3. 猫胡子侦测器

猫的胡子很重要，猫靠着胡子感知到周围的物体，估计和测量老鼠洞的大小，所以，胡子是猫的探测计量仪器。

很多现在60岁以上的人，在少年时代都玩过矿石收音机（图3.2）。在那个及其简单的、不用电就能收到音乐的、当时看起来像奇迹一般的‘机器’里，就有一个叫做猫胡子侦测器的关键组件。人们用它来侦探什么呢？与猫胡子的功能大同小异，猫用胡子侦测周围的物体，猫胡子侦测器则被用在像矿石收音机这种电磁波的接受器中，侦测电磁波！

电磁波，在现代科技中这个耳熟能详的名词，最早是在1865年，被英国理论物理学家麦克斯韦使用的。1831年，40岁的法拉第提出电磁感应定理的时候，麦克斯韦才刚刚在爱丁堡呱呱落地。人们怎么也想象不到，二、三十年之后，年轻的麦克斯韦和老迈的法拉第结成了忘年之交。

麦克斯韦和法拉第，他们的友谊及合作可算是物理学史上的奇迹。两人的年龄、学历、性格趣味、人生经历完全不同。一个老，一个少；一个出自寒门，一个身为贵族；一个小学水平，一个毕业于名牌大学；一个是数学天才，一个是实验高手。然而，上帝让这两个迥然不同的物理学家相遇、合作、互补，共同打造出了完全不同于牛顿力学的经典电磁理论的宏伟体系。

因为法拉第不懂数学，他天才而深奥的场论思想不为物理理论界所接受。但是，这些想法却深深地影响了麦克斯韦，并且，借麦克斯韦的天才建模能力而融合进了美妙的数学方程中。之后，麦克斯韦又从他自己归纳总结的麦克斯韦方程中，预言了电磁波的存在，为法拉第多年前有关‘光和电磁振动有关’的大胆推测，找到了理论根据。只可惜当时的法拉第已经太老了，没能用实验证实电磁波的存在。

因此，电磁波理论是理论和实验结合而创造的奇迹。遗憾的是，在麦克斯韦预言电磁波的两年之后，法拉第就去世了。麦克斯韦自己呢，也只活了48岁，没有能等到电磁波的实验证实。

第一次用实验观察到电磁波的人，是上一篇提到的发现了光电效应的海因里希·赫兹，时间则是在1887年，麦克斯韦逝世8年之后。

赫兹用两个加上高压交流电的金属小球，进行高压放电，作为电磁波发射器。实验室的另一端，他也安置了两个用导线连在一起的金属小球，作为电磁波的接受器。实验开始了，‘噼噼啪啪、噼噼啪啪……’，发射器发出噪杂的声响，其中加上了高压电的两个小球之间不断地跳过明亮耀眼的火花。这些电火花应该伴随着电磁波的发射，当电磁波传播到房间另一端的接收器的时候，接收器的两个小球之间就也应该跳过电火花。赫兹不停地调整变换他的简单的接收器，目不转睛地看着接受器的金属小球，等待着预料应该发生的事情。也不知道他度过了多少个如此焦急难熬的日日夜夜，才期盼到了那第一个闪烁的火花？

图3.1：赫兹就用如此简单的设备，发现了电磁波。

总之，功夫不负有心人。赫兹最后成功地观察到了接收器收到电磁波后引发的电火花，电磁波就此诞生了！并且，赫兹还正确地算出了它的传播速度，刚好与光速一致，和麦克斯韦、法拉第预言的一样。

赫兹的实验造成了轰动，这个世界从此变得热闹起来，科学家和工程师们趋之若鹜，各种频率的电磁波漫天飞舞。人类可能早就在等待着这一天的到来。从此，科学技术的词典上多了一个名词：无线电！

紧接着，意大利的马可尼和俄国的波波夫分别实现了无线电通讯传输。随之而来的各种无线电技术蓬勃发展，如日中天。

猫胡子侦测器也作为世界上的第一个无线电通讯半导体器件，在20世纪初闪亮登场。

图3.2：猫胡子探测器

不过，猫胡子侦测器的原理，是基于早一些时候的物理研究，具体地说，是基于半导体的第三个特点：整流性。

什么叫整流？就是将具有正反两个方向的交流电变成只在一个方向流过的单向电流。

继法拉第和贝克勒尔之后，1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩（KarlBraun，1850年－1918年），在研究方铅矿，一种硫化铅化合物的导电性质时，发现此类物质的导电性与所加电压的方向有关。在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电了。也就是说，无论它两端的电压是正还是负，电流只能往一个方向流。这种单向导电性，就是半导体所特有的整流性^[1]。

布劳恩刚发现这个半导体特性时，不知道它有什么用处。直到25年之后，首先是印度物理学家玻色（JagadishChandra Bose），第一次将方铅矿晶体的整流性质用来探测电磁波 ^[2]。后来，收音机发明后，美国电机发明家皮卡（G. W. Pickard），实验了成千上万种材料，筛选出几十种整流性特别好的，用硅晶体造出了猫胡子侦测器（cat’s whisker）。皮卡使用硅晶体的整流功能，用于‘检波’，来探测和解调接受到的无线电信号。如此而来，这个世界历史上的第一个半导体器件，也就是后来的点接触二极管，揭开了半导体器件登上历史舞台的第一幕^[3]。

布劳恩也是阴极射线管的发明者，于1909年与马可尼同获诺贝尔物理学奖。

实际上，从图3.2中可见，侦测器中的‘猫胡子’，是一根细细的金属线，通过一个把手，则可改变‘猫胡子’的方向，以及与半导体表面的接触点的位置、压力、接触面积等，犹如猫用胡子探来探去，寻找具有最佳整流功能的点，使接受电磁波也达到最好的效果。

图3.3：整流和检波

半导体整流特性的发现，早于真空管整流特性的发现。但是，真空管很快就主宰了电子通讯时代。发现真空管整流特性，归功于大发明家汤玛斯·爱迪生。

1880年二月的一天，美国东部的新泽西州仍然春寒料峭，爱迪生在实验室里研究如何延长他的碳丝白炽灯的寿命。他试验各种方法，有一次，他在灯泡中多放了一个电极，在玩来玩去的过程中，却意外地发现了一个奇怪的现象^【4】。见图3.4。

图3.4.爱迪生效应

爱迪生发现，如果在灯泡新加的电极上，加上正电压，电极和碳丝之间便有电流通过，如加上负电压，便没有电流，这和几年前布劳恩在半导体上发现的整流性类似，这个现象之后被称为爱迪生效应。再后来，约翰·弗莱明1904年在此基础上制造出真空二极管，美国另一个发明家（LeeDe Forest）进一步发明了第一个真空三极管，揭开了真空电子管无线电通信的新篇章。

第二次世界大战加速了电子工业的发展，尽管大多数通讯器件都是使用真空管，但战争中双方的竞争也促进了各类半导体器件的开发。除了检波器和整流器应用了半导体的整流性之外，利用半导体的光敏性，制成了各种光电池。根据半导体的热敏性，则发明了各种红外探测器，被双方用于侦探飞机和船舰。

从1833年法拉第第一次发现半导体的特殊性能之后，到第二次世界大战结束，经过了一百多年，沉睡的硅美人终于睁开了她美丽的双眼。

参考资料：

【1】K.F. Braun: Onthe current conduction in metal sulphides (title tranlated from German intoEnglish). Ann. Phys. Chem., 153 (1874), 556. (In German)

【2】Bose, JagadisChunder, "Detector for electrical disturbances", published September30, 1901, issued March 29, 1904。

【3】Pickard,Greenleaf Whittier, "Means for receiving intelligence communicated byelectric waves", published August 30, 1906, issued November 20, 1905。

【4】U.S. Patent307,031

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