真空三極管的發明歷程——電子帝國的源頭

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真空三極管

李·弗雷德斯特

  1906年,一位窮困潦倒的美國發明家李·德福雷斯特,在嘗試研制一種用于無線電檢波的電管時,突發奇想,在管中加了一根導線。

  很少有人能夠想到,這根小小的導線,竟影響到20世紀電子技術的發展進程,因為它,德福雷特斯發現了電子管的放大作用,此即真空三極管的發明。真空三極管使人類第一實現了電信號的放大,為無線電話通信奠定了基礎。它的誕生,是人類通向信息時代之路上劃時代的大事。當年,德福雷特斯曾自豪地宣稱:“我發明了空中帝國的王冠。”德福雷特斯所說的“空中國”指的是無線電,而王冠就是真空三極管。

愛迪生的燈絲

  1888年,德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在,在科學界引起了轟動。一些有遠見的科學家意識到,電磁波有可能成為傳遞信息的無形信使,于是紛紛投入到電磁波通信的研究中。

  1894年,意大利的馬可尼讀了赫茲寫的一篇關于電磁波實驗的文章,大受啟發,他用銀粉末和鎳粉末制成了金屬屑檢波器,經過數月的實驗,成功發明了無線電接收機,接收到了140米之外發出的無線電信號。此后,馬可尼又陸續對無線電接收機進行了改進,擴展了電磁波的傳送距離。1901年,馬可尼成功地進行了橫跨大西洋的無線電通信實驗,振奮了全世界,而無線電通信公司也紛紛在各國成立,開始了商業應用。

  馬可尼的無線電接受設備雖然取得了巨大的成功,但在實際應用中,卻發現了一個很大的問題,就是金屬屑檢波器的故障頻率很高,性能也不穩定。因此,如何改進金屬屑檢波器,提高其接受電信號的能力,就成了擺在科學家面前的一道難題。

  這時,曾經在馬可尼無線電公司擔任過顧問的英國電氣工程師弗萊明,想到了十多年前美國發明家愛迪生做出的一項科學發現。

  1883年,為了尋找電燈炮的最佳燈絲材料,愛迪生做了一個實驗。他在真空燈泡內的碳絲附近放置了一塊金屬銅薄片,希望它能阻止碳絲的蒸發。實驗結果使愛迪生大失所望。但在實驗過程中,愛迪生無意中發現了一個奇特的現象:當電流通過碳絲時,沒有連接在電路里的金屬薄片中也有電流通過?上У氖,愛迪生并沒有重視這個現象,只是把它記錄在案,申報了一個未找到任何用途的專利。后來,人們將這一發現命名為“愛迪生效應”。

  不過,在太平洋彼岸,弗萊明卻對這個被愛迪生本人忽略的“愛迪生效應”發生了興趣。他堅信,一定可以為愛迪生效應找到實際用途。經過反復試驗,1904年,弗萊明發明了一個他稱之為“熱離子閥”的裝置。它其實是一個特殊的燈泡,燈泡中放置了一塊金屬片,如果給金屬片加上高頻的交變電壓,交流電在通過這個裝置后就會變成直流電。

  這個能夠充當交流電整流和無線電檢波的裝置,就是世界上第一個電子管——真空二極管。

“最平庸的學生”

  無獨有偶,就在弗萊明利用愛迪生效應研制真空二極管的同時,在美國本土,也有一位發明家在做著幾乎相同的事情。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國南部阿拉巴馬州的一個黑人家庭,父親是一名教師,曾任一所黑人學校的校長。當時種族歧視比較嚴重,德福萊斯特童年時飽受欺凌,這使他養成了一種孤獨怪癖的性格。童年時期的德雷萊斯特并不出眾,學習成績一般,被老師認為是個平庸的孩子。但他心靈手巧,非常喜歡拆穿各種機械小玩意。小時候,德雷萊斯特的理想是長大后做一名機械技師。但很快,他就被19世紀末科技的飛速發展所激勵,雖然父親希望兒子將來成為一位牧師,但他卻暗自決定,以科學研究作為自己一生的奮斗目標。

  1893年,德雷萊斯特獲得了耶魯大學謝菲爾德理學院的獎學金,進入大學學習。在學校里,班上的同學都把他看成是“學校里最平庸、最神經質的學生”。由于獎學金很少,德福雷斯特不得不經常打工賺錢。

  就在這一年,他參觀了芝加哥世界博覽會。當時,在大名鼎鼎的愛迪生和初出茅廬的青年電學工程師特斯拉之間,爆發了一場關于交流電和直流電優劣之爭的論戰。在這屆博覽會上,特斯拉只用了12臺交流發電機,就使會場上9萬只五顏六色的電燈大放異彩。這場競賽最后以交流電的勝利而告終,它也給德福雷斯特留下了深刻的印象,使他對電學,尤其是電磁波傳播,產生了超乎尋常的興趣。

  1899年,德福雷斯獲得了物理學博士學位。本來,德福雷斯特應該留在大學任教,但就在這時發生了一件事,永遠地改變了他的人生軌跡。

一次改變人生的會面

  事情發生在1899年秋天。當時,德福雷斯特正在撰寫他的博士論文——這可能是當時美國所有大學里涉及無線電的第一篇博士論文。在此期間,紐約正要舉行一年一度的國際快艇比賽。更讓人激動的是,著名的無線電發明家馬可尼應邀來到美國,準備表演用她的無線電裝置報道比賽的實況《紐約先驅論壇報》連篇累牘的宣傳報道,把馬可尼無線電表演的消息攪得沸沸揚揚,甚至連賽事本身也因此顯得黯然失色。

  那天清晨,馬可尼準時登上了停泊在港口的一艘軍艦,及時地把比賽消息用無線電報發給設立在海岸上的無線電站,再從陸地上電臺將消息用電報線傳給《紐約先驅論壇報》總部。在整整5個小時里,報社總共收到馬可尼發來的四千多字的新聞報道。這種迅速及時的報道在新聞界尚屬首次,令美國的記者大開眼界,驚嘆不止。

  為了滿足觀眾的好奇,馬可尼又在港口為公眾做了一次現場表演。對馬可尼的無線電裝置十分著迷的德雷福斯特,自然也在圍觀的人群中。等馬可尼表演結束,德福雷斯特拼命擠到前面,在收報機前面停下來,仔細研究起來。他不同尋常的神態引起了馬可尼的注意,就同德福雷斯特進行了短暫的交談。德福雷斯特向馬可尼請教了無線電技術中的一些難題,馬可尼向他作了解答。他還告訴德福雷斯特,要提高接收機的靈敏度,關鍵是革新現在用的金屬屑檢波器。但究竟應該怎樣改,馬可尼也沒有什么好辦法。

  馬可尼的一番話,給德雷福斯特留下了深刻的印象,使他立下了發明創新的宏圖大志。

從打擊中奮起

  1899年冬,就在馬可尼離開美國不到兩個月,已在芝加哥西方電器公司任職的德福雷斯特毅然辭職,專心致志地投身到研究如何改進檢波器的工作中。1902年,他在紐約泰晤士街租了間破舊的小屋,買來一些最簡陋的的器材,創辦了德福雷斯特無線電公司,一心一意想要發明出更先進的無線電檢裝置。他決心以自己的發明,向美國公眾展示無線電的應用前景。

  這段日子是非常艱苦的,失去了生活保障的德福雷斯特花了兩三年時間,發明了一種氣體檢波器。但由于檢波效率不高,他被迫放棄了這個方法。

  在經歷了無數次失敗后,德福雷斯特最后想到了利用真空管來進行檢波?删驮谒难芯坎讲缴钊霑r,卻傳來了弗萊明已經發明真空二極管的消息。弗萊明的捷足先登,對德福雷斯特無疑是當頭一棒,一連幾天,他都處于極度的苦悶與彷徨之中。下一步該怎么走呢?

  可貴的是,德福雷斯特很快就從失意的陰影中走了出來。經過思想斗爭,他決定繼續沿著這一方向探索下去。他找來介紹弗萊明發明真空二極管的報刊和文章,一遍遍研讀,終于找到了突破口。

  原來,德福雷斯特發現,弗萊明的二極管雖比金屬屑檢波器前進了一步,但它只能用于整波和檢波,還不能放大電信號。德福雷斯特決心通過改進弗萊明的真空二極管,做出新的發明。

不經意間的靈感

  德福雷斯特首先重復了弗萊明的實驗。他找到了一個燈泡廠技師幫忙,制作了幾個真空管,用白金絲做燈絲,在燈絲(即絲極)附近裝了一小塊金屬屏(即屏極)。德福雷斯特把它裝在無線電接收機上代替老式的金屬屑檢波器,果然效果很好。

  就在實驗過程中,德福雷斯特突然靈機一動:他把一根導線彎成“Z”型,然后小心翼翼地把它安裝到燈絲與金屬屏極之間的位置,形成電子管的第三個極。

  德福雷斯特極其驚訝地發現:“Z”型導線裝入真空管內之后,只要把一個微小的變化電壓加到它的身上,就能在金屬屏極上接收到一個與輸入信號變化規律完全相同,但強度大大增強的電流!

  德福雷斯特馬上意識到,這表明第三個電極對屏極電流有控制作用。這個發現非比尋常,因為只要屏極電流的變化比信號的變化大,就意味著信號被放大了。這真是許多發明家夢寐以求的目標!

  但是,德福雷斯特并沒有急于公開他的發明,而是繼續進行試驗。為了提高靈敏度,他把導線改成像柵欄一樣的金屬網,于是,他的電子管就有了三個“極”——絲極(陰極)、屏極(陽極)和柵極,其中柵極承擔著控制放大電信號的任務,它是一個非常靈敏的控制閘,就像百葉窗一樣,具有快速開、關和放大的作用,能接收微弱信號。如果給柵極加上負電壓,從絲極飛出的電子將受到柵極的排斥,電子就被截住,不能飛到屏極;如果給柵極加上正電壓,從絲極飛出的電子,就會受到柵極正電壓的吸引而加速,通過柵極到達屏極。這樣一來,柵極上的電壓,對從絲極飛出的電子就具有截止和加速的作用。

  一種具有劃時代意義的電子管——世界上第一個真空三極管,就這樣誕生了。1970年,德福雷斯特向美國專利局申報了真空三極管的發明專利。

坎坷的命運

  雖然發明了真空三極管,但德福雷斯特的命運卻非?部。由于合伙人的欺騙,德福雷斯特的公司曾兩度倒閉。1912年,美國紐約聯邦法院的傳訊,因為有人控告他的公司推銷積壓產品,進行商業詐騙。法官在判決中說,德福雷斯特發明的電子管是一個“毫無價值的玻璃管”。

  1912年,頂著隨時可能入獄的壓力,德福雷斯特來到加利福尼亞舊金山附近的小鎮洛阿爾托,堅持不懈地改進真空三極管,希望能找到一種加快電報訊號傳送速度的方法。在愛默生大街913號的小木屋里,德福雷斯特進行了三極管的連接實驗——把幾個三極管連接起來使用,是一個三極管的輸出,成為下一個三極管的輸入,最后再與電話機話筒、耳機連接起來。德福雷斯特把他那塊走時相當準確的英格索爾手表放在話筒前方,結果居然出現了一件意想不到的事:手表的“滴答”聲震耳欲聾。

  如今,在帕洛阿爾托市的德福雷斯特舊居,矗立著一塊小小的紀念牌,上面以市政府名譽書寫著一行文字:“李·德福雷斯特在此發明了電子管的放大作用”,以紀念這項偉大發明為新興電子工業所奠定的基礎。正是德福雷斯特生活過的這個地方,如今成為全球聞名的硅谷。

  1915年,在舊金山國際博覽會上,德福雷斯特公司的展臺與美國電話電報公司的展臺相隔不遠。美國電話電報公司的參展人員,通過頭戴式耳機,與紐約進行長途電話的演示,吸引了大批觀眾。第二天,德福雷斯特公司在展臺前懸掛了一條3米長的橫幅,上面寫著:“經許可,美國電話電報公司采用德福雷斯特的三極管放大器制成了電話中繼器,使橫貫大陸的電話通訊成為可能!”

電子時代的開始

  與真空二極管相比,德福雷斯特的真空三極管后來居上,對無線電發展的影響更為深遠。二極管只有檢波和整流(將交流電轉換成直流電)兩種功能。而三極管還有放大信號這第三種功能,正是這種功能,將電子技術帶入了一個新時代。如果使用幾個三極管,可以將所接收的微弱電流放大幾萬倍甚至幾十萬倍,這就使得通訊距離大大增加。

  不久,人們還發現,真空三極管除了可以處于放大狀態外,還可以充當開關器件,其速度要比繼電器快成千上萬倍。于是,它很快就收到計算機研究者的青睞。歷史上的第一臺電子計算機,就是用真空三極管研制成功的。

  真空三極管的誕生,使電子技術發生了根本的變革,日本的一位科技傳記作家指出:“真空三極管的發明,像升起了一顆信號彈,使全世界科學家都爭先恐后地朝這個方向去研究。因此,在一個不長的時期里,電子器件獲得了驚人的發展。”從三極管發展到四極管、五級管、大功率發射管等,形成了一個龐大的電子器件家族。在以后的幾十年中,隨著電子管的不斷完善,電子技術在人類社會的各個方面都得到了廣泛的應用。

  現在,隨著晶體管和集成電路的廣泛運用,包括真空三極管在內的各種電子管漸漸退出了歷史舞臺,但誰也無法抹殺他們在21世紀電子科技發展史中的重大作用。