liwen01 2025.01.05
前言
半导体的前身是真空管，在集成电路被发明前，真空管被广泛应用于收音机、电话、无线电、雷达、电视、电子计算机等电子设备中。
真空管也叫电子管，在不同的资料中称呼可能不一样，这里我们统称为真空管。
因为翻译的原因，Triode 三极管实际指代的是真空三极管，而不是我们现在使用的晶体三极管。在了解半导体前有必要对真空管有一个简单的了解。
(一)真空二极管
(1)爱迪生效应
1879年爱迪生发明了电灯泡，但是早期的电灯泡使用时间长了之后，外面的玻璃容易变黑，从而导致电灯泡的亮度变低，爱迪生认为是部分灯丝碳化后的烟尘覆盖在了玻璃上。
为解决电灯泡玻璃变黑的问题，爱迪生尝试将一铜片安装在电灯泡里面，以尝试阻挡灯丝高温碳化后的烟尘。在试验的时候却发现了奇怪的现象：在电灯泡亮了一段时间之后，用来阻挡烟尘的铜片产生了单向的电流。而铜片是位于玻璃真空管内部，与带电的灯丝之间应该是绝缘的才对。
爱迪生无法解释铜片产生单向电流的原因，他周边的其它科学家也无法给出合理的解释。专注于新发明和实际应用的爱迪生无暇顾及电灯泡里的这个现象，习惯性地申请了一个专利后，他就将它忘在脑后了。
后来人们称这一现象为爱迪生效应，或者是 真空电子发射效应
爱迪生效应原理
后来在其它科学家的探索中我们知道：在真空管中，当电流通过阴极(灯丝)时，它会使灯丝变热。根据热电子发射原理，阴极的温度升高到一定程度时，灯丝表面的电子会获得足够的能量克服金属表面的势垒(也就是逸出功)，从而被释放到真空中,这个过程称为热电子发射。
可以简单理解为：灯丝通电受热后，灯丝原子中的电子逃逸出去，飞向了铜片，从而产生了单向电流。
(2)弗莱明阀(真空二极管)
受爱迪生效应的启发，弗莱明在1904年发明了最早的真空二极管，也被称为弗莱明阀
在弗莱明阀中，靠近灯丝端是阴极，在原来铜块的位置是阳极。
当外部加一个反向的电源，如下图(a),铜片处是带负电，与正极间形成一个电场，灯丝加热后，溢出的电子受到电场力的作用，朝外部电源的正极移动，所以外部电源断开，不能导通。
当外部接一个正向的电源时(上图b)，铜板与灯丝间的电场反向,灯丝加热后溢出的电子在电场力的作用下，往铜板的方向移动，这时，整个电路导通。
这就是最早的真空二极管，具有单向导通的作用。
(3)二极管检波
在20世纪初真空管刚发明的时候，还没有长途电话、收音机、电视机和计算机这些东西，在赫兹通过试验验证了电磁波的存在后，人们才开始尝试使用无线电磁波进行通信的试验。
无线信号的载波信号一般都是高频信号，因为高频信号传输效果比低频的好。比如现在调幅(AM)广播的频率一般是153 kHz~26.1 MHz，调频(FM)广播的频率是87.5 MHz ~108 MHz，而人耳能听到的声音频率只有 20Hz ~ 20kHz。
无线电在发送的时候，是将声音的低频信号与载波的高频信号进行调制，使发送的无线信号中带有声音信息，这个过程叫信号的调制。
以调幅广播举例，收音机天线接收到高频交变的无线信号之后，先是利用二极管的单向导通性，将信号的负半部分去除，就变成了单向的脉冲直流信号。在这之后，再通过电阻和电容组成的低通滤波电路，就可以得到调幅广播的低频信号了，这个就是声音的信号了。 这个过程实际上也就是无线电的解调过程。
早期人们是使用金属屑检波器进行检波，但它的开关速度很慢，效果不好。而真空二极管里面没有机械部分，电流纯靠电子的流动，因此开关速度比金属屑检波器快很多。
(4)二极管整流
在上面检波的过程中，我们是直接把交变信号中的负半部分去除了，如果是要将交流电转换为直流电，这样其实是把一半的电能丢弃掉了。
为了可以尽可能地完整使用交流电中的所有电能，可以使用二极管桥接成一个整流电路
上图左边输入的是交变电流
- 在(a)图中，输入电流从上边正极向右到达D点，由于二极管的单向导通性，它只能通过D2到达A点，经过负载电灯到达B点，再经过D3二极管到达C点后回到电源的负极，形成一个环路。
- 在(b)图中，输入电流从下边正极到C点，经过D4二极管到达A点，经过电灯负载到达B点再经过D1二极管到达D点回到电源的负极形成一个环路。
对于负载灯泡而言，不管外部输入的是交变电流的正半部分还是负半部分，电流都是从A流向B，从而实现了电能的全部使用。
(二) 真空三级管
在二极管的基础上，在铜板与灯丝之间插入一个带电的栅格，也就是一个带孔的网格，这样就变成了一个真空三极管。
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。
(1) 三极管工作原理
当栅格的电极为负的时候，它对灯丝逃逸出来的电子有个反作用力，可以抑制电子往铜板的方向逃逸，当这个电场力足够大的时候，它可以阻断外部电源电流的流通。
当栅格的电极为正的时候，它对灯丝逃逸出来的电子有个吸引的作用力，可以加速灯丝电子的逃逸。
因为电子逃逸的动能很小，所以实际上只需要很小的一个电信号就可以控制外部电源的电流大小，这就实现了真空三极管的放大功能。
因为栅格信号实际影响的是电子，所以它的响应速度与真空二极管一样，都非常快。
(2) 三极管结构
实际使用的真空管，并不是直接使用灯丝加热让灯丝上的电子逃逸，而是在里面设置一个专门用来加热的器件，也叫旁热式真空管。
上面这个是真空三极管的剖面图：
- 最中间的是一个加热丝，用于加热阴极
- 加热器外面就是阴极，加热后会逃逸出电子
- 阴极外面一层是栅极，用于控制电子的运动
- 栅极外面是阳极，用于接收电子
- 最外层是玻璃管，将里面的空气抽走，形成真空状态。
(3) 三极管应用
真空三极管被发明之后，被广泛应用于收音机、电视机、无线电报、音响以及早期的电子计算机中，它主要作用是开关和信号放大。
无线信号或是长途电话，在通过远距离的传输后，信号会衰减，变得很微弱。通过三极管的放大功能，可以将信号进行放大和还原，从而使无线通信和长途电话技术变为可能。
(三)真空管的局限
随着电子设备功能的逐渐复杂，真空管的缺点也逐渐地变得明显：体积大、重量重、功耗高、易损坏、寿命短、温度高。
1945 年美国建成了第一台电子计算机 ENIAC，它使用了 18000 个真空管，重量达到了 27 吨，占地28平方，功率达到 150KW，它主要用于军方的弹道和其它武器相关的复杂计算。
因为真空管需要预热之后才能被使用，而当时真空管材料的应力不够，导致真空管容易损坏，ENIAC 这一万多个真空管，基本上每天都会有几个被烧坏。结果就是 ENIAC 的一半时间在工作，另外一半时间是在维修。
而这台电子计算机每秒只能够执行 5000 次加法运算或是 357 次乘法运算，脉冲信号频率也只有 100 kHz。现在任意一个物联网设备的计算能力应该都比它强。
真空管的缺点限制了复杂电子设备的发展，二战后美苏进入冷战阶段，开始军备和太空竞赛。军方急需稳定、可靠、质量轻便的器件来代替真空管，这也就给半导体的发展创造了机会。
在20世纪五十年代，人类刚开始太空探索，据说每增加 1Kg 卫星的重量，火箭就要增加1吨的燃料。那时，军方只关注电子器件的体积、功耗、和稳定性，而无关乎价格和成本。这也就为后来的晶体管和集成电路的发展提供了市场需求和资金来源。
结尾
真空管被广泛地使用在早期的无线电、收音机、电视、电子计算机、雷达等电子设备上。在有了美国军方市场和资金的支持下，美国半导体技术也得到了快速的发展，最后真空管逐渐地被晶体管所替代。
下一篇我们将介绍半导体技术的关键 PN结 和晶体二极管。