02 晶體三極管之前最重要的電子器件：真空管

如果說芯片是電子時代的磚塊，那么我們日常生活中的電器就是由芯片搭建起來的樓房。芯片不是突然出現的，它的前身是我們今天在高級音響中仍能見到的真空管。很多常用的模擬和數字電路模塊其實在真空管時代就已經被發明了。因此在講述晶體管和芯片之前，讓我們先來看看它們的前身——真空管。

在晶體管發明之前，常用的電子器件除了電阻、電容和電感之外，最重要的電子器件是真空管。1880年，托馬斯·愛迪生（Thomas Alva Edison）在研究電燈泡時，做了管壁的防塵防煙實驗，他發現在燈泡管內獨立電極與燈絲之間，在某種條件下會產生電流。該現象被稱為愛迪生效應（Edison Effect），但他本人并不重視這一現象。

1904年，英國工程師約翰·弗萊明（John Ambrose Fleming）利用愛迪生效應發明了真空二極管。

弗萊明出生于英格蘭的蘭卡斯特，從倫敦大學與皇家化學學院畢業后，1892～1898年擔任愛迪生電力公司的工程師。弗萊明在電燈、電表、發電機等方面做出過許多改良，還發明了弗萊明左手定律。1899年起，弗萊明擔任馬可尼無線電電報公司（Marconi's Wireless Telegraph Company簡稱馬可尼公司）顧問。1901年，馬可尼公司首次進行橫越大西洋的無線電信號傳送時，使用的大部分器材為弗萊明所制。1904年，他為了尋找可靠的無線電探測器，想到了愛迪生效應，制作了一個在燈絲與真空管四周有金屬圓筒的器件——真空管二極管（見圖2-1）。

真空二極管的發明標志著人類進入了電子時代。

真空管是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產生電流，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。真空管由發射電子的陰極（K）和工作時加上高壓的陽極（P）組成。燈絲（F）是極細的金屬絲，電流通過其中時，會使金屬絲產生光和熱，以激發陰極放射電子。柵極（G）是置于陰極與屏極之間的電極。通過對柵極加電壓能夠調節在陰陽極間的電流。

真空管是電子時代的鼻祖，真空管發明以后，使收音機的電路和接收性能發生了革命性的進步（見圖2-2）。

1906年，美國工程師李·德·福雷斯特（Lee De Forest）發明了真空三極管。

弗萊明發明的真空管只有檢波與整流功能，還很不穩定。當時，一位耶魯大學畢業后進入西屋電氣公司（Westinghouse Electric Corporation簡稱西屋電氣）工作的美國工程師福雷斯特，對愛迪生效應也很感興趣。福雷斯特的畢業論文是關于電磁波的研究。1900年，福雷斯特著手研究真空管。1906年，他申請到了用電池的真空二極管的專利。福雷斯特還提出過許多新構想，例如在燈絲兩邊加入白金側翼，燈絲材料指定用白金、鉭和碳絲，他認為弗萊明管可以整流，而自己的真空管可作為繼電器。

1906年年底，福雷斯特在二極管中多加入了一個柵極，使真空管具有了放大與振蕩功能，他同時委托燈泡廠生產這一新型真空三極管。此專利于1908年2月18日通過，但人們通常認為1906年是真空三極管元年，福雷斯特是真空三極管之父（見圖2-3）。

1911年，福雷斯特加盟北加州的聯邦電報公司（Federal Telegraph Company）。一天，福雷斯特意識到，以不同的方法重接真空三極管，電報傳輸速度會加快。當他重新排列真空管的三個電極后，他發明了20世紀最重要的電子器件：電子放大器。福雷斯特把這個裝置的輸出端接到了一個耳機上，想通過送話器聽聽懷表的嘀嗒聲。結果，福雷斯特的耳膜差點被震壞，當他回過神來時，才意識到自己發明了電子放大器，人類第一個非機械裝置的信號放大器。

在美國北加州的硅谷中心帕洛·阿托（Palo Alto）鬧市區艾默生大街和錢寧街的路口，樹立著一塊石碑，上面寫道：“電子實驗室，聯邦電報公司實驗室及工廠最初奠基處。1909年由賽瑞爾·愛輝爾（Cyril F Elwell）創立。來自美國東岸的發明家福雷斯特及兩位助理，在此研發出歷史上第一臺真空管放大器及真空管振蕩器?！?/p>

真空管的改良

早期真空管用的是直流電，最早對真空管的改良是使其省電。電池既不方便，價格又高。第一次世界大戰后（簡稱一戰）后，人們開始嘗試以交流電作為真空管電源了。通用電氣公司（General Electric Corporation）為了提升電話線的穩定性，于1913年著手研究交流真空管，并于1923年獲得專利。西屋電氣公司在1921年獲得了類似專利，1925年推出第一個成品。

20世紀20年代，美國推出了許多改良式的真空管收音機，大部分是電池式的，只是加上了旁熱式變壓器。通用電氣公司最早是從事電燈泡制造的，借此之便，它將鎢絲混入少量的二氧化釷。這個配方被誤用在真空管中，結果使放射能力大增。1921年，蘭茂爾（Irvin Langmuir）開發出了釷鎢燈絲，大大提升了電子發射能力。使用這種燈絲時，如果管內有殘余氧氣，效果就立即打折，因此人們又研究出各種收氧劑來改良真空效果。

與此同時，歐洲人也不甘落后。德國西門子公司很早就加入了真空管的生產行列。它推出了電壓更低、效率更高的空間電荷閘極極管（Space Charge Grid），西門子公司發明了雙閘極真空管。1923年，西門子公司正式推出了手提收音機的檢波管。馬可尼公司為了降低閘極與柵極間的電容，提升放大率，開發了簾閘極（Screen Grid）高頻放大四極管。四極管可用于高周波段的放大，卻無法用在低周波上，荷蘭的飛利浦公司在1927年通過實驗將簾閘極和陽極中間插入另一條閘極，開發出了第一支五極管，產品編號為B443，用作電池式收音機的功率輸出。飛利浦公司的2502型收音機因為B443大獲成功。1929年，飛利浦公司推出了交流電源使用的C443直熱管，鞏固了其輸出管的領先地位。1926年，德國羅意威（Loewe）發布了2HF與3NF復合管，成為復合管的鼻祖。復合管就是把兩個或兩個以上的真空管裝入一個管內，同時各有其獨立的功能。德國對收音機的課稅，以真空管個數為準，減少管子個數，就能少繳稅，于是德國人就研發出了復合管。

在一戰中，英國大力開發真空管。1937年，英國的馬可尼公司與美國無線電公司（Radio Corporation America，RCA）及通用電氣公司，發布了International Octal系列真空管，以KT（Kinkless Tetrode）這個型號加入了束射功率管行列，為英國真空管開辟了另一片天空。其中KT61與KT66，都獲得了好評。后來出現的KT88，成為與RCA 6550鼎足而立的產品。

法國的真空管研發也是因一戰而起。在一戰前夕，德國人保羅·皮森，受德律風根公司指派在美國收集最新通信器材情報，當他要回德國在倫敦過境時，德國已對法國宣戰。保羅潛入法蘭西后被捕，并被引見給菲力將軍，他拿出了一支真空管，并告知菲力將軍其優點。菲力將軍立刻安排他到法國通信部隊，并成立了真空管緊急開發項目組，這是法國真空管的起源。保羅找到里昂的一家燈泡廠合作，推出了圓筒型三極管，稱為Fotos。盡管法國很晚才加入真空管的研發行列，但Fotos的設計精巧，推出后訂單如雪。法國另一家做過弗萊明管的公司也加入了生產，產品被命名為Metal，產品編號以負責開發的法軍通信隊的縮寫TM（Telegraph Military）命名。TM管是一戰中被公認為最好的三極管，英國馬可尼公司在戰后買下其專利進行生產。它采用的管座/插座設計，可輕易分離，是真空管的一大突破，這一架構在歐洲被長期使用。

美國幅員遼闊，對長途電話的需求很大。美國電話電報公司（AT&T）和西屋電氣，很早就投入到真空管的相關研究中，并將其觸角延伸到了歐洲。西屋電氣是一家大公司，同時還參與了最早的有聲電影開發和電話制造業。西屋電氣最早推出的真空管Audion性能較差，而且每個Audion的規格都不固定。曾在芝加哥大學研究真空管技術，并在西屋電氣從事水銀弧光燈中繼器研究的阿諾博士，看到了Audion的潛力。阿諾博士對Audion做了一系列改造，降低了它的工作溫度，使Audion的壽命提升到了1000小時。1918年10月，該成果被用于費城、紐約、華盛頓城市間的電話通信，這是人類首度將真空管運用于商用通信電路中，真空管的編號為Type A。之后西屋電氣又推出廣為收音機所使用的UV管（Unit Vacuum Tube）。第一個有管座的Type M，用于1915年開放的紐約–舊金山大陸橫斷電話線路中，壽命約400個小時。1915年推出的Type L燈絲的長度為Type M的兩倍長，壽命則延長為4500個小時。一戰期間，美國政府責令西屋電氣優先開發軍用真空管。軍用真空管需在嚴酷的溫度變化、震動、電壓不穩等環境下工作，西屋電氣為此推出了軍用管VT-1與VT-2。西屋電氣的電話真空管為Telephone Repeater Element，軍用真空管則稱為Vacuum Tube。

1920年，美國賓夕法尼亞州的匹茲堡市成立了世界上第一家商業無線廣播電臺——KDKA，引起了很大的反響。西屋電氣以Aeriola的品牌投入家用收音機制造。但西屋電氣開發的真空管數量不多，美國主要的直熱式三極管都是Radiotron，西屋電氣在低周波功率管方面技術領先。通用電氣公司以制造直流發電機、電動機、汽車引擎等聞名，它介入無線電通信是從高周波發射機入手的。初期的RCA為得到高周波連續功率絞盡腦汁，最初它使用電弧式發射器，但工作不穩定。后來想到利用電力交流發射機，并委托通用電氣公司生產，1906年完成的產品只能達到10KHz的頻率。不過通用電氣公司預見到了發射機的發展前景，于是積極投入，1913年完成了200KHz、數千瓦輸出的發射機的生產。

另外，通用電氣公司也很快地開發出了真空管，并以Pliotron（希臘語，多的意思）和Kenotron（希臘語，真空之意）為它早期的真空管命名。Pliotron很快就大型化了。1914年，用于67千米長距離小型高周波發射機調變實驗成功后，通用電氣公司又研發出了200千瓦的大規模調變發射機。

一戰期間，通用電氣公司把技術加以活用，以克里夫蘭的工廠為中心，生產了多種真空管，一戰中約生產了20萬個，西屋電氣生產了50多萬個真空管，對軍方貢獻很大。RCA則后來居上。

一戰期間，美國海軍征收了原屬美國馬可尼公司跨大西洋的無線電通訊部門，并致力于擴充其規模，將原來50瓦的高周波發射機改為通用電氣公司制造的200千瓦的機器。這部機器由通用電氣公司免費提供，對當時的戰爭起了很大的作用。

一戰后，馬可尼公司要求軍方歸還電信部門，并計劃在美國、歐洲設立多處據點大展宏圖。美國海軍得知馬可尼公司的企圖后，說服通用電氣公司買下了美國的馬可尼公司。1919年10月美國通用電氣公司、AT&T和西屋電氣聯合創建了RCA，第二年正式并購美國馬可尼公司。

1920年，RCA、通用電氣公司、AT&T、西屋電氣締結了互相使用專利權的契約——Radio Group，使美國成為真空管研發和生產的大本營。RCA順利取得了通用電氣公司的真空管銷售權，同時積極投入無線廣播業務，開發家用電器。1921年，RCA推出的純鎢燈絲UV-216，成為一般收音機、留聲機的整流專用真空管鼻祖。

1930年，美國實施反壟斷法，這幾家公司組成的Radio Group宣布解體。

1928年，RCA發布的RCA250成為世界上第一支音響專用管，深受市場歡迎。

1936年，RCA發布了最早的束射管6L6，為業界帶來一陣鼓舞。1937年年底，RCA發布輸出為4.5瓦的小型6L6，型號為6V6與6V6G，用于一般收音機。

音箱使用的真空管放大器很快成了改良真空管的動力。高品質音響（High Fidelity或Hi-Fi）一詞，于20世紀30年代開始流行。此時，美國西方電氣公司（Western Electric）的WE300A及RCA的2A3真空管面世。這兩支三極真空管，在音響歷史上，寫下了光輝的一頁（見圖2-4）。

當時很多人用WE300A制造出了22瓦的大功率放大器。1939年，美國哥倫比亞廣播公司為了獲得一種寧靜的古典音樂回放效果，使用了Lacquer Master刻片技術。1944年，英國人發明了一種被稱為FFRR（Full Frequency Range Recording）的全頻帶錄音技術。音響技術從此因真空管放大器而大放異彩。

不同功能的真空管電路的出現

1913年，德國物理學家亞歷山大·邁斯納（Alexander Meissner）發明了真空管反饋振蕩電路，此后人們可以通過真空管來產生所需頻率的無線電波。邁斯納研制出了第一批真空管無線電發射器，用以代替電弧式發射機。無線電接收器的靈敏度和可靠性因采用了真空二極管檢波器與真空管放大器而大大提高。

1918年，真空管在各類無線電通信和電子設備中得到了普遍應用。無線電通信進入了實用階段。

1927年，美國工程師哈羅德·布萊克（Harold Black）發明了真空管負反饋電路。1936年，這一電路被運用在電話機的放大線路中。

福雷斯特的真空管放大器是歷史上第一個用非機械方式控制電流的裝置。福雷斯特的真空三極管促成了近代無線電通信、長途電話、收音機、雷達、電視和電腦的發明。世界從此進入了電子時代。但真空管缺點很多：體積大、功耗大、壽命短、效率低等，這些缺點制約了電子技術的進步。電子工業急需真空管的替代品。