集成电路发展进程 - 真空电子三极管

1877年托马斯?A.爱迪生（Thomas A. Edison,1847-1931年）发明的电灯从某种意义上讲是人类进入现化社会的标志。

1883年，爱迪生为提高电灯泡性能和使用寿命，正通过实验在苦苦寻找zui佳灯丝材料。yi次实验中，他在抽成真空的电灯泡内部碳丝附近安装了一小段铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发，以期延长灯丝使用寿命，遗憾的是实验失败了。但实验中一个一瞬即逝的现象却引起了他的注意。

就是那一小段没有连接在电路里的铜丝，却意外地被电流表检测到了与之相连的金属片中有微弱电流通过，在进一步的试验中，爱迪生发现只有当金属片与电源的正极相连时才会产生电流，反之则不会。发明家所特有的耐心、细心和敏锐驱使他把这一现象详细地记在笔记上，并且依照他的直觉，他认为，这个发现或许以后可以用来制成电流计、电压计等实用电气仪表，为此他把这个发现以“电检测器”的名义申请了zhuan利。这种现象因而被人们称之为“爱迪生效应”（Edison effect）。

1884年，英国发明家约翰?A.弗莱明（John A. Fleming,1864年-1945年）远涉重洋来到美国，专程拜会慕名已久的爱迪生，会面中，爱迪生再次演示了“爱迪生效应”，遗憾的是，由于当时知识的局限，机理尚未搞明白，这个伟大的开端仅仅停留于两人交谈的话题中。

时间来到1897年，英国物理学家约瑟夫?J.汤姆生（Joseph J. Thomson,1856-1940年）做了一个历史性的实验。汤姆生在一个真空管中放置了一个加热的阴极和一个阳极，并在两者之间施加一个高压电场。他观察到从阴极射出一束带负电荷的粒子流（后来被称为阴极射线），并且这些粒子可以被外加的电场或磁场偏转。通过测量粒子流的偏转角度和强度，汤姆生计算出了这些粒子的质量和电荷比，并得出了一个惊人的结论：这些粒子比氢原子还要轻得多，而且都带有相同数量的负电荷。

汤姆生认为，这些粒子就是构成原子的基本单位，也就是我们今天所说的电子。他把这个发现称为“汤姆生效应”，并因此获得了1906年诺贝尔物理学奖。汤姆生效应不仅证明了原子具有内部结构，而且揭开了物质微观性质和宏观性质之间联系的新视角。

科学家用电子来解释“爱迪生效应”的原理，发现原来是电子从加热的灯丝表面逃逸，被连着金属片的那段铜丝捕获的结果。让我们还原一下上面的实验，当金属片连接电源正极，由于电子带负电，异性相吸，连接金属片的铜丝便会接收到来自灯丝的电子，进而在金属片那端就被检测到有电流通过。反之，当金属片连接电源负极，电子带负电，同性相斥，连接金属片的铜丝便不会接收到来自灯丝的电子，金属片也就检测不到有电流通过了。至此“爱迪生效应”在电子学上有了一个zhuan业的名称——热电子发射（Thermionic Emission）。

汤姆生效应让人们对爱迪生效应有了新的认识：原来从加热阴极表面释放出来的就是电子！那么，能不能利用这些电子来实现一些有用的功能呢？1904年，英国发明家约翰?A.弗莱明给出了肯定的答案。

约翰?弗莱明正在为马可尼公司设计无线电接收机，在他为马可尼公司设计检波器时，想到可以利用“爱迪生效应”进行包络检波。他利用“爱迪生效应”并结合热电子发射原理，在一个和爱迪生发明的电灯泡类似的抽成真空的玻璃管内部安装了两个电极，一个用灯丝加热，一个是冷的金属片，热的电极被称为阴极（Cathode），冷的电极被称为阳极（Anode）,这样就构成了一个有两个电极的真空二极管。当阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，电子就从灯丝跑到金属片那端，真空二极管导通，反之真空二极管不导通，其效果相当于一个单向开关，所以真空二极管起到的作用就是单向阀门，人们称之为“弗莱明阀门”。这是人类历史上di一只电子器件，我们知道，二极管具有单向导通特性，弗莱明将此项发明用于无线电检波，并于1904年11月16日在英国取得zhuan利。 

弗莱明发明的这只真空二极电子管与爱迪生那只封入铜丝的碳丝灯泡相比，几乎同出一辙，然而弗莱明的真空二极电子管在科学技术史上的意义却远远超过爱迪生的那只电灯泡。真空二极电子管的发标志着人类进入了无线电时代。真空二极电子管发明后主要用作检波器件，但是早期中其性能很不稳定，直到高真空电子管发明后，它才获得普遍应用。

“注解”——爱迪生的一生有两千多项发明，但作为科学发现，却只有这一项。由此，能不能体会出，发明与发现的不同，在英文中，这也是两个不同的名词，更加明确的名词是科学发现与技术发明的不同。

1906年的某一天，美国发明家李?德弗雷斯特(Lee deForest，1873-1961年)突然间脑洞大开，在真空二极管的灯丝和金属片这阴阳两极之间增加了一根波浪形的金属丝(后来金属丝被改成金属网 )作为第三极，这个增加的第三电极被称为栅极(Grid )，这样加上原来的阴极、阳极，真空玻璃管内就有了三个极，不要小看这增加的第三极，这下石破天惊，推动计算机等电子设备不断发展的电子领域一代天之骄子真空电子三极管横空出世。试验中，德弗雷斯特惊讶地发现，波浪形金属丝被装入真空管形成第三极后只要把一个微弱的变化电压加在它上面，就能在阳极接收到更大的变化电流而且电流变化与第三极所加电压变化成正比关系。德弗雷斯特实验中发现现象正是三极管的“放大”效应。为了进一步证实这个发明有实际应用价值。

1912年，德弗雷斯特来到美国加利福尼亚州旧金山附近的帕罗奥多小镇，在爱默生大街 913 号小木屋里反复进行着各种试验。一天，德弗雷斯特做个试验，他把几个真空电子三极管以上一个三极管的输出作为下一个入的方法串联起来，然后把一个电话机话筒接入di一个三极管的第三极(级 )，再把zui后一个真空电子三极管的阳极与耳机相连。一切就绪，当他把自己的手表放在话筒前方时，原本手表微弱的“嘀嗒”声几乎把戴着耳机的他的耳朵都快震聋了。成功了!真空电子三极管特性得到论证，并被第yi次证实可以用作电信号放大器，一个划时代的人类革新大幕被徐徐拉开。

今天人们如果来到帕洛阿托小镇爱默生大街 913 号，一定可以见到在德弗雷斯特故居前以帕洛阿托市政府名义竖立着一块小小的纪念牌，牌上书写着一行文字:“李?德弗雷斯特在此发现了电子管的放大作用”，以此来纪念这项为新兴电子工业奠定基础的伟大发明。更值得一提的是，如今帕洛阿托小镇所在的美国加利福尼亚州旧金山湾区，已发展成为与现代人类社会进步息息相关的、闻名quan球的半导体集成电路产业圣地---硅谷 (Silicon Valley)。

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