應(yīng)琛

世界上第一個電子管——真空二極管。

你還記得小時候，家里的電視機、收音機、放大器等電子設(shè)備里的玻璃管內(nèi)，有一些金屬絲和板，發(fā)出微弱的紅光，看起來很神秘。

這些玻璃管就是真空管，又名電子管。由于逐漸被其他一些元器件取代，真空管已經(jīng)成為古董般的存在，很難再見到。

但作為最早發(fā)明的電信號放大器件，真空管的出現(xiàn)開啟了人類進入電子世界的大門。1904年11月16日，英國物理學(xué)家約翰·安布羅斯·弗萊明發(fā)明了世界上第一個電子管——真空二極管，并獲得了這項發(fā)明的專利權(quán)，也被視作開啟電子時代的鼻祖。

真空管的發(fā)明事實上與我們熟知的發(fā)明家托馬斯·愛迪生有關(guān)。

1883年，為了尋找電燈炮的最佳燈絲材料，愛迪生做了一個實驗。他在真空燈泡內(nèi)的碳絲附近放置了一塊金屬銅薄片，希望它能阻止碳絲的蒸發(fā)。實驗結(jié)果使愛迪生大失所望。但在實驗過程中，愛迪生無意中發(fā)現(xiàn)了一個奇特的現(xiàn)象：當電流通過碳絲時，沒有連接在電路里的金屬薄片中也有電流通過?？上У氖?，愛迪生并沒有重視這個現(xiàn)象，只是把它記錄在案，申報了一個未找到任何用途的專利。后來，人們將這一發(fā)現(xiàn)命名為“愛迪生效應(yīng)”。

1884年，彼時還是愛迪生電光公司的技術(shù)顧問的弗萊明訪問美國，與愛迪生進行會面。愛迪生向弗萊明展示了自己發(fā)現(xiàn)的“愛迪生效應(yīng)”，給弗萊明留下了深刻的印象。

時間來到1888年，德國物理學(xué)家赫茲用實驗證實了電磁波的存在，在科學(xué)界引起了轟動。意大利的馬可尼大受啟發(fā)，他用銀粉末和鎳粉末制成了金屬屑檢波器，經(jīng)過數(shù)月的實驗，成功發(fā)明了無線電接收機，接收到了140米之外發(fā)出的無線電信號。此后，馬可尼又陸續(xù)對無線電接收機進行了改進，擴展了電磁波的傳送距離。1901年，馬可尼成功地進行了橫跨大西洋的無線電通信實驗，振奮了全世界，而無線電通信公司也紛紛在各國成立，開始了商業(yè)應(yīng)用。

馬可尼的無線電接收設(shè)備雖然取得了巨大的成功，但在實際應(yīng)用中，卻發(fā)現(xiàn)了一個很大的問題，就是金屬屑檢波器的故障頻率很高，性能也不穩(wěn)定。因此，如何改進金屬屑檢波器，提高其接收電信號的能力，就成了擺在科學(xué)家面前的一道難題。

這時，弗萊明想到了當年的“愛迪生效應(yīng)”。經(jīng)過反復(fù)試驗，1904年，弗萊明發(fā)明了一個他稱之為“熱離子閥”的裝置，即一個特殊的燈泡，燈泡中放置了一塊金屬片，如果給金屬片加上高頻的交變電壓，交流電在通過這個裝置后就會變成直流電。這個能夠充當交流電整流和無線電檢波的裝置，就是世界上第一個電子管——真空二極管。當時，這個二極管也叫做“弗萊明閥”。

1906年，美國工程師李·德·福雷斯特在弗萊明二極管的基礎(chǔ)上又多加入了一個柵極，發(fā)明出新型的真空三極管，使得真空管在檢波和整流功能之外，還具有了放大和震蕩功能。福雷斯特于兩年后拿到了這項專利。

1911年，加入聯(lián)邦電報公司的福雷斯特，再次改進了真空三極管的排列方式，發(fā)明了20世紀最重要的一個電子器件——電子放大器，可以大幅改進電報信號的輸出質(zhì)量。也正是基于這些功能，真空三極管被人們認為是電子工業(yè)誕生的起點。

吊詭的是，兩位發(fā)明人并未首先從這項發(fā)明中獲益。由于弗萊明聲稱他擁有真空管的優(yōu)先發(fā)明權(quán)，因此他所就職的英國馬可尼公司就大張旗鼓地生產(chǎn)起真空三極管來。對此，福雷斯特當然十分不滿，便將其告上法庭。

直到1916年，經(jīng)歷十年的訴訟，法庭最后判決福雷斯特的三極管觸犯了二極管的專利權(quán)，而馬可尼生產(chǎn)的三極管也侵害了福雷斯特公司注冊的三極管專利權(quán)。最終結(jié)果可謂兩敗俱傷，兩家公司都不準許再繼續(xù)生產(chǎn)三極管。

然而，此后三十多年，真空管技術(shù)和工藝得到多次改良，真空三極管技術(shù)也成為歐美幾個大國重點爭奪的“核心技術(shù)”。除了在無線電通信、廣播領(lǐng)域的應(yīng)用外，真空電子管帶來了全新的電子技術(shù)和最早的電子計算機。

1946年，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師?？颂睾臀锢韺W(xué)家毛希利等人共同研制出了真正意義上的第一臺通用型電子計算機——埃尼阿克（ENIAC）。這臺使用了18000多只真空管，重130多噸，占地面積170多平方米，每秒鐘可作5000多次加法運算。之前的計算機需要2小時完成的40點彈道計算，ENIAC只需要3秒鐘，在當時堪稱“奇跡”。

直到20世紀50年代后期，隨著晶體管等半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和發(fā)展，真空三極管才逐漸被替代。

第一臺通用型電子計算機——埃尼阿克（ENIAC）。

可以說，晶體管的發(fā)明引發(fā)了一場半導(dǎo)體技術(shù)的革命。使用半導(dǎo)體材料而制成的晶體三極管，既具有了真空管的功率放大和開關(guān)作用，又避免了真空管高耗能、低壽命、低效率的致命缺陷。另外，利用晶體管可以不斷縮小的工藝特點，為電子設(shè)備的微型化提供了可能。更小的體積、更快的速度、更可靠的穩(wěn)定性，讓晶體管真正成為現(xiàn)代信息技術(shù)革命的基石。

1954到1956年，全美國共銷售了1700萬個鍺晶體管和1100萬個硅晶體管，價值約5500萬美元，而同期的真空管銷售了13億個，市場份額超過10億美元。但這幾乎是真空管落幕前最后的“榮光”了。

此后，晶體管將一騎絕塵，它不僅取代了真空三極管在無線通信、廣播和電話等領(lǐng)域的應(yīng)用，還帶來電子計算機指數(shù)級的發(fā)展，以及開拓了微波通信和衛(wèi)星導(dǎo)航等新領(lǐng)域。同時，它還催生了一系列新型的半導(dǎo)體器件，如二極管、光電二極管、激光二極管、太陽能電池等。

直到現(xiàn)在，晶體管仍然是最重要和最廣泛使用的半導(dǎo)體器件之一。但回顧歷史，誰也無法抹殺真空管在21世紀電子科技發(fā)展史中的重大作用。

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