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4.德福雷斯特发明真空三极管 精选

已有 4588 次阅读 2021-8-21 00:10 |系统分类:科普集锦




《芯片简史系列》

续前:3.弗莱明的“阀门”——真空管时代



无线电通信问世后,立刻就发挥了作用。1904年,日俄战争爆发,俄罗斯太平洋第一舰队在黄海附近被日本摧毁。俄罗斯紧急调集了太平洋第二舰队,准备先前往海参崴进行补给,然后再跟旅顺港附近的日本海军决一死战。时间紧迫,第二舰队抄近道穿越日本西南方的对马海峡。日本巡洋舰“信浓丸”号在5月26日的夜晚侦查到了俄罗斯舰队在明亮月光下的身影。


“信浓丸”号上安装了从马可尼公司进口的无线电发报设备。舰长立即给日方指挥部发送了一条电报,告知“203海区发现敌舰队”。随后89艘日本军舰赶来,对俄罗斯舰队迎头一击,21艘军舰被击沉,而日方仅损失了3艘小型鱼雷艇。俄罗斯太平洋第二舰队几乎全军覆灭,日本从此成为区域的军事霸主。


时间来到1912年4月,泰坦尼克号从英国出发驶向大西洋彼岸的美国,不幸在夜晚撞上了冰山。幸好船上安装了无线电发报装置,并且有马可尼公司的两位电报员,他们立刻发出求救信号,附近的一艘船只收到信号后及时前来,营救了700多人。泰坦尼克号上的发报员直到最后一刻仍在不停发出求救信号。但是遗憾的是,离泰坦尼克号最近的一艘“加州人号”却没有赶来营救,因为就在泰坦尼克号发出电报10分钟前,这艘船上的无线电报员下班了。

 

弗莱明发明二极管后,通信中仍有一个问题需要解决,那就是远距离传输后,信号衰减,无法正常接收。当时美国电话电报公司开通了长途电话业务,但是随着距离延长信号逐渐衰减,长途电话线最多从纽约延伸至美国中部的丹佛。


美国电话电报公司拥有贝尔的电话发明专利,以此技术占据了绝大部分电话市场。但是当专利有效期结束后,各地纷纷涌现许多新的电话公司,利用失效的专利技术抢占市场,美国电话电报公司的份额急剧下降,这家巨头公司经历了一场严重的危机。如何在激烈的竞争中存活下来?公司急需拿出一样新技术,开辟新领域。


公司请来了费尔作为总裁,他决心将长途电话线从美国东海岸跨越整个大陆一直延伸到西海岸,一举领先对手。但如何才能解决信号长途传输后衰减的问题呢?他们注意到纽约的发明家德福雷斯特新发明的三极管。它跟上面讲到的二极管有点相似。

 

真空二极管有两个电极,电子从阴极流向阳极。德福雷斯特琢磨如何改进这个器件。不知从哪里来的灵感,他在阴极和阳极之间额外加了一根形如木栅栏的铜丝作为电极(称为栅极)。栅栏状的铜丝有空隙,理论上它不会挡住逃逸的电子奔向铜片,阴极和阳极之间应当仍然有电流。


但是当他给这个中间的铜丝施加一个负电压时,奇妙的事情发生了,阴极和阳极之间的电流随之减少了。反之,如果在中间电极上施加一个正电压,电流就增加了。

 

进一步,德福雷斯特发现,只要交替地在中间电极上施加负电压、正电压,就会发现阴极和阳极之间的电流减小又增大,如此往复。这个新玩意最神奇的地方——也是它最关键的一个特性是:只要轻微改变中间极上的电压,阴极和阳极之间的电流就会很大幅度地变化。这就像跟一个孩子做了鬼脸,小孩也模仿着做了个更夸张的鬼脸,于是就将一个交变信号的变化幅度放大了。

 

德福雷斯特就这么发明了非常重要的三极管。现在我们知道,在铜丝栅极上施加负电压,它会排斥负电子,导致电流减小。反之施加正电压,则会吸引更多的负电子逃逸出来,令电流增加。栅极上的微小信号变化引起阴极和阳极之间很大的信号变化,实现了信号放大。德福雷斯特不知道,他的小小举动即将引发一场巨大的通信变革。

 

美国电话电报公司看上了德福雷斯特发明的三极管技术,他们意识到当微弱的电话信号到达中继站后,三极管可以将其放大,继续朝下一个中继站传播。这个技术对于公司的长途电话业务意义极大,于是出价 5万美元买下了三极管发明专利,并投入人力改进,应用于自家的长途电话系统里。


1915年,美国电话电报公司的长途线路成功应用了三极管放大技术,一直向西延伸到了西海岸,长达3400英里,在匹兹堡、奥马哈和盐湖城等地均设有中继站。横跨美国大陆的长途电话开通那天,公司邀请了元老贝尔和华生,一位在纽约,一位在旧金山,两人在电话中致敬了当年的经典对话。贝尔拿起话机说,“华生先生,请到我这儿来,我需要你!”。远在大陆另一头的华生回答道,“可是贝尔先生,坐火车到你那儿将花费整整5天时间!

 

现在,我们无论怎么赞美三极管的发明都不为过,一方面三极管能实现放大,应用在长途电话、无线通信、收音机、电视机等领域;另一方面如果在铜丝栅极施加一个很大负电压,那么电流就中断了,这样就实现了开关。只要把开通和关断当做0和1两种状态,那么我们就能表示二进制,从而实现一台电子计算机!


1946年美国宾夕法尼亚大学用真空管研制出第一台电子计算机ENIAC,它使用了18000多个真空管,占地9米宽15米长,每秒能运行5000次计算,大大超过了手动计算和继电器制作的计算机。但是,缺点也是显而易见的。它一旦启动运行每小时时消耗150千瓦,必须使用专门的电力供应。而且每过15分钟就会有一个真空管因过热而爆掉,维护人员要再花15分钟找到它并替换掉。当时有人认为全世界最多需要5台这样的电子计算机就够了。后来IBM为哈佛大学制了一台真空管计算机,有500英里长的电缆和300万个电接头。


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真空管做的第一台计算机ENIAC


当时没有人能想到,ENIAC这样的庞然大物居然有一天能够缩小到指甲盖那么大,这一切靠真空管是不可能的,要靠一种完全不要玻璃罩的新型电子器件。而贝尔实验室的主管凯利,早在1930年代就预见到了三极管会遇到这些瓶颈,所以才招募了肖克利等人展开一种全新的半导体晶体管,因为半导体是一种极有希望实现电子开关的材料。它的导电能力介于导体和绝缘体之间,给它施加不同的电压,就能控制它在导通和绝缘两种状态之间切换,实现开和关。因为不需要任何机械装置,也不需要对灯丝预先加热,所以半导体开关速度极快,而且没有玻璃管,体积小。


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用晶体管制作的同样功能的芯片 (Wikipedia)


 

到目前,我们知道了晶体管的前身是真空管,后者则来自于人类对电磁现象的深入研究,人类对于交流的渴望导致了无线电、长途电话等技术的发展,而真空二极管和三极管的发明开创出了无线电通信、收音机、电视机和计算机等划时代的产品。


19世纪已经出现了基于半导体材料的猫须整流器件和硅整流器,但是由于稳定性和灵敏度的原因没有发展起来,被真空管抢占了风头,一时间人们几乎遗忘了对半导体的研究。


但随着时间推移,真空管疲态渐露,体积大、发热高,无法继续缩小。进入到20世纪30年代,部分受到战争的迫切需求,美国、英国和德国等国的科学家又返回头来重新认识研究半导体的特性。


 

那么这种半导体到底有什么神奇之处呢?从名字上看,半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质。但半导体的特殊之处不在于此,而是有一些跟普通导体截然不同的性质。


首先,半导体的电阻会随着温度升高也减小,这是1833年英国物理学家法拉第(M.Faraday)在研究一种硫化银的半导体时发现的,这个特性跟金属的电阻随温度升高而增加的性质刚好相反。


其次,半导体还有一种光电导特性,即光照可能会引起内部载流子流动。1873年英国电气工程师史密斯(W.Smith)发现当有光照射到半导体硒上时,它的电阻会减小。


还有,1839年法国物理学家贝克勒尔(A.E.Becquerel)发现光照射在电解液上时,浸入在电解液中的两个电极片上就会产生光电压(即光伏)。这两个特性也是其他材料所没有的。


最后,半导体还有一种整流特性。1874年,德国物理学家布劳恩(K.F.Braun)发现两种不同材料(例如金属和它的氧化物)的接触面上施加不同方向的电压,会在一个方向上得到很大的电流而在相反的方向上几乎没有电流,这就是所谓的整流现象。在当时的人看来,这颇令人费解,它似乎不遵守欧姆定律。


简言之,这个半导体有许多无法解释的特性:负的温度系数、光电导效应、光伏效应和整流效应。

 

为了研究半导体内部的导电规律,人们找到了一个利器,那就是1879年美国约翰·霍普金斯大学的一名24岁的研究生霍尔(E.H.Hall)发现的“霍尔效应”:直线运动的电荷能被垂直于运动方向的磁场折弯。根据电荷弯曲的方向,就能判定电荷的极性是正还是负。此外根据霍尔效应还能计算出电荷的密度以及电荷在电场中移动的速率(迁移率)。这样即使人们无法进入导体内部也能够方便测量它的性质。


如果用霍尔效应测量金属中的电流,人们就会根据电荷折弯的方向轻易地判定这是一种负电荷。但是当研究人员测量某些半导体(如氧化铜)时却发现,电荷朝着相反的方向折弯,表明这是一种正电荷。那么是哪种正电荷呢?恐怕只有带电的原子核(即正离子)了。


但是根据测量到的粒子迁移率,很快排除了质量较大的正离子。这意味着只剩下一种荒谬的可能:这是一种正电子(positron)。那时人们根本不会想到世上还存在一种带正电的准粒子——“空穴”。


诡异的是,对于另外一些半导体(如氧化锌),霍尔效应却显示它里面流动的是一种带负电的粒子。事情变得如此扑朔迷离,人们很难搞清楚这些半导体现象背后的原因。

 

  从十九世纪法拉第发现半导体硫化银的负温度特性,到人类真正解开半导体内部的规律并发明了半导体晶体管,人类走过了一百余年,其间经历了许多误解、冷落和反复。虽然看起来半导体只是物理学中一个小分支,但要真正理解半导体内部的机制,离不开人类对基本物质的深刻理解,包括“世界是由什么构成的”这类大问题。


  让我们把目光返回到20世纪初期,那时几位年轻才俊不顾前辈警告,推翻了经典物理中对物质和原子的认识,勇敢地掀开了原子内部的量子世界的秘密。基本粒子特性的研究持续了三十多年,过程曲折,并最终在20世纪30年代引向了半导体内部的工作机理,使人们第一次知道了绝缘体、金属和半导体的区别。随后又经历了十多年终于发现了半导体晶体管中的放大效应。






未完待续... 
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