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電子管
早期的電信號放大器件
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1.電子管的陰極
陰極是用來放射電子的部件,分為氧化物陰極和碳化釷鎢陰極。一般來說氧化物陰極是旁熱式的,它是利用專門的燈絲對涂有氧化鋇等陰極體加熱,進行熱電子放射。壽命一般在1000～3000小時。碳化釷鎢陰極一般都是直熱式的，通過加熱即可產(chǎn)生熱電子放射,所以它既是燈絲又是陰極。理論上碳化釷鎢陰極比氧化物陰極壽命長得多,一般在2000～10000小時以上。大功率發(fā)射管應(yīng)用最為廣泛的是碳化釷鎢陰極,氧化物陰極一般在輸出功率為1kW以下的發(fā)射管中應(yīng)用。
近年來采用網(wǎng)狀陰極的大功率發(fā)射管較多。網(wǎng)狀陰極是用較細的釷鎢絲做成圓筒狀,其優(yōu)點是:
2)易于實現(xiàn)較小的陰柵間距,有利于提高跨導。
3)由于燈絲是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),單根燈絲的電流較小,局部磁
2.電子管的柵極
電子管的柵極根據(jù)它們在管中所起的作用不同分為一柵、二柵,有時也稱為控制柵、簾柵。第一柵的主要作用是控制陰極電流,二柵的作用是屏蔽板極對第一柵的影響。柵極結(jié)構(gòu)關(guān)系到本身的機械強度和散熱效果,關(guān)系到管子可否穩(wěn)定工作。為了減小電子的渡越時間,柵陰間距作的很短甚至不到1mm,因此廠商多采用機械強度高、導熱系數(shù)高、輻射系數(shù)好以及熔點高的材料來做柵極,以閉免在很小的間距下發(fā)生熱碰極。一柵和二柵應(yīng)嚴格對柵,這樣簾柵對電子截獲小,可減小簾柵耗,改善電流分配提高性線。
3.電子管的陽極
陽極是收集陰極發(fā)射出來的大部分電子的電極。電子管工作時,由于電子管轟擊板極表面,以及其它電極的熱輻射,在板極產(chǎn)生大量熱能,因其板極的耗散功率密度是每平方厘米幾十瓦到幾百瓦,這樣大的功率密度采用自然輻射或傳導的冷卻已不能勝任。故須采用強制冷卻方式。常用的有風冷、水冷和蒸發(fā)冷卻等。
引腳識別
電子管引腳電子管腳的識別
基本單位縮寫
2.燈絲電流：mA；電子管
3.陽極電壓：V；
4.陽極電流：mA；
5.柵極電壓：V；
6.柵極電流：mA；
7.陰極接入電阻：Ω；
8.輸出功率：W；
9.跨導：mA/v；
10.內(nèi)阻：kΩ。
發(fā)展沿革
1883年，發(fā)明大王托馬斯·愛迪生正在為尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過一個小小的實驗。他在真空電燈泡內(nèi)部碳絲附近安裝了一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發(fā)。但是他失敗了，他無意中發(fā)現(xiàn)，沒有連接在電路里的銅絲，卻因接收到碳絲發(fā)射的熱電子產(chǎn)生了微弱的電流。當時愛迪生正潛心研究城市電力系統(tǒng)，沒重視這個現(xiàn)象。但他為這一發(fā)現(xiàn)申請了專利，并命名為“愛迪生效應(yīng)”。
1904年，電子管世界上第一只電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生了。弗萊明為此獲得了這項發(fā)明的專利權(quán)。人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子時代。世界上第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地170m*2，重30t，耗電150kW。
說起電子管的發(fā)明，我們首先得從“愛迪生效應(yīng)”談起。愛迪生這位舉世聞名的大發(fā)明家，在研究白熾燈的壽命時，在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：金屬片雖然沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲就會產(chǎn)生一股電流，趨向附近的金屬片。這股神秘的電流是從哪里來的？愛迪生也無法解釋，但他不失時機地將這一發(fā)明注冊了專利，并稱之為“愛迪生效應(yīng)”。后來，有人證明電流的產(chǎn)生是因為熾熱的金屬能向周圍發(fā)射電子造成的。但最先預(yù)見到這一效應(yīng)具有實用價值的，則是英國物理學家和電氣工程師弗萊明。
弗萊明電子管的二極管是一項嶄新的發(fā)明．它在實驗室中工作得非常好．可是，不知為什么，它在實際用于檢波器上卻很不成功，還不如同時發(fā)明的礦石檢波器可靠．因此，對當時無線電的發(fā)展沒有產(chǎn)生什么沖擊．
此后不久，貧困潦倒的美國發(fā)明家德福雷斯特，在二極管的燈絲和板極之間巧妙地加了一個柵板，從而發(fā)明了第一只真空三極管．這一小小的改動，竟帶來了意想不到的結(jié)果．它不僅反應(yīng)更為靈敏、能夠發(fā)出音樂或聲音的振動，而且，集檢波、放大和振蕩三種功能于一體．因此，許多人都將三極管的發(fā)明看作電子工業(yè)真正的誕生起點．德福雷斯特自己也非常驚喜，認為“我發(fā)現(xiàn)了一個看不見的空中帝國”．電子管的問世，推動了無線電電子學的蓬勃發(fā)展．到1960年前后，西方國家的無線電工業(yè)年產(chǎn)10億只無線電電子管．電子管除應(yīng)用于電話放大器、海上和空中通訊外，也廣泛滲透到家庭娛樂領(lǐng)域，將新聞、教育節(jié)目、文藝和音樂播送到千家萬戶．就連飛機、雷達、火箭的發(fā)明和進一步發(fā)展，也有電子管的一臂之力．
三條腿的魔術(shù)師電子管在電子學研究中曾是得心應(yīng)手的工具．電子管器件歷時40余年一直在電子技術(shù)領(lǐng)域里占據(jù)統(tǒng)治地位．但是，不可否認，電子管十分笨重，能耗大、壽命短、噪聲大，制造工藝也十分復雜．因此，電子管問世不久，人們就在努力尋找新的電子器件．第二次世界大戰(zhàn)中，電子管的缺點更加暴露無遺．在雷達工作頻段上使用的普通的電子管，效果極不穩(wěn)定．移動式的軍用器械和設(shè)備上使用的電子管更加笨拙，易出故障．因此，電子管本身固有的弱點和迫切的戰(zhàn)時需要，都促使許多科研單位和廣大科學家，集中精力，迅速研制成功能取代電子管的固體元器件．
電子管的替代產(chǎn)品叫晶體管。
隨著電子管科技的發(fā)展，人們對生產(chǎn)的機械在體積上向體積越來越小的方向發(fā)展，由于電子管的體積大，而且在移動過程中容易損壞，越來越多的表現(xiàn)出其的弊端，于是人們開始尋找和開發(fā)電子管的可替代產(chǎn)品．隨著后來的晶體管的出現(xiàn)，已越來越多的機械不再使用電子管．晶體管的出現(xiàn)是人類在電子方面一個大的飛躍．
早在30年代，人們已經(jīng)嘗試著制造固體電子元件．但是，當時人們多數(shù)是直接用模仿制造真空三極管的方法來制造固體三極管．因此這些嘗試毫無例外都失敗了．
優(yōu)缺點
由于電子管電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結(jié)構(gòu)脆弱而且需要高壓電源的缺點，它的絕大部分用途已經(jīng)被固體器件晶體管所取代。優(yōu)點:1、電子管負載能力強2、線性性能優(yōu)于晶體管3、工作頻率高4、高頻大功率領(lǐng)域的工作特性要比晶體管更好
所以仍然在一些地方（如大功率無線電發(fā)射設(shè)備，高頻介質(zhì)加熱設(shè)備）繼續(xù)發(fā)揮著不可替代的作用。
種類
（一）按用途分類
（二）按電極數(shù)分類
（三）按外形分類
電子管按其外形及外殼材料可分為瓶形玻璃管（ST管）、“橡實”管、筒形玻璃管（GT管）、大型玻璃管（G式管）、金屬瓷管、小型管（也稱花生管或指形管、MT管）、塔形管（燈塔管）、超小型管（鉛筆形管）等多種。
（四）按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類
電子管按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單二極管、二極管、雙二極三極管、雙二極管極管、單三極管、功率五極管、束射四極管、束射五極管、雙一極管、二極——五極復合管、又束射四極管、三極-五極復合管、三極-六極復合管、三極-七極復合管、束射功率各處室等多種類型。
（五）按陰極的加熱方式分類
電子管按陰極的加熱方式可分為直熱式陰極電子管（電流直接通過陰極使其達到熱電子發(fā)射狀態(tài)）和旁熱式陰極電子管（通過陰極旁的燈絲加熱陰極）。
（六）按屏蔽方式分類
電子管按屏蔽方式可分為銳截止屏蔽電子管和遙截止屏蔽電子管。
（七）按冷卻方式分類
電子管按冷卻方式可分為水冷式電子管、風冷式電子管和自然冷卻式電子管。
選用
1．按用途合理選擇電子管的類型
電子管的種類繁多，功能各異。選用時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的電路的具體要求（例如，是電壓放大管還是功率放大管）來選擇合適的類型及型號。在功率放大器中，電壓放大管可選用*、6N8P、6N11.12AX7.6922、6DJ8等型號；電壓驅(qū)動管可選用12AU7.12AT7、6SN7.6DJ6.6CG7.6NP8.ECC82.6N6等型號；功率輸出管可選用KT88.EL34、300B、6650C等型號。
2．根據(jù)電路要求選用電子管的主要參數(shù)
電子管在使用時應(yīng)嚴格遵照產(chǎn)品手冊中規(guī)定的各極電壓值（包括燈絲電壓、屏極電壓和簾柵極電壓等）。選用哪種型號的電子管，還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用電路的工作電壓值、電流值等參數(shù)而定。所選電子管的各極電壓值應(yīng)與應(yīng)用電路的工作電壓值相同或相近，否則會縮短電子管的使用壽命。
使用中應(yīng)注意的問題
1.電子管各極的電壓應(yīng)嚴格按順序進行接入
即：燈絲-偏壓-陽壓-簾柵壓-激勵信號,關(guān)機時按相反的順序進行。電子管的燈絲特別是碳化釷鎢燈絲是很脆弱的,頻繁的開關(guān)機對燈絲的影響是致命的,燈絲的冷態(tài)、熱態(tài)電阻值差異較大,會產(chǎn)生一定的電磁引力,大多數(shù)電子管都是在頻繁開、關(guān)機時碰極。因此在給燈絲加電壓最好是逐漸和分檔加,對延長管子的使用壽命是很有好處的。
2.燈絲電壓應(yīng)在額定值的允許誤差范圍內(nèi)使用
通常允許范圍為5%,若能保持在±1%內(nèi)對延長壽命是有利的。氧化物陰極電子管燈絲電壓偏高時,會加速氧化鋇的分解而縮短陰極壽命；燈絲電壓偏低時,鋇原子不能迅速地擴散到陰極表面,會使陰極“中毒”也就是電子管的發(fā)射能力不能再恢復。碳化釷鎢燈絲陰極的電子管燈絲電壓偏高時燈絲中的釷原子會很快蒸發(fā)掉,縮短陰極壽命,燈絲電壓偏低時,也會使陰極受正離子轟擊而失效。實踐證明使用直流燈絲電源的發(fā)射管,在工作一段時間后把燈絲正負極性變換一次,以使整個陰極能夠均勻損耗,同時把燈絲輸入端對地接的電解電容極性也隨之改變,有助于延長管子壽命。對于使用壽命已知的管子,因陰極發(fā)射量不足而功率下降，可適當提高燈絲電壓,加大其燈絲電流來延長使用壽命。
3.貯存電子管的庫房要求干燥無塵、防潮、防震、通風良好
不得放有易揮發(fā)性腐蝕物品。室溫在+5℃～+35℃之間,相對濕度不大于80%。電子管應(yīng)垂直放置,陽極向下，管上不得承受重量。貯存期一般不超過3年,以防真空度下降。長期存放的電子管,內(nèi)部會放出一些氣體,使管內(nèi)真空度下降,因此在使用時應(yīng)老煉。將電子管加50%燈絲電壓保持10min～15min,然后加額定燈絲電壓保持30min,然后加偏壓,再加50%額定陽極電壓保持20min～30min,再將陽極電壓加到額定值。此老煉過程可延長管子的使用壽命。一般老煉可將電子管加上燈絲額定工作電壓保持2h以上，但此法不如上面燈絲、陽壓分檔加壓老煉效果好。
4.電子管安裝前應(yīng)檢查外觀不應(yīng)有汽泡、油污、裂縫和任
何機械性損傷,金屬件不得有銹蝕陶瓷上的污跡可用酒精擦除；金屬件上的銹蝕先用沙紙擦除,再用酒精擦凈。檢查絕緣電阻時應(yīng)用萬用表R×10K檔檢查即可,用于1KW以上的管子可用500VMΩ表檢查，用于10KW的大功率管子用1000VMΩ表檢查。安裝時要小心緩慢地進行,避免受力振動而損壞,要軸向垂直放置,保持陽極的垂直同心度。各極與腔體簧片要接觸良好,否則易出現(xiàn)高壓打火或管子工作不穩(wěn)定。
5.工作當中發(fā)射管各極都要保持良好的通風和其他冷卻
延長方法
自70年代電子管放大器復出重登音響舞臺以來，已占有一定市場，但在電子管音響產(chǎn)品中，電子管引起的故障－－包括歐美電子管在內(nèi)，并不少見，使人產(chǎn)生一種電子管壽命短的看法，然而這卻往往并非電子管本身的問題，而是電路設(shè)計存在缺陷和使用上的問題。須知品質(zhì)良好的電子管，還得有正確設(shè)計的電路，充分的散熱，周到的避震。
在使用上，電子管要有良好的通風散熱，溫度的過熱必然縮短電子管壽命，所以要盡可能使電子管保持較低的溫度。電子管怕振動，所以采取防震措施盡量避免振動也是很重要的。若做到這兩點，電子管的使用壽命至少可提高一倍。為此，電子管設(shè)備的周圍要有適當?shù)目臻g，尤其是它的上方，以便有良好的對流通風，可能的話可用風扇幫助散熱。
電子管陰極在尚未達到要求溫度即加上高壓電源時，它的陰極將受到損害，同樣會縮短電子管壽命。所以電子管設(shè)備若有預(yù)熱裝置的話，一定要使用，例如先開燈絲低壓電源預(yù)熱，后開緩慢施加高壓電源。假如沒有預(yù)熱裝置，那你不要急著將輸入信號接入，可將音量關(guān)到最小，待先開機20～30分鐘進行溫機再使用。如果使用旁熱式整流管供給整機高壓，那正好提供了簡單又有效的高壓延時。另外，在正常使用時，不要頻繁開關(guān)電源。
當然，如果對電子管電路進行正確的設(shè)計，避免錯誤運用，就能使電子管不致"英年早逝"，電子管使用數(shù)以千計的聆聽時數(shù)應(yīng)是正常的。電路設(shè)計中最常見的錯誤有電子管燈絲與陰極間的電位差過高、電子管屏極或簾柵極電壓運用至最大值、電子管控制柵極懸空，電子管燈絲電壓過低或過高、電子管安裝位置不當造成電極過熱及高壓電源沒有延時裝置等。
晶體管
元件——晶電子管兩顆雙二極管：5Z2P，5Z3P體管的收音機．雖然人們對這架收音機顯露出濃厚的興趣．然而，他們對晶體管本身卻不以為然．美國《紐約先驅(qū)論壇報》的記者在報道中寫道：“這一器件還在實驗室階段，工程師們都認為它在電子工業(yè)中的革新是有限的．”事實上，晶體管發(fā)明以后，在不長的時間內(nèi)，它的深遠影響便很快地顯示出來．它在電子學領(lǐng)域完成了一場真正的革命．
什么是晶體管呢？通俗地說，晶體管是半導體做的固體電子元件．像金銀銅鐵等金屬，它們導電性能好，叫做導體．木材、玻璃、陶瓷、云母等不易導電，叫做絕緣體．導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)，就叫半導體．晶體管就是用半導體材料制成的．這類材料最常見的便是鍺和硅兩種．
半導體電子管三顆小功率功率放大管是19世紀末才發(fā)現(xiàn)的一種材料．當時人們并沒有發(fā)現(xiàn)半導體的價值，也就沒有注重半導體的研究．直到二次大戰(zhàn)中，由于雷達技術(shù)的發(fā)展，半導體器件——微波礦石檢波器的應(yīng)用日趨成熟，在軍事上發(fā)揮了重要作用，這才引起了人們對半導體的興趣．許多科學家都投入到半導體的深入研究中．經(jīng)過緊張的研究工作，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三人捷足先登，合作發(fā)明了晶體管——一種三個支點的半導體固體元件．晶體管被人們稱為“三條腿的魔術(shù)師”．它的發(fā)明是電子技術(shù)史中具有劃時代意義的偉大事件，它開創(chuàng)了一個嶄新的時代——固體電子技術(shù)時代．他們?nèi)艘惨蜓芯堪雽w及發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)而共同獲得1956年最高科學獎——諾貝爾物理獎．
肖克利小組與晶體管美國人威廉·肖克利，1910年2月13日生于倫敦，曾在美國麻省理工學院學習量子物理，1936年得到該校博士學位后，進入久負盛名的貝爾實驗室工作．貝爾實驗室是電話發(fā)明人貝爾創(chuàng)立的．在電子、電子管功率功率放大管：6P3P，EL34特別在通訊領(lǐng)域是最有名氣的研究所，號稱“研究王國”．早在1936年，當時的研究部主任，后來的貝爾實驗室總裁默文·凱利就對肖克利說過，為了適應(yīng)通訊不斷增長的需要，將來一定會用電子交換取代電話系統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)換．這段話給肖克利留下了不可磨滅的印象，激起他滿腔熱情，把畢生精力投入到推進電子技術(shù)進步的事業(yè)中．沃爾特·布拉頓也是美國人，1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門，當時他父親受聘在中國任教．布拉頓是實驗專家，1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位后，進入貝爾研究所從事真空管研究工作．溫文儒雅的美國人巴丁是一個大學教授的兒子，1908年在美國威斯康星州的麥迪遜出生，相繼于1928年和1929年在威斯康星大學獲得兩個學位．后來又轉(zhuǎn)入普林斯頓大學攻讀固體物理，1936年獲得博士學位．1945年來到貝爾實驗室工作．默文·凱利是一位頗有遠見的科技管理人員．他從30年代起，就注意尋找和采用新材料及依據(jù)新原理工作的電子放大器件．在第二次世界大戰(zhàn)前后，敏銳的科研洞察力促使他果斷地決定加強半導體的基礎(chǔ)研究，以開拓電子技術(shù)的新領(lǐng)域．于是，1945年夏天，貝爾實驗室正式?jīng)Q定以固體物理為主要研究方向，并為此制定了一個龐大的研究計劃．發(fā)明晶體管就是這個計劃的一個重要組成部分．1946年1月，貝爾實驗室的固體物理研究小組正式成立了．這個小組以肖克利為首，下轄若干小組，其中之一包括布拉頓、巴丁在內(nèi)的半導體小組．在這個小組中，活躍著理論物理學家、實驗專家、物理化學家、線路專家、冶金專家、工程師等多學科多方面的人才．他們通力合作，既善于汲取前人的有益經(jīng)驗，又注意借鑒同時代人的研究成果，博采眾家之長．小組內(nèi)部廣泛開展有益的學術(shù)探討．“有新想法，新問題，就召集全組討論，這是習慣”．在這樣良好的學術(shù)環(huán)境中，大家都充滿熱情，完全沉醉在理論物理領(lǐng)域的研究與探索中．
開始，布拉頓和巴丁在研究晶體管時，采用的是肖克利提出的場效應(yīng)概念．場效應(yīng)設(shè)想是人們提出的第一個固體放大器的具體方案．根據(jù)這一方案，他們仿照真空三極管的原理，試圖用外電場控制半導體內(nèi)的電子運動．但是事與愿違，實驗屢屢失敗．
人們得到的效應(yīng)比預(yù)期的要小得多．人們困惑了，為什么理論與實際總是矛盾的呢？
問題究竟出在那里呢？經(jīng)過多少個不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一種新的理論——表面態(tài)理論．這一理論認為表面現(xiàn)象可以引起信號放大效應(yīng)．表面態(tài)概念的引入，使人們對半導體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認識前進了一大步．布拉頓等人乘勝追擊，認真細致地進行了一系列實驗．結(jié)果，他們意外地發(fā)現(xiàn)，當把樣品和參考電極放在電解液里時，半導體表面內(nèi)部的電荷層和電勢力發(fā)生了改變，這不正是肖克利曾經(jīng)預(yù)言過的場效應(yīng)嗎？這個發(fā)現(xiàn)使大家十分振奮．在極度興奮中，他們加快了研究步伐，利用場效應(yīng)又反復進行了實驗．誰知，繼續(xù)實驗中突然發(fā)生了與以前截然不同的效應(yīng)．這接踵而至的新情況大大出乎實驗者的預(yù)料．
人們的思路被打斷了，制作實用器件的原計劃不能不改變了，漸趨明朗的形勢又變得撲朔迷離了．然而肖克利小組并沒有知難而退．他們緊緊循著茫茫迷霧中的一絲光亮，改變思路，繼續(xù)探索．經(jīng)過多次地分析、計算、實驗，1947年12月23日，人們終于得到了盼望已久的“寶貝”．這一天，巴丁和布拉頓把兩根觸絲放在鍺半導體晶片的表面上，當兩根觸絲十分靠近時，放大作用發(fā)生了．世界第一只固體放大器——晶體管也隨之誕生了．在這值得慶祝的時刻，布拉頓按捺住內(nèi)心的激動，仍然一絲不茍地在實驗筆記中寫道：“電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5……親眼目睹并親耳聽聞音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和包文．”在布拉頓的筆記上，皮爾遜、摩爾和肖克利等人分別簽上了日期和他們的名字表示認同．
巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導體的某一點接觸，故稱點接觸晶體管．這種晶體管對電流、電壓都有放大作用．
晶體管發(fā)明之后基于嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，貝爾實驗室并沒有立即發(fā)表肖克利小組的研究成果．他們認為，還需要時間弄清晶體管的效應(yīng)，以便編寫論文和申請專利．此后一段時間里，肖克利等人在極度緊張的狀態(tài)中忙碌地工作著．他們心中隱藏著一絲憂慮．如果別人也發(fā)明了晶體管并率先公布了，他們的心血就付之東流了．他們的擔心絕非多慮，當時許多科學家都在潛心于這一課題的研究．1948年初，在美國物理學會的一次會議上，柏杜大學的布雷和本澤報告了他們在鍺的點接觸方面所進行的實驗及其發(fā)現(xiàn)．當時貝爾實驗室發(fā)明晶體管的秘密尚未公開，它的發(fā)明人之一——布拉頓此刻就端坐在聽眾席上．布拉頓清楚地意識到布雷等人的實驗距離晶體管的發(fā)明就差一小步了．因此，會后布雷與布拉頓聊天時談到他們的實驗時，布拉頓立刻緊張起來．他不敢多開口，只讓對方講話，生怕泄密給對方，支吾幾句就匆匆忙忙地走開了．后來，布雷曾惋惜地說過：“如果把我的電極靠近本澤的電極，我們就會得到晶體管的作用，這是十分明白的．”由此可見，當時科學界的競爭是多么的激烈！實力雄厚的貝爾實驗室在這場智慧與技能的角逐中，也不過略勝一籌．
晶體管發(fā)明半年以后，在1948年6月30日，貝爾實驗室首次在紐約向公眾展示了晶體管．這個偉大的發(fā)明使許多專家不勝驚訝．然而，對于它的實用價值，人們大都表示懷疑．當年7月1日的《紐約時報》只以8個句子、201個文字的短訊形式報道了本該震驚世界的這條新聞．在公眾的心目中，晶體管不過是實驗室的珍品而已．估計只能做助聽器之類的小東西，不可能派上什么大用場．電子管(15張)
的確，當時的點接觸晶體管同礦石檢波器一樣，利用觸須接點，很不穩(wěn)定，噪聲大，頻率低，放大功率小，性能還趕不上電子管，制作又很困難．難怪人們對它無動于衷．然而，物理學家肖克利等人卻堅信晶體管大有前途，它的巨大潛力還沒有被人們所認識．于是，在點接觸式晶體管發(fā)明以后，他們?nèi)匀徊贿z余力，繼續(xù)研究．又經(jīng)過一個多月的反復思索，肖克利瘦了，眼中也布滿了血絲．一個念頭卻在心中越來越明晰了，那就是以往的研究之所以失敗，根本原因在于人們不顧一切地盲目模仿真空三極管．這實際上走入了研究的誤區(qū)．晶體管同電子管產(chǎn)生于完全不同的物理現(xiàn)象，這就暗示晶體管效應(yīng)有其獨特之處．明白了這一點，肖克利當即決定暫時放棄原來追求的場效應(yīng)晶體管，集中精力實現(xiàn)另一個設(shè)想——晶體管的放大作用．正確的思想終于開出了最美的花朵．1948年11月，肖克利構(gòu)思出一種新型晶體管，其結(jié)構(gòu)像“三明治”夾心面包那樣，把N型半導體夾在兩層P型半導體之間．這是一個多么富有想象力的設(shè)計啊！可惜的是，由于當時技術(shù)條件的限制，研究和實驗都十分困難．直到1950年，人們才成功地制造出第一個PN結(jié)型晶體管．
電子技術(shù)發(fā)展史上一座里程碑晶體管的出現(xiàn)，是電子技術(shù)之樹上綻開的一朵絢麗多彩的奇葩．同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：①晶體管的構(gòu)件是沒有消耗的．無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化．由于技術(shù)上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問題．隨著材料制作上的進步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名．②晶體管消耗電子極少，僅為電子管的十分之一或幾十分之一．它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子．一臺晶體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的．③晶體管不需預(yù)熱，一開機就工作．例如，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現(xiàn)畫面．電子管設(shè)備就做不到這一點．開機后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面．顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的．④晶體管結(jié)實可靠，比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的．另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設(shè)計小型、復雜、可靠的電路．晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度．正因為晶體管的性能如此優(yōu)越，晶體管誕生之后，便被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)以及人們?nèi)粘Ｉ钪校?953年，首批電池式的晶體管收音機一投放市場，就受到人們的熱烈歡迎，人們爭相購買這種收音機．接著，各廠家之間又展開了制造短波晶體管的競賽．此后不久，不需要交流電源的袖珍“晶體管收音機”開始在世界各地出售，又引起了一個新的消費熱潮。
效晶體管
摩爾定律
由于硅晶體管適合高溫工作，可以抵抗大氣影響，在電子工業(yè)領(lǐng)域是最受歡迎的產(chǎn)品之一．從1967年以來，電子測量裝置或者電視攝像機如果不是“晶體管化”的，那么就別想賣出去一件．輕便收發(fā)機，甚至車載的大型發(fā)射機也都晶體管化了．
另外，晶體管還特別適合用作開關(guān)．它也是第二代計算機的基本元件．人們還常常用硅晶體管制造紅外探測器．就連可將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵亍?/span>太陽能電池也都能用晶體管制造．這種電池是遨游于太空的人造衛(wèi)星的必不可少的電源．晶體管這種小型簡便的半導體元件還為縫紉機、電鉆和熒光燈開拓了電子控制的途徑．從1950年至1960年的十年間，世界主要工業(yè)國家投入了巨額資金，用于研究、開發(fā)與生產(chǎn)晶體管和半導體器件．例如，純凈的鍺或硅半導體，導電性能很差，但加入少量其它元素(稱為雜質(zhì))后，導電性能會提高許多．但是要想把定量雜質(zhì)正確地熔入鍺或硅中，必須在一定的溫度下，通過加熱等方法才能實現(xiàn)．而一旦溫度高于攝氏75度，晶體管就開始失效．為了攻克這一技術(shù)難關(guān)，美國政府在工業(yè)界投資數(shù)百萬美元，以開展這項新技術(shù)的研制工作．在這樣雄厚的財政資助下，沒過多久，人們便掌握了這種高熔點材料的提純、熔煉和擴散的技術(shù)．特別是晶體管在軍事計劃和宇宙航行中的威力日益顯露出來以后，為爭奪電子領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，世界各國展開了激烈的競爭．為實現(xiàn)電子設(shè)備的小型化，人們不惜成本，紛紛給電子工業(yè)以巨大的財政資助．
自從1904年弗萊明發(fā)明真空二極管，1906年德福雷斯特發(fā)明真空三極管以來，電子學作為一門新興學科迅速發(fā)展起來．但是電子學真正突飛猛進的進步，還應(yīng)該是從晶體管發(fā)明以后開始的．尤其是PN結(jié)型晶體管的出現(xiàn)，開辟了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術(shù)的革命．在短短十余年的時間里，新興的晶體管工業(yè)以不可戰(zhàn)勝的雄心和年輕人那樣無所顧忌的氣勢，迅速取代了電子管工業(yè)通過多年奮斗才取得的地位，一躍成為電子技術(shù)領(lǐng)域的排頭兵．現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)誠然，電子管的發(fā)明使電子設(shè)備發(fā)生了革命性變化．但是電子管體大易碎，費電又不可靠．因此，晶體管的問世被譽為本世紀最偉大的發(fā)明之一，它解決了電子管存在的大部分問題．可是單個晶體管的出現(xiàn)，仍然不能滿足電子技術(shù)飛速發(fā)展的需要．隨著電子技術(shù)應(yīng)用的不斷推廣和電子產(chǎn)品發(fā)展的日趨復雜，電子設(shè)備中應(yīng)用的電子器件越來越多．比如二次世界大戰(zhàn)末出現(xiàn)的B29轟炸機上裝有1千個電子管和1萬多個無線電元件．電子計算機就更不用說了．1960年上市的通用型號計算機有10萬個二極管和2.5萬個晶體管．一個晶體管只能取代一個電子管，極為復雜的電子設(shè)備中就可能要用上百萬個晶體管．一個晶體管有3條腿，復雜一些的設(shè)備就可能有數(shù)百萬個焊接點，稍一不慎，就極有可能出現(xiàn)故障．為確保設(shè)備的可靠性，縮小其重量和體積，人們迫切需要在電子技術(shù)領(lǐng)域來一次新的突破．1957年蘇聯(lián)成功地發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星．這一震驚世界的消息引起了美國朝野的極大震動，它嚴重挫傷了美國人的自尊心和優(yōu)越感，發(fā)達的空間技術(shù)是建立在先進的電子技術(shù)基礎(chǔ)上的．為奪得空間科技的領(lǐng)先地位，美國政府于1958年成立了國家航空和宇航局，負責軍事和宇航研究，為實現(xiàn)電子設(shè)備的小型化和輕量化，投入了天文數(shù)字的經(jīng)費．就是在這種激烈的軍備競賽的刺激下，在已有的晶體管技術(shù)的基礎(chǔ)上，一種新興技術(shù)誕生了，那就是今天大放異彩的集成電路．有了集成電路，計算機、電視機等與人類社會生活密切相關(guān)的設(shè)備不僅體積小了，功能也越來越齊全了，給現(xiàn)代人的工作、學習和娛樂帶來了極大便利．那么，什么是集成電路呢？集成電路是在一塊幾平方毫米的極其微小的半導體晶片上，將成千上萬的晶體管、電阻、電容、包括連接線做在一起．真正是立錐之地布千軍．它是材料、元件、晶體管三位一體的有機結(jié)合．
集成電路的問世是離不開晶體管技術(shù)的，沒有晶體管就不會有集成電路．本質(zhì)上，集成電路是最先進的晶體管——外延平面晶體制造工藝的延續(xù)．集成電路設(shè)想的提出，同晶體管密切相關(guān)．1952年，英國皇家雷達研究所的一位著名科學家達默，在一次會議上曾指出：“隨著晶體管的出現(xiàn)和對半導體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設(shè)備是一種沒有連接線的固體組件．”雖然達默的設(shè)想并未付諸實施，但是他為人們的深入研究指明了方向．
后來，一個叫基爾比的美國人步達默的后塵，走上了研究固體組件這條崎嶇的小路．基爾比畢業(yè)于伊利諾斯大學電機工程系．1952年一個偶然機會，基爾比參加了貝爾實驗室的晶體管講座．富于創(chuàng)造性的基爾比一下子就被晶體管這個小東西迷住了．
當時，他在一家公司負責一項助聽器研究計劃．心系晶體管的基爾比不由自主地想把晶體管用在助聽器上，他果然獲得了成功．他研究出一種簡便的方法，將晶體管直接安裝在塑料片上，并用陶瓷密封．初步的成功使他對晶體管的興趣與日俱增．為尋求更大的發(fā)展，基爾比于1958年5月進入得克薩斯儀器公司．當時，公司正參與美國通信部隊的一項微型組件計劃．基爾比非常希望能在這一計劃中一顯身手．強烈的自尊促使他決心憑自己的智慧和努力進入這一計劃．于是，他常常一個人埋頭在工廠，思考采用半導體制造整個電路的途徑．記不清多少次苦苦思索，多少回實驗，多少次挫折，經(jīng)過長時間的孤軍奮戰(zhàn)，到1959年，一塊集成電路板終于在基爾比的手中誕生了．
同年3月，這一產(chǎn)品被拿到無線電工程師協(xié)會上展出．得克薩斯公司當時的副總裁謝潑德自豪地宣布，這是“硅晶體管后得克薩斯儀器公司最重要的開發(fā)成果”．在晶體管技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的集成電路，帶來了微電子技術(shù)的突飛猛進．
微電子技術(shù)的不斷進步，極大降低了晶體管的成本，在1960年，生產(chǎn)1只晶體管要花10美元，而今天，1只嵌入集成電路里的晶體管的成本還不到1美分．這使晶體管的應(yīng)用更為廣泛了．
不僅如此，微電子技術(shù)通過微型化、自動化、計算機化和機器人化，將從根本上改變?nèi)祟惖纳睿跊_擊著人類生活的許多方面：勞動生產(chǎn)、家庭、政治、科學、戰(zhàn)爭與和平．
晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。
工作條件
1.晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)短狀態(tài)。
2.晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。
3.晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。
4.晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。
從晶閘管的內(nèi)部分析工作過程：
當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此，兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門機電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通，晶體管飽和導通。
設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流相應(yīng)為Ic1和Ic2；發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik；電流放大系數(shù)相應(yīng)為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,
晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：
Ia=Ic1Ic2Ic0或Ia=a1Iaa2IkIc0
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=IaIg
從而可以得出晶閘管陽極電流為：I=(Ic0Iga2)/（1-（a1a2））（1—1）式
硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)a1和a2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
當晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，式（1—1）中，Ig=0,(a1a2)很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。當晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高起點流放大系數(shù)a2,產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。從圖3，當a1和a2隨發(fā)射極電流增加而（a1a2）≈1時，式（1—1）中的分母1-（a1a2）≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。
式（1—1）中，在晶閘管導通后，1-（a1a2）≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導通。晶閘管在導通后，門極已失去作用。
構(gòu)造原理
下面的討僅限于真空式電子管
二極管
考慮一塊被加熱的金屬板，當它的溫度達到攝氏800度以上時，會形成電子的加速運動，以至能夠擺脫金屬板本身對它們的吸引而逃逸到金屬表面以外的空間。若在這一空間加上一個十幾至幾萬伏的正向電壓（在上面說到的顯像管，陽極上就加有7000--27000伏的高壓），這些電子就會被吸引飛向正向電壓極，流經(jīng)電源而形成回路電流。
二極管
把金屬板（陰極），加熱源（燈絲），正向電壓極板（陽極）封裝在一個適當?shù)臍だ铮瓷厦嬲f的玻璃（或金屬，陶瓷）封裝殼，再抽成幾近真空，就是電子二極管。
需要說明的是由于制造工藝，雜質(zhì)附著以及材料本身等原因，管內(nèi)會殘留微量余氣，成品管都在管內(nèi)涂敷了一層吸氣劑。吸氣劑一般使用摻氮的蒸散型鋯鋁或鋯釩材料。除特殊用途外（如超高頻和高壓整流等），為便于使用和增加一至性，均為兩只二極管，或二極三極，或三極三極以及二極五極等合裝在一個管殼內(nèi)，這就是復合管。
三極管
二極管的結(jié)構(gòu)決定了它的單向?qū)щ姷男再|(zhì)，當在陰極與陽極之間再加上一個帶適當電壓的極點，這個電壓就會改變陰極的表面電位，從而影響了陰極熱電子飛向陽極的數(shù)量，這就是調(diào)制極，一般是用金屬絲做成螺旋狀的柵網(wǎng)，所以又把它稱為柵極。這就是閥門功能了。由此可以知道，當作為被放大的信號電壓加在柵極----陰極之間時，由于它的變化必然會使陽極電流發(fā)生相應(yīng)的變化，又由于陽極電壓遠高于陰極，因此柵陰極間微小的電壓變化同樣能使陽極產(chǎn)生相應(yīng)的幾十至上百倍的電壓變化，這就是三極管放大電壓三極管信號的原理。
四極管
純粹意義的四極管只是在電子管的發(fā)展史上作為驗證管出現(xiàn)過而沒有進入實用，在商品功放里超過半數(shù)以上的機種用的是束射四極管。束射四極管全部是功率管，對功率管的要求是產(chǎn)生盡可能大的陽極電流。束射四極管在電極的結(jié)構(gòu)上做了一些特殊的安排，使其在保持和其它功率管體積差別不大的前提下，能夠形成比其它功率管更大的陽極電流。
束射四極管的幾個結(jié)構(gòu)特點：
1.陰極為橢圓型，這就增加了陰極的有效發(fā)射面積，從而增加了熱電子的發(fā)射量。
2.和三極管一樣，在抑制柵極和陽極之間加有簾柵極，作用前面說過了。
3.在簾柵極和和陽極之間加了一對弓型金屬板（說到重點了，注意下面的表述），這就是集束屏。集束屏在管內(nèi)和陰極相連即與陰極等電位，它迫使已經(jīng)越過簾柵極的電子流只能沿弓型金屬板的開口方向成束狀射向陽極。
檢測
外觀檢查
1．觀察電子管頂部的顏色正常的電子管，其頂部的顏色是銀色或黑色。若頂部已變成乳白色或淺黑色，則說明該電子管已漏氣或老化。
2．觀察管內(nèi)是否有雜物輕輕搖動或用手指輕彈電子管玻殼，再上下顛倒幾下仔細觀察內(nèi)是否有碎片、白色氧化物、碎云母片等雜物。若電子管內(nèi)有雜物，則說明該管經(jīng)過居中烈振動，其內(nèi)部極間短路的可能性較大。
萬用表檢測
1．測量燈絲電壓用萬用表R×1檔，測量電子管的兩個燈絲引腳的電阻值，正常值只有幾歐姆。若測得阻值為無窮大，則說明該電子管的燈絲已斷。
2．檢測電子管是否衰老通過用萬用表測量電子管陰極的發(fā)射能力，即可判斷出電子管是否衰老。檢測時，可單獨為電子管的燈絲提供工作電壓（其余各極電壓均不加），預(yù)熱2min左右，用萬用表R×100檔，紅表筆接電子管極陰，黑表筆接柵極（表內(nèi)1.5V電池相當于給電子管加上正偏柵壓），測量柵、陰極之間的電阻值。正常的電子管，柵、陰極之間的電阻值應(yīng)小于3kΩ。若測得電子管柵、陰極之間的阻值大于3kΩ，則說明該電子管已衰老。該電阻值越大，電子管的衰老程度越嚴重。
參考資料
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二刷《決戰(zhàn)中途島》：你看到了戰(zhàn)爭的殘酷，我看到了一部電子通信技術(shù)百年史2019-11-19T10:05:31+08:00[引用日期2022-05-24 18:12:01]
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賣房研發(fā)芯片的81歲老科學家，告訴我們中國“芯”到底缺什么2021-05-13T17:29:06+08:00[引用日期2022-05-24 20:08:57]
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科學匯 | 小身軀大能量，集成電路：指甲蓋上的“超級城市”2021-03-05T23:44:46+08:00[引用日期2022-05-25 10:24:05]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
