02 晶体三极管之前最重要的电子器件：真空管

如果说芯片是电子时代的砖块，那么我们日常生活中的电器就是由芯片搭建起来的楼房。芯片不是突然出现的，它的前身是我们今天在高级音响中仍能见到的真空管。很多常用的模拟和数字电路模块其实在真空管时代就已经被发明了。因此在讲述晶体管和芯片之前，让我们先来看看它们的前身——真空管。

在晶体管发明之前，常用的电子器件除了电阻、电容和电感之外，最重要的电子器件是真空管。1880年，托马斯·爱迪生（Thomas Alva Edison）在研究电灯泡时，做了管壁的防尘防烟实验，他发现在灯泡管内独立电极与灯丝之间，在某种条件下会产生电流。该现象被称为爱迪生效应（Edison Effect），但他本人并不重视这一现象。

1904年，英国工程师约翰·弗莱明（John Ambrose Fleming）利用爱迪生效应发明了真空二极管。

弗莱明出生于英格兰的兰卡斯特，从伦敦大学与皇家化学学院毕业后，1892～1898年担任爱迪生电力公司的工程师。弗莱明在电灯、电表、发电机等方面做出过许多改良，还发明了弗莱明左手定律。1899年起，弗莱明担任马可尼无线电电报公司（Marconi's Wireless Telegraph Company简称马可尼公司）顾问。1901年，马可尼公司首次进行横越大西洋的无线电信号传送时，使用的大部分器材为弗莱明所制。1904年，他为了寻找可靠的无线电探测器，想到了爱迪生效应，制作了一个在灯丝与真空管四周有金属圆筒的器件——真空管二极管（见图2-1）。

真空二极管的发明标志着人类进入了电子时代。

真空管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。真空管由发射电子的阴极（K）和工作时加上高压的阳极（P）组成。灯丝（F）是极细的金属丝，电流通过其中时，会使金属丝产生光和热，以激发阴极放射电子。栅极（G）是置于阴极与屏极之间的电极。通过对栅极加电压能够调节在阴阳极间的电流。

真空管是电子时代的鼻祖，真空管发明以后，使收音机的电路和接收性能发生了革命性的进步（见图2-2）。

1906年，美国工程师李·德·福雷斯特（Lee De Forest）发明了真空三极管。

弗莱明发明的真空管只有检波与整流功能，还很不稳定。当时，一位耶鲁大学毕业后进入西屋电气公司（Westinghouse Electric Corporation简称西屋电气）工作的美国工程师福雷斯特，对爱迪生效应也很感兴趣。福雷斯特的毕业论文是关于电磁波的研究。1900年，福雷斯特着手研究真空管。1906年，他申请到了用电池的真空二极管的专利。福雷斯特还提出过许多新构想，例如在灯丝两边加入白金侧翼，灯丝材料指定用白金、钽和碳丝，他认为弗莱明管可以整流，而自己的真空管可作为继电器。

1906年年底，福雷斯特在二极管中多加入了一个栅极，使真空管具有了放大与振荡功能，他同时委托灯泡厂生产这一新型真空三极管。此专利于1908年2月18日通过，但人们通常认为1906年是真空三极管元年，福雷斯特是真空三极管之父（见图2-3）。

1911年，福雷斯特加盟北加州的联邦电报公司（Federal Telegraph Company）。一天，福雷斯特意识到，以不同的方法重接真空三极管，电报传输速度会加快。当他重新排列真空管的三个电极后，他发明了20世纪最重要的电子器件：电子放大器。福雷斯特把这个装置的输出端接到了一个耳机上，想通过送话器听听怀表的嘀嗒声。结果，福雷斯特的耳膜差点被震坏，当他回过神来时，才意识到自己发明了电子放大器，人类第一个非机械装置的信号放大器。

在美国北加州的硅谷中心帕洛·阿托（Palo Alto）闹市区艾默生大街和钱宁街的路口，树立着一块石碑，上面写道：“电子实验室，联邦电报公司实验室及工厂最初奠基处。1909年由赛瑞尔·爱辉尔（Cyril F Elwell）创立。来自美国东岸的发明家福雷斯特及两位助理，在此研发出历史上第一台真空管放大器及真空管振荡器。”

真空管的改良

早期真空管用的是直流电，最早对真空管的改良是使其省电。电池既不方便，价格又高。第一次世界大战后（简称一战）后，人们开始尝试以交流电作为真空管电源了。通用电气公司（General Electric Corporation）为了提升电话线的稳定性，于1913年着手研究交流真空管，并于1923年获得专利。西屋电气公司在1921年获得了类似专利，1925年推出第一个成品。

20世纪20年代，美国推出了许多改良式的真空管收音机，大部分是电池式的，只是加上了旁热式变压器。通用电气公司最早是从事电灯泡制造的，借此之便，它将钨丝混入少量的二氧化钍。这个配方被误用在真空管中，结果使放射能力大增。1921年，兰茂尔（Irvin Langmuir）开发出了钍钨灯丝，大大提升了电子发射能力。使用这种灯丝时，如果管内有残余氧气，效果就立即打折，因此人们又研究出各种收氧剂来改良真空效果。

与此同时，欧洲人也不甘落后。德国西门子公司很早就加入了真空管的生产行列。它推出了电压更低、效率更高的空间电荷闸极极管（Space Charge Grid），西门子公司发明了双闸极真空管。1923年，西门子公司正式推出了手提收音机的检波管。马可尼公司为了降低闸极与栅极间的电容，提升放大率，开发了帘闸极（Screen Grid）高频放大四极管。四极管可用于高周波段的放大，却无法用在低周波上，荷兰的飞利浦公司在1927年通过实验将帘闸极和阳极中间插入另一条闸极，开发出了第一支五极管，产品编号为B443，用作电池式收音机的功率输出。飞利浦公司的2502型收音机因为B443大获成功。1929年，飞利浦公司推出了交流电源使用的C443直热管，巩固了其输出管的领先地位。1926年，德国罗意威（Loewe）发布了2HF与3NF复合管，成为复合管的鼻祖。复合管就是把两个或两个以上的真空管装入一个管内，同时各有其独立的功能。德国对收音机的课税，以真空管个数为准，减少管子个数，就能少缴税，于是德国人就研发出了复合管。

在一战中，英国大力开发真空管。1937年，英国的马可尼公司与美国无线电公司（Radio Corporation America，RCA）及通用电气公司，发布了International Octal系列真空管，以KT（Kinkless Tetrode）这个型号加入了束射功率管行列，为英国真空管开辟了另一片天空。其中KT61与KT66，都获得了好评。后来出现的KT88，成为与RCA 6550鼎足而立的产品。

法国的真空管研发也是因一战而起。在一战前夕，德国人保罗·皮森，受德律风根公司指派在美国收集最新通信器材情报，当他要回德国在伦敦过境时，德国已对法国宣战。保罗潜入法兰西后被捕，并被引见给菲力将军，他拿出了一支真空管，并告知菲力将军其优点。菲力将军立刻安排他到法国通信部队，并成立了真空管紧急开发项目组，这是法国真空管的起源。保罗找到里昂的一家灯泡厂合作，推出了圆筒型三极管，称为Fotos。尽管法国很晚才加入真空管的研发行列，但Fotos的设计精巧，推出后订单如雪。法国另一家做过弗莱明管的公司也加入了生产，产品被命名为Metal，产品编号以负责开发的法军通信队的缩写TM（Telegraph Military）命名。TM管是一战中被公认为最好的三极管，英国马可尼公司在战后买下其专利进行生产。它采用的管座/插座设计，可轻易分离，是真空管的一大突破，这一架构在欧洲被长期使用。

美国幅员辽阔，对长途电话的需求很大。美国电话电报公司（AT&T）和西屋电气，很早就投入到真空管的相关研究中，并将其触角延伸到了欧洲。西屋电气是一家大公司，同时还参与了最早的有声电影开发和电话制造业。西屋电气最早推出的真空管Audion性能较差，而且每个Audion的规格都不固定。曾在芝加哥大学研究真空管技术，并在西屋电气从事水银弧光灯中继器研究的阿诺博士，看到了Audion的潜力。阿诺博士对Audion做了一系列改造，降低了它的工作温度，使Audion的寿命提升到了1000小时。1918年10月，该成果被用于费城、纽约、华盛顿城市间的电话通信，这是人类首度将真空管运用于商用通信电路中，真空管的编号为Type A。之后西屋电气又推出广为收音机所使用的UV管（Unit Vacuum Tube）。第一个有管座的Type M，用于1915年开放的纽约–旧金山大陆横断电话线路中，寿命约400个小时。1915年推出的Type L灯丝的长度为Type M的两倍长，寿命则延长为4500个小时。一战期间，美国政府责令西屋电气优先开发军用真空管。军用真空管需在严酷的温度变化、震动、电压不稳等环境下工作，西屋电气为此推出了军用管VT-1与VT-2。西屋电气的电话真空管为Telephone Repeater Element，军用真空管则称为Vacuum Tube。

1920年，美国宾夕法尼亚州的匹兹堡市成立了世界上第一家商业无线广播电台——KDKA，引起了很大的反响。西屋电气以Aeriola的品牌投入家用收音机制造。但西屋电气开发的真空管数量不多，美国主要的直热式三极管都是Radiotron，西屋电气在低周波功率管方面技术领先。通用电气公司以制造直流发电机、电动机、汽车引擎等闻名，它介入无线电通信是从高周波发射机入手的。初期的RCA为得到高周波连续功率绞尽脑汁，最初它使用电弧式发射器，但工作不稳定。后来想到利用电力交流发射机，并委托通用电气公司生产，1906年完成的产品只能达到10KHz的频率。不过通用电气公司预见到了发射机的发展前景，于是积极投入，1913年完成了200KHz、数千瓦输出的发射机的生产。

另外，通用电气公司也很快地开发出了真空管，并以Pliotron（希腊语，多的意思）和Kenotron（希腊语，真空之意）为它早期的真空管命名。Pliotron很快就大型化了。1914年，用于67千米长距离小型高周波发射机调变实验成功后，通用电气公司又研发出了200千瓦的大规模调变发射机。

一战期间，通用电气公司把技术加以活用，以克里夫兰的工厂为中心，生产了多种真空管，一战中约生产了20万个，西屋电气生产了50多万个真空管，对军方贡献很大。RCA则后来居上。

一战期间，美国海军征收了原属美国马可尼公司跨大西洋的无线电通讯部门，并致力于扩充其规模，将原来50瓦的高周波发射机改为通用电气公司制造的200千瓦的机器。这部机器由通用电气公司免费提供，对当时的战争起了很大的作用。

一战后，马可尼公司要求军方归还电信部门，并计划在美国、欧洲设立多处据点大展宏图。美国海军得知马可尼公司的企图后，说服通用电气公司买下了美国的马可尼公司。1919年10月美国通用电气公司、AT&T和西屋电气联合创建了RCA，第二年正式并购美国马可尼公司。

1920年，RCA、通用电气公司、AT&T、西屋电气缔结了互相使用专利权的契约——Radio Group，使美国成为真空管研发和生产的大本营。RCA顺利取得了通用电气公司的真空管销售权，同时积极投入无线广播业务，开发家用电器。1921年，RCA推出的纯钨灯丝UV-216，成为一般收音机、留声机的整流专用真空管鼻祖。

1930年，美国实施反垄断法，这几家公司组成的Radio Group宣布解体。

1928年，RCA发布的RCA250成为世界上第一支音响专用管，深受市场欢迎。

1936年，RCA发布了最早的束射管6L6，为业界带来一阵鼓舞。1937年年底，RCA发布输出为4.5瓦的小型6L6，型号为6V6与6V6G，用于一般收音机。

音箱使用的真空管放大器很快成了改良真空管的动力。高品质音响（High Fidelity或Hi-Fi）一词，于20世纪30年代开始流行。此时，美国西方电气公司（Western Electric）的WE300A及RCA的2A3真空管面世。这两支三极真空管，在音响历史上，写下了光辉的一页（见图2-4）。

当时很多人用WE300A制造出了22瓦的大功率放大器。1939年，美国哥伦比亚广播公司为了获得一种宁静的古典音乐回放效果，使用了Lacquer Master刻片技术。1944年，英国人发明了一种被称为FFRR（Full Frequency Range Recording）的全频带录音技术。音响技术从此因真空管放大器而大放异彩。

不同功能的真空管电路的出现

1913年，德国物理学家亚历山大·迈斯纳（Alexander Meissner）发明了真空管反馈振荡电路，此后人们可以通过真空管来产生所需频率的无线电波。迈斯纳研制出了第一批真空管无线电发射器，用以代替电弧式发射机。无线电接收器的灵敏度和可靠性因采用了真空二极管检波器与真空管放大器而大大提高。

1918年，真空管在各类无线电通信和电子设备中得到了普遍应用。无线电通信进入了实用阶段。

1927年，美国工程师哈罗德·布莱克（Harold Black）发明了真空管负反馈电路。1936年，这一电路被运用在电话机的放大线路中。

福雷斯特的真空管放大器是历史上第一个用非机械方式控制电流的装置。福雷斯特的真空三极管促成了近代无线电通信、长途电话、收音机、雷达、电视和电脑的发明。世界从此进入了电子时代。但真空管缺点很多：体积大、功耗大、寿命短、效率低等，这些缺点制约了电子技术的进步。电子工业急需真空管的替代品。