真空三极管的发明历程——电子帝国的源头

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真空三极管

李·弗雷德斯特

  1906年,一位穷困潦倒的美国发明家李·德福雷斯特,在尝试研制一种用于无线电检波的电管时,突发奇想,在管中加了一根导线。

  很少有人能够想到,这根小小的导线,竟影响到20世纪电子技术的发展进程,因为它,德福雷特斯发现了电子管的放大作用,此即真空三极管的发明。真空三极管使人类第一实现了电信号的放大,为无线电话通信奠定了基础。它的诞生,是人类通向信息时代之路上划时代的大事。当年,德福雷特斯曾自豪地宣称:“我发明了空中帝国的王冠。”德福雷特斯所说的“空中国”指的是无线电,而王冠就是真空三极管。

爱迪生的灯丝

  1888年,德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在,在科学界引起了轰动。一些有远见的科学家意识到,电磁波有可能成为传递信息的无形信使,于是纷纷投入到电磁波通信的研究中。

  1894年,意大利的马可尼读了赫兹写的一篇关于电磁波实验的文章,大受启发,他用银粉末和镍粉末制成了金属屑检波器,经过数月的实验,成功发明了无线电接收机,接收到了140米之外发出的无线电信号。此后,马可尼又陆续对无线电接收机进行了改进,扩展了电磁波的传送距离。1901年,马可尼成功地进行了横跨大西洋的无线电通信实验,振奋了全世界,而无线电通信公司也纷纷在各国成立,开始了商业应用。

  马可尼的无线电接受设备虽然取得了巨大的成功,但在实际应用中,却发现了一个很大的问题,就是金属屑检波器的故障频率很高,性能也不稳定。因此,如何改进金属屑检波器,提高其接受电信号的能力,就成了摆在科学家面前的一道难题。

  这时,曾经在马可尼无线电公司担任过顾问的英国电气工程师弗莱明,想到了十多年前美国发明家爱迪生做出的一项科学发现。

  1883年,为了寻找电灯炮的最佳灯丝材料,爱迪生做了一个实验。他在真空灯泡内的碳丝附近放置了一块金属铜薄片,希望它能阻止碳丝的蒸发。实验结果使爱迪生大失所望。但在实验过程中,爱迪生无意中发现了一个奇特的现象:当电流通过碳丝时,没有连接在电路里的金属薄片中也有电流通过。可惜的是,爱迪生并没有重视这个现象,只是把它记录在案,申报了一个未找到任何用途的专利。后来,人们将这一发现命名为“爱迪生效应”。

  不过,在太平洋彼岸,弗莱明却对这个被爱迪生本人忽略的“爱迪生效应”发生了兴趣。他坚信,一定可以为爱迪生效应找到实际用途。经过反复试验,1904年,弗莱明发明了一个他称之为“热离子阀”的装置。它其实是一个特殊的灯泡,灯泡中放置了一块金属片,如果给金属片加上高频的交变电压,交流电在通过这个装置后就会变成直流电。

  这个能够充当交流电整流和无线电检波的装置,就是世界上第一个电子管——真空二极管。

“最平庸的学生”

  无独有偶,就在弗莱明利用爱迪生效应研制真空二极管的同时,在美国本土,也有一位发明家在做着几乎相同的事情。他的名字是李·德福雷特斯。

  1873年8月26日,德福雷特斯出生于美国南部阿拉巴马州的一个黑人家庭,父亲是一名教师,曾任一所黑人学校的校长。当时种族歧视比较严重,德福莱斯特童年时饱受欺凌,这使他养成了一种孤独怪癖的性格。童年时期的德雷莱斯特并不出众,学习成绩一般,被老师认为是个平庸的孩子。但他心灵手巧,非常喜欢拆穿各种机械小玩意。小时候,德雷莱斯特的理想是长大后做一名机械技师。但很快,他就被19世纪末科技的飞速发展所激励,虽然父亲希望儿子将来成为一位牧师,但他却暗自决定,以科学研究作为自己一生的奋斗目标。

  1893年,德雷莱斯特获得了耶鲁大学谢菲尔德理学院的奖学金,进入大学学习。在学校里,班上的同学都把他看成是“学校里最平庸、最神经质的学生”。由于奖学金很少,德福雷斯特不得不经常打工赚钱。

  就在这一年,他参观了芝加哥世界博览会。当时,在大名鼎鼎的爱迪生和初出茅庐的青年电学工程师特斯拉之间,爆发了一场关于交流电和直流电优劣之争的论战。在这届博览会上,特斯拉只用了12台交流发电机,就使会场上9万只五颜六色的电灯大放异彩。这场竞赛最后以交流电的胜利而告终,它也给德福雷斯特留下了深刻的印象,使他对电学,尤其是电磁波传播,产生了超乎寻常的兴趣。

  1899年,德福雷斯获得了物理学博士学位。本来,德福雷斯特应该留在大学任教,但就在这时发生了一件事,永远地改变了他的人生轨迹。

一次改变人生的会面

  事情发生在1899年秋天。当时,德福雷斯特正在撰写他的博士论文——这可能是当时美国所有大学里涉及无线电的第一篇博士论文。在此期间,纽约正要举行一年一度的国际快艇比赛。更让人激动的是,著名的无线电发明家马可尼应邀来到美国,准备表演用她的无线电装置报道比赛的实况《纽约先驱论坛报》连篇累牍的宣传报道,把马可尼无线电表演的消息搅得沸沸扬扬,甚至连赛事本身也因此显得黯然失色。

  那天清晨,马可尼准时登上了停泊在港口的一艘军舰,及时地把比赛消息用无线电报发给设立在海岸上的无线电站,再从陆地上电台将消息用电报线传给《纽约先驱论坛报》总部。在整整5个小时里,报社总共收到马可尼发来的四千多字的手机网投平台领导者报道。这种迅速及时的报道在手机网投平台领导者界尚属首次,令美国的记者大开眼界,惊叹不止。

  为了满足观众的好奇,马可尼又在港口为公众做了一次现场表演。对马可尼的无线电装置十分着迷的德雷福斯特,自然也在围观的人群中。等马可尼表演结束,德福雷斯特拼命挤到前面,在收报机前面停下来,仔细研究起来。他不同寻常的神态引起了马可尼的注意,就同德福雷斯特进行了短暂的交谈。德福雷斯特向马可尼请教了无线电技术中的一些难题,马可尼向他作了解答。他还告诉德福雷斯特,要提高接收机的灵敏度,关键是革新现在用的金属屑检波器。但究竟应该怎样改,马可尼也没有什么好办法。

  马可尼的一番话,给德雷福斯特留下了深刻的印象,使他立下了发明创新的宏图大志。

从打击中奋起

  1899年冬,就在马可尼离开美国不到两个月,已在芝加哥西方电器公司任职的德福雷斯特毅然辞职,专心致志地投身到研究如何改进检波器的工作中。1902年,他在纽约泰晤士街租了间破旧的小屋,买来一些最简陋的的器材,创办了德福雷斯特无线电公司,一心一意想要发明出更先进的无线电检装置。他决心以自己的发明,向美国公众展示无线电的应用前景。

  这段日子是非常艰苦的,失去了生活保障的德福雷斯特花了两三年时间,发明了一种气体检波器。但由于检波效率不高,他被迫放弃了这个方法。

  在经历了无数次失败后,德福雷斯特最后想到了利用真空管来进行检波。可就在他的研究步步深入时,却传来了弗莱明已经发明真空二极管的消息。弗莱明的捷足先登,对德福雷斯特无疑是当头一棒,一连几天,他都处于极度的苦闷与彷徨之中。下一步该怎么走呢?

  可贵的是,德福雷斯特很快就从失意的阴影中走了出来。经过思想斗争,他决定继续沿着这一方向探索下去。他找来介绍弗莱明发明真空二极管的报刊和文章,一遍遍研读,终于找到了突破口。

  原来,德福雷斯特发现,弗莱明的二极管虽比金属屑检波器前进了一步,但它只能用于整波和检波,还不能放大电信号。德福雷斯特决心通过改进弗莱明的真空二极管,做出新的发明。

不经意间的灵感

  德福雷斯特首先重复了弗莱明的实验。他找到了一个灯泡厂技师帮忙,制作了几个真空管,用白金丝做灯丝,在灯丝(即丝极)附近装了一小块金属屏(即屏极)。德福雷斯特把它装在无线电接收机上代替老式的金属屑检波器,果然效果很好。

  就在实验过程中,德福雷斯特突然灵机一动:他把一根导线弯成“Z”型,然后小心翼翼地把它安装到灯丝与金属屏极之间的位置,形成电子管的第三个极。

  德福雷斯特极其惊讶地发现:“Z”型导线装入真空管内之后,只要把一个微小的变化电压加到它的身上,就能在金属屏极上接收到一个与输入信号变化规律完全相同,但强度大大增强的电流!

  德福雷斯特马上意识到,这表明第三个电极对屏极电流有控制作用。这个发现非比寻常,因为只要屏极电流的变化比信号的变化大,就意味着信号被放大了。这真是许多发明家梦寐以求的目标!

  但是,德福雷斯特并没有急于公开他的发明,而是继续进行试验。为了提高灵敏度,他把导线改成像栅栏一样的金属网,于是,他的电子管就有了三个“极”——丝极(阴极)、屏极(阳极)和栅极,其中栅极承担着控制放大电信号的任务,它是一个非常灵敏的控制闸,就像百叶窗一样,具有快速开、关和放大的作用,能接收微弱信号。如果给栅极加上负电压,从丝极飞出的电子将受到栅极的排斥,电子就被截住,不能飞到屏极;如果给栅极加上正电压,从丝极飞出的电子,就会受到栅极正电压的吸引而加速,通过栅极到达屏极。这样一来,栅极上的电压,对从丝极飞出的电子就具有截止和加速的作用。

  一种具有划时代意义的电子管——世界上第一个真空三极管,就这样诞生了。1970年,德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管的发明专利。

坎坷的命运

  虽然发明了真空三极管,但德福雷斯特的命运却非常坎坷。由于合伙人的欺骗,德福雷斯特的公司曾两度倒闭。1912年,美国纽约联邦法院的传讯,因为有人控告他的公司推销积压产品,进行商业诈骗。法官在判决中说,德福雷斯特发明的电子管是一个“毫无价值的玻璃管”。

  1912年,顶着随时可能入狱的压力,德福雷斯特来到加利福尼亚旧金山附近的小镇洛阿尔托,坚持不懈地改进真空三极管,希望能找到一种加快电报讯号传送速度的方法。在爱默生大街913号的小木屋里,德福雷斯特进行了三极管的连接实验——把几个三极管连接起来使用,是一个三极管的输出,成为下一个三极管的输入,最后再与电话机话筒、耳机连接起来。德福雷斯特把他那块走时相当准确的英格索尔手表放在话筒前方,结果居然出现了一件意想不到的事:手表的“滴答”声震耳欲聋。

  如今,在帕洛阿尔托市的德福雷斯特旧居,矗立着一块小小的纪念牌,上面以市政府名誉书写着一行文字:“李·德福雷斯特在此发明了电子管的放大作用”,以纪念这项伟大发明为新兴电子工业所奠定的基础。正是德福雷斯特生活过的这个地方,如今成为全球闻名的硅谷。

  1915年,在旧金山国际博览会上,德福雷斯特公司的展台与美国电话电报公司的展台相隔不远。美国电话电报公司的参展人员,通过头戴式耳机,与纽约进行长途电话的演示,吸引了大批观众。第二天,德福雷斯特公司在展台前悬挂了一条3米长的横幅,上面写着:“经许可,美国电话电报公司采用德福雷斯特的三极管放大器制成了电话中继器,使横贯大陆的电话通讯成为可能!”

电子时代的开始

  与真空二极管相比,德福雷斯特的真空三极管后来居上,对无线电发展的影响更为深远。二极管只有检波和整流(将交流电转换成直流电)两种功能。而三极管还有放大信号这第三种功能,正是这种功能,将电子技术带入了一个新时代。如果使用几个三极管,可以将所接收的微弱电流放大几万倍甚至几十万倍,这就使得通讯距离大大增加。

  不久,人们还发现,真空三极管除了可以处于放大状态外,还可以充当开关器件,其速度要比继电器快成千上万倍。于是,它很快就收到计算机研究者的青睐。历史上的第一台电子计算机,就是用真空三极管研制成功的。

  真空三极管的诞生,使电子技术发生了根本的变革,日本的一位科技传记作家指出:“真空三极管的发明,像升起了一颗信号弹,使全世界科学家都争先恐后地朝这个方向去研究。因此,在一个不长的时期里,电子器件获得了惊人的发展。”从三极管发展到四极管、五级管、大功率发射管等,形成了一个庞大的电子器件家族。在以后的几十年中,随着电子管的不断完善,电子技术在人类社会的各个方面都得到了广泛的应用。

  现在,随着晶体管和集成电路的广泛运用,包括真空三极管在内的各种电子管渐渐退出了历史舞台,但谁也无法抹杀他们在21世纪电子科技发展史中的重大作用。