電燈泡是人類文明的重要象征，它為我們的生活帶來了光明和便利。但是你知道嗎？在電燈泡的背后，隱藏著一個(gè)關(guān)于熱電子發(fā)射和真空管的精彩故事，它們不僅揭示了電子的奧秘，還開啟了電子時(shí)代的大門。
愛迪生效應(yīng)：一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)
我們知道，燈泡上的球形玻璃燈罩是為了保護(hù)燈絲不被氧化。但是愛迪生發(fā)現(xiàn)，燈泡用久之后玻璃球殼上會(huì)有一層黑色的東西。他很好奇這是什么東西？想了想之后覺得可能是燈絲上的一些雜質(zhì)被電流加熱后蒸發(fā)出來，然后沉積在玻璃球殼上。
為了驗(yàn)證他的猜想，他在燈泡中加入了一個(gè)不與碳絲接觸的金屬片，希望它能吸收一些碳絲蒸發(fā)出來的物質(zhì)。然而，他意外地發(fā)現(xiàn)，在加熱燈絲時(shí)，在金屬片和碳絲之間接上電流表，竟然能檢測(cè)到微弱的電流。
這在當(dāng)時(shí)是一件不可思議的事情，難道電流能從空中飛渡嗎？事實(shí)上，愛迪生發(fā)現(xiàn)了熱電子發(fā)射的現(xiàn)象，但他當(dāng)時(shí)并不明白它的原理，沒有深入地研究它。他只是把它作為一個(gè)副產(chǎn)品，用來測(cè)量燈泡的功率。他把這個(gè)現(xiàn)象叫做“愛迪生效應(yīng)”，并且申請(qǐng)了專利。
湯姆遜效應(yīng)：電子的誕生
在愛迪生發(fā)現(xiàn)這個(gè)效應(yīng)之后的十幾年里，人們并沒有對(duì)它進(jìn)行深入的研究和利用。直到 1897 年，英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫?約翰?湯姆遜做了一個(gè)歷史性的實(shí)驗(yàn)，揭示了愛迪生效應(yīng)背后的秘密。
湯姆孫在一個(gè)真空管中放置了一個(gè)加熱的陰極和一個(gè)陽極，并在兩者之間施加一個(gè)高壓電場(chǎng)。他觀察到從陰極射出一束帶負(fù)電荷的粒子流（后來被稱為陰極射線），并且這些粒子可以被外加的電場(chǎng)或磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。通過測(cè)量粒子流的偏轉(zhuǎn)角度和強(qiáng)度，湯姆孫計(jì)算出了這些粒子的質(zhì)量和電荷比，并得出了一個(gè)驚人的結(jié)論：這些粒子比氫原子還要輕得多，而且都帶有相同數(shù)量的負(fù)電荷。
湯姆孫認(rèn)為，這些粒子就是構(gòu)成原子的基本單位，也就是我們今天所說的電子。他把這個(gè)發(fā)現(xiàn)稱為“湯姆孫效應(yīng)”，并因此獲得了 1906 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯姆遜效應(yīng)不僅證明了原子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且揭開了物質(zhì)微觀性質(zhì)和宏觀性質(zhì)之間聯(lián)系的新視角。
弗萊明效應(yīng)：真空管的誕生
湯姆孫效應(yīng)讓人們對(duì)愛迪生效應(yīng)有了新的認(rèn)識(shí)：原來從加熱陰極表面釋放出來的就是電子！那么，能不能利用這些電子來實(shí)現(xiàn)一些有用的功能呢？1904 年，英國(guó)物理學(xué)家約翰?安布羅斯?弗萊明給出了肯定的答案。
弗萊明曾經(jīng)是愛迪生公司在英國(guó)分部的首席工程師，并參與過改進(jìn)碳絲燈泡和無線電通信設(shè)備等項(xiàng)目。他注意到，在無線電接收器中使用普通二極管整流器（由兩個(gè)相反方向連接在一起的二極管組成）會(huì)產(chǎn)生很大的信號(hào)損失，于是他想到了利用愛迪生效應(yīng)來改進(jìn)整流器的性能。
他在一個(gè)真空玻璃管內(nèi)封裝了兩個(gè)金屬片，一個(gè)作為陰極，另一個(gè)作為陽極。他給陰極加上直流電壓，使其加熱并發(fā)射電子；給陽極加上高頻交流電壓，使其在正負(fù)半周分別吸引和排斥電子。這樣，當(dāng)交流電通過這個(gè)裝置時(shí)，就被變成了直流電。
弗萊明把這種裝有兩個(gè)電極的管子叫作真空二極管，它具有整流和檢波兩種作用，這是人類歷史上第一只電子器件。弗萊明將此項(xiàng)發(fā)明用于無線電檢波，并于 1904 年 11 月 16 日在英國(guó)取得專利。
電子三極管：放大器的誕生
弗萊明的真空二極管雖然具有整流和檢波的功能，但是它不能放大信號(hào)，因?yàn)樗挥袃蓚€(gè)電極，無法控制電子流的大小。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，人們開始嘗試在真空管中增加一個(gè)電極，從而改變電子流的路徑和強(qiáng)度。這就是電子三極管的由來。
電子三極管是由美國(guó)物理學(xué)家李?德富雷斯特于 1906 年發(fā)明的，他在弗萊明的真空二極管中加入了一個(gè)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為第三個(gè)電極，稱為柵極。柵極位于發(fā)射極和集電極之間，可以對(duì)發(fā)射極發(fā)射出的電子流進(jìn)行調(diào)制和控制。當(dāng)柵極加上負(fù)電壓時(shí)，它會(huì)阻礙或減少電子流到達(dá)集電極；當(dāng)柵極加上正電壓時(shí)，它會(huì)促進(jìn)或增加電子流到達(dá)集電極。這樣，通過改變柵極的電壓，就可以控制集電極的電流。
德富雷斯特把他的發(fā)明稱為 Audion，并將其用于無線電接收和放大。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柵極接收到一個(gè)微弱的交流信號(hào)時(shí)，集電極就會(huì)輸出一個(gè)幅度更大的交流信號(hào)，而且兩者之間的相位和波形保持一致。這就是信號(hào)放大的原理。德富雷斯特將此項(xiàng)發(fā)明用于無線電話、無線報(bào)和廣播等領(lǐng)域，并于 1907 年 1 月 29 日在美國(guó)取得專利。
德富雷斯特的 Audion 雖然具有放大功能，但是它還存在一些缺陷，比如輸出功率低、失真高、噪聲大等。為了改進(jìn) Audion 的性能，人們開始對(duì)其結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。例如，在 1913 年，美國(guó)工程師歐文?朗繆爾在 Audion 中加入了一個(gè)水冷系統(tǒng)，使得真空管能夠承受更高的溫度和壓力，并提高了輸出功率；在 1915 年，英國(guó)工程師羅伯特?馮?里博夫斯基在 Audion 中使用了氧化物陰極，使得發(fā)射效率更高，并減少了熱噪聲；在 1916 年，美國(guó)工程師埃德溫?阿姆斯壯在 Audion 中使用了負(fù)反饋回路，使得失真更低，并提高了穩(wěn)定性。
經(jīng)過這些改進(jìn)后，電子三極管成為了一種性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的放大器。它不僅用于無線通信、廣播和電話等領(lǐng)域，還用于音響、儀器、計(jì)算機(jī)和雷達(dá)等領(lǐng)域。它也催生了一系列新型的真空管器件，如四極管、五極管、六極管等。直到 20 世紀(jì) 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，電子三極管才逐漸被替代。
晶體管：半導(dǎo)體的革命
電子三極管雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它也有一些缺點(diǎn)，比如體積大、功耗高、壽命短、工作頻率低等。為了克服這些缺點(diǎn)，人們開始尋找一種新的放大器，能夠更小、更省電、更耐用、更快速。
晶體管是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰?巴丁、威廉?肖克利和沃爾特?布拉頓于 1947 年發(fā)明的，他們利用了半導(dǎo)體材料的特性，將兩個(gè)或三個(gè)不同摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域連接在一起，形成了一種新型的放大器。晶體管有兩種基本類型，分別是雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。雙極型晶體管有兩種結(jié)構(gòu)，分別是 NPN 型和 PNP 型。場(chǎng)效應(yīng)晶體管也有兩種結(jié)構(gòu)，分別是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
晶體管的工作原理與電子三極管類似，都是利用一個(gè)小信號(hào)控制一個(gè)大信號(hào)。不同的是，電子三極管是利用柵極上的電壓控制發(fā)射極到集電極之間的電子流，而晶體管是利用基極上的電流控制發(fā)射極到集電極之間的電流（雙極型晶體管），或者利用柵極上的電壓控制源極到漏極之間的電流（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。晶體管相比電子三極管有很多優(yōu)勢(shì)，比如體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、工作頻率高等。
晶體管的發(fā)明引發(fā)了一場(chǎng)半導(dǎo)體技術(shù)的革命，它不僅取代了電子三極管在無線通信、廣播和電話等領(lǐng)域的應(yīng)用，還開拓了計(jì)算機(jī)、微波通信和衛(wèi)星導(dǎo)航等新領(lǐng)域。它也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。
本文來自微信公眾號(hào)：萬象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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