首页 > 冷门知识 > 关键词:电子管,晶体管,集成电路,弗莱明,德福雷,斯特,肖克莱,冷门  日期:2022-07-05 11:19:09

电子管、晶体管和集成电路:弗莱明、德福雷斯特、肖克莱

电子管、晶体管和集成电路:弗莱明、德福雷斯特、肖克莱

1883年,美国大发明家爱迪生在研制灯泡时无意中发现一个有趣的现象。把一块金属板与灯丝一起密封在灯泡内,给灯泡通电后,如给金属板加正电压,则发热的灯丝与金属板之间就会有电流流过,相反则没有电流流过。这一现象后来被称为爱迪生效应。但当时爱迪生没有更多地去研究它。直到1897年汤姆逊发现电子,人们才知道,原来灯丝加热后有电子射出,与金属板之间正好形成回路。

1904年,英国发明家弗莱明打算利用爱迪生效应制造一种高性能的电磁波检波器,以提高无线电通信效果,结果研制成了真空二极管。他在真空管中放置两块金属板,一个是正极,一个是负极。当加热负极时,就有电子流入正极。当正极加上无线电信号时,通过的电流就随之发生波动,这样,二极管就能够起到检波作用。美中不足的是,电信号过于微弱,主要原因是,人们无法控制二极管内电子流的大小。

1906年,美国物理学家德福雷斯特把弗莱明的二极管发展成为三极管,实现了信号的放大功能。三极管是在热的灯丝和冷的阳极之间安置一个栅极,栅极的作用是控制由灯丝到阳极所通过的电子流。但是栅极的控制作用可以用来实现信号放大:在栅极上微弱的电势变化却能使在阳极和阴极之间很强的电流产生类似的变化,这样电子管就可以放大栅极的电压变化。三极管的电子流更大,检波更灵敏,无线电信号的放大问题从此可以解决了。

电子管元件在三极管发明后又有了很大的发展,四极管、五极管、微波管相继问世,使可利用的电波频率区段大大扩展、电子设备功率大大增加。

20世纪初,一些无线电爱好者发现有些半导体矿石有单向导电性,因此很适合做检波器。这使科学家们想到,用半导体可以制作与电子管性能相同的晶体管。由于许多理论和技术问题没有解决,真正发明晶体管时已经到了20世纪40年代末。美国贝尔电话实验室的肖克莱、巴丁和布拉坦,经十几年的努力,终于在1947年12月23日成功研制了以锗为材料的第一只晶体管。三人因此而获得1956年的诺贝尔物理学奖。1950年,肖克莱等人又发明了晶体三极管,放大能力更强。锗比较稀少,因此第一批晶体管价格很贵,到了20世纪50年代初发现更合适的半导体材料硅之后,实用性晶体管才大规模地普及开来。地球上到处都是硅,真可以说是取之不尽、用之不竭,用它加工制作的晶体管要改变这个世界。

与电子管相比,晶体管具有体积小、重量轻、耗能低、寿命长、制造工艺简单、使用时不需预热等优点,它的问世大大加速了电子技术的发展。用高纯硅制作的晶体管只有米粒大小,耗电量只有电子管的十万分之一。晶体管首先在收音机领域大显神通,原先摆在家里的像大箱子一样的电子管收音机,一经更换晶体管就由“柜子”变成了“盒子”,再由“盒子”变成了“烟盒”。

晶体管出现后,20世纪50年代人们又推出了集成电路。所谓集成电路就是将电子元器件(晶体管)与电子线路组合起来,构成一个整体,做在同一块硅晶片上。它能完成从前需要几个分立电子元件才能完成的功能。集成电路是在晶体管微型化的基础上出现的,它开创了晶体管微型化的新思路和新方向。随着工艺水平的不断提高,集成电路的集成度不断上升,价格则不断下降。1959年1月,美国得克萨斯仪器公司(TexasInstruments)率先推出了第一块集成电路。大约同时,美国仙童公司(FairchildSemiconductor)也宣布研制出集成电路。

集成电路今日也称“芯片”。它在一块硅晶片上埋管铺线。其铺线方式是利用半导体再掺杂一些特殊的杂质来使其导电,其埋(晶体)管的方式是高温熔化。集成电路的制作有如在头发丝上刻字,微电子技术有如微雕艺术。在邮票那么大的地方,一开始只有4个晶体管,到20世纪60年代中期达到10个。

20世纪60年代以来,集成电路向大规模集成电路甚至超大规模集成电路发展,其集成度越来越高,功能越来越强。20世纪70年代中期,出现了在一块硅片上包含10万个晶体管的超大规模集成电路。由于电子元件的变革,电子产品的性能不断提高,价格则急剧下降,达到了空前的普及,使人类进入了电子化时代。仙童公司的创始人之一高登·摩尔于1965年对微电子技术的发展做了一个预言。他认为,每过18个月,集成电路的价格降低一半而性能增加一倍。这就是著名的摩尔定律。摩尔在微电子技术发展早期的这一预言后来被历史事实所证明。

电子技术的突飞猛进扶持了一大批高精尖技术的发展,其中包括航空航天技术、自动化技术、激光技术。电子计算机是电子技术的最高成就。

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