后，因为能放大信号，所以受到了美国通信巨头AT&T公司的关注。

当时，AT&T公司打算建造一条连接美国东西海岸的跨大陆电话线，急需解决信号放大问题。在没有三极管之前，放大信号只能用中继器，但是中继器的效果不好，且成本较高。

三极管的出现，给AT&T公司带来了新的选项。

1913年7月，经过一番讨价还价，AT&T公司以39万美元的价格，买下了德·福雷斯特的三极管专利。

再后来，AT&T认识到电子管这类基础研究对于产业发展的重要作用，于1925年正式成立了“贝尔电话实验室公司”。这个公司，就是后来大名鼎鼎的贝尔实验室。

1912—1920年，美国西电公司（Western Electric，简称WE）研制出具有实用性的球形电子三极管，发烧友称之为“洋葱头”电子管。

1924年，美国RCA公司（Radio Corporation of America）研制出效率较高的三极真空电子管。这种古典管在第一次世界大战中得到广泛应用。

1919年，德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法。这个想法被英国的朗德在1926年实现。这就是后来的四极管。再后来，荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管。

到了20世纪40年代，计算机技术研究进入高潮。人们发现，电子管的单向导通特性，可以用于设计一些逻辑电路（例如与门电路、或门电路）。于是，他们开始将电子管引入计算机领域。

1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人，共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC） 。

大家应该都知道埃尼阿克。这台钢铁巨兽，使用了18000多只电子管，重130多吨，占地面积170多平方米，每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的计算任务，ENIAC只需要3秒钟，在当时堪称奇迹。

上世纪40-50年代，电子管的发展达到了高潮。但是，随着技术的进步，人们发现，电子管已经无法满足产品设计的需求。

一方面，电子管容易破损，故障率高，另一方面，电子管需要加热使用，很多能量都浪费在发热上，也带来了极高的功耗。

所以，人们开始思考——是否有更好的方式，可以实现电路的检波、整流和信号放大呢？

答案是肯定的，于是人们开启了晶体管的新纪元。

参考文献：

1、Leo的微电子学习笔记，黎翱白Leobai，B站；

2、从上海发迹的中国收音机百年史，戴辉；

3、从电子管到晶体管，解码科技史，央视；

4、真空二极管的工作原理，IC先生；

5、第一块晶体管背后的故事，中科大胡不归；

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来源： 鲜枣课堂

编辑：老头

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。