liwen01 2025.01.05
前言
半導體的前身是真空管，在積體電路被發明前，真空管被廣泛應用於收音機、電話、無線電、雷達、電視、電子計算機等電子裝置中。
真空管也叫電子管，在不同的資料中稱呼可能不一樣，這裡我們統稱為真空管。
因為翻譯的原因，Triode 三極體實際指代的是真空三極體，而不是我們現在使用的晶體三極體。在瞭解半導體前有必要對真空管有一個簡單的瞭解。
(一)真空二極體
(1)愛迪生效應
1879年愛迪生發明瞭電燈泡，但是早期的電燈泡使用時間長了之後，外面的玻璃容易變黑，從而導致電燈泡的亮度變低，愛迪生認為是部分燈絲碳化後的煙塵覆蓋在了玻璃上。
為解決電燈泡玻璃變黑的問題，愛迪生嘗試將一銅片安裝在電燈泡裡面，以嘗試阻擋燈絲高溫碳化後的煙塵。在試驗的時候卻發現了奇怪的現象：在電燈泡亮了一段時間之後，用來阻擋煙塵的銅片產生了單向的電流。而銅片是位於玻璃真空管內部，與帶電的燈絲之間應該是絕緣的才對。
愛迪生無法解釋銅片產生單向電流的原因，他周邊的其它科學家也無法給出合理的解釋。專注於新發明和實際應用的愛迪生無暇顧及電燈泡裡的這個現象，習慣性地申請了一個專利後，他就將它忘在腦後了。
後來人們稱這一現象為愛迪生效應，或者是 真空電子發射效應
愛迪生效應原理
後來在其它科學家的探索中我們知道：在真空管中，當電流透過陰極(燈絲)時，它會使燈絲變熱。根據熱電子發射原理，陰極的溫度升高到一定程度時，燈絲表面的電子會獲得足夠的能量克服金屬表面的勢壘(也就是逸出功)，從而被釋放到真空中,這個過程稱為熱電子發射。
可以簡單理解為：燈絲通電受熱後，燈絲原子中的電子逃逸出去，飛向了銅片，從而產生了單向電流。
(2)弗萊明閥(真空二極體)
受愛迪生效應的啟發，弗萊明在1904年發明了最早的真空二極體，也被稱為弗萊明閥
在弗萊明閥中，靠近燈絲端是陰極，在原來銅塊的位置是陽極。
當外部加一個反向的電源，如下圖(a),銅片處是帶負電，與正極間形成一個電場，燈絲加熱後，溢位的電子受到電場力的作用，朝外部電源的正極移動，所以外部電源斷開，不能導通。
當外部接一個正向的電源時(上圖b)，銅板與燈絲間的電場反向,燈絲加熱後溢位的電子在電場力的作用下，往銅板的方向移動，這時，整個電路導通。
這就是最早的真空二極體，具有單向導通的作用。
(3)二極體檢波
在20世紀初真空管剛發明的時候，還沒有長途電話、收音機、電視機和計算機這些東西，在赫茲透過試驗驗證了電磁波的存在後，人們才開始嘗試使用無線電磁波進行通訊的試驗。
無線訊號的載波訊號一般都是高頻訊號，因為高頻訊號傳輸效果比低頻的好。比如現在調幅(AM)廣播的頻率一般是153 kHz~26.1 MHz，調頻(FM)廣播的頻率是87.5 MHz ~108 MHz，而人耳能聽到的聲音訊率只有 20Hz ~ 20kHz。
無線電在傳送的時候，是將聲音的低頻訊號與載波的高頻訊號進行調製，使傳送的無線訊號中帶有聲音資訊，這個過程叫訊號的調製。
以調幅廣播舉例，收音機天線接收到高頻交變的無線訊號之後，先是利用二極體的單向導通性，將訊號的負半部分去除，就變成了單向的脈衝直流訊號。在這之後，再透過電阻和電容組成的低通濾波電路，就可以得到調幅廣播的低頻訊號了，這個就是聲音的訊號了。 這個過程實際上也就是無線電的解調過程。
早期人們是使用金屬屑檢波器進行檢波，但它的開關速度很慢，效果不好。而真空二極體裡面沒有機械部分，電流純靠電子的流動，因此開關速度比金屬屑檢波器快很多。
(4)二極體整流
在上面檢波的過程中，我們是直接把交變訊號中的負半部分去除了，如果是要將交流電轉換為直流電，這樣其實是把一半的電能丟棄掉了。
為了可以儘可能地完整使用交流電中的所有電能，可以使用二極體橋接成一個整流電路
上圖左邊輸入的是交變電流
- 在(a)圖中，輸入電流從上邊正極向右到達D點，由於二極體的單向導通性，它只能透過D2到達A點，經過負載電燈到達B點，再經過D3二極體到達C點後回到電源的負極，形成一個環路。
- 在(b)圖中，輸入電流從下邊正極到C點，經過D4二極體到達A點，經過電燈負載到達B點再經過D1二極體到達D點回到電源的負極形成一個環路。
對於負載燈泡而言，不管外部輸入的是交變電流的正半部分還是負半部分，電流都是從A流向B，從而實現了電能的全部使用。
(二) 真空三級管
在二極體的基礎上，在銅板與燈絲之間插入一個帶電的柵格，也就是一個帶孔的網格，這樣就變成了一個真空三極體。
1906年年底，福雷斯特在二極體中多加入了一個柵極，使真空管具有了放大與振盪功能。
(1) 三極體工作原理
當柵格的電極為負的時候，它對燈絲逃逸出來的電子有個反作用力，可以抑制電子往銅板的方向逃逸，當這個電場力足夠大的時候，它可以阻斷外部電源電流的流通。
當柵格的電極為正的時候，它對燈絲逃逸出來的電子有個吸引的作用力，可以加速燈絲電子的逃逸。
因為電子逃逸的動能很小，所以實際上只需要很小的一個電訊號就可以控制外部電源的電流大小，這就實現了真空三極體的放大功能。
因為柵格訊號實際影響的是電子，所以它的響應速度與真空二極體一樣，都非常快。
(2) 三極體結構
實際使用的真空管，並不是直接使用燈絲加熱讓燈絲上的電子逃逸，而是在裡面設定一個專門用來加熱的器件，也叫旁熱式真空管。
上面這個是真空三極體的剖面圖：
- 最中間的是一個加熱絲，用於加熱陰極
- 加熱器外面就是陰極，加熱後會逃逸出電子
- 陰極外面一層是柵極，用於控制電子的運動
- 柵極外面是陽極，用於接收電子
- 最外層是玻璃管，將裡面的空氣抽走，形成真空狀態。
(3) 三極體應用
真空三極體被發明之後，被廣泛應用於收音機、電視機、無線電報、音響以及早期的電子計算機中，它主要作用是開關和訊號放大。
無線訊號或是長途電話，在透過遠距離的傳輸後，訊號會衰減，變得很微弱。透過三極體的放大功能，可以將訊號進行放大和還原，從而使無線通訊和長途電話技術變為可能。
(三)真空管的侷限
隨著電子裝置功能的逐漸複雜，真空管的缺點也逐漸地變得明顯：體積大、重量重、功耗高、易損壞、壽命短、溫度高。
1945 年美國建成了第一臺電子計算機 ENIAC，它使用了 18000 個真空管，重量達到了 27 噸，佔地28平方，功率達到 150KW，它主要用於軍方的彈道和其它武器相關的複雜計算。
因為真空管需要預熱之後才能被使用，而當時真空管材料的應力不夠，導致真空管容易損壞，ENIAC 這一萬多個真空管，基本上每天都會有幾個被燒壞。結果就是 ENIAC 的一半時間在工作，另外一半時間是在維修。
而這臺電子計算機每秒只能夠執行 5000 次加法運算或是 357 次乘法運算，脈衝訊號頻率也只有 100 kHz。現在任意一個物聯網裝置的計算能力應該都比它強。
真空管的缺點限制了複雜電子裝置的發展，二戰後美蘇進入冷戰階段，開始軍備和太空競賽。軍方急需穩定、可靠、質量輕便的器件來代替真空管，這也就給半導體的發展創造了機會。
在20世紀五十年代，人類剛開始太空探索，據說每增加 1Kg 衛星的重量，火箭就要增加1噸的燃料。那時，軍方只關注電子器件的體積、功耗、和穩定性，而無關乎價格和成本。這也就為後來的電晶體和積體電路的發展提供了市場需求和資金來源。
結尾
真空管被廣泛地使用在早期的無線電、收音機、電視、電子計算機、雷達等電子裝置上。在有了美國軍方市場和資金的支援下，美國半導體技術也得到了快速的發展，最後真空管逐漸地被電晶體所替代。
下一篇我們將介紹半導體技術的關鍵 PN接面 和晶體二極體。