《人类科学技术史-361》电子技术的突破

电子技术的突破

电子技术作为20世纪信息技术、通讯技术和控制技术的基础是在19世纪末20世纪初产生和发展起来的，而电子元件则是电子技术迅速发展的主要前提，电子元件的每一项重要发明，都引起了电子技术的重大突破。这个时期诞生的电子管，带来了电子技术的第一次重大突破，促进了无线电通讯和广播技术的迅速发展，导致一系列新技术的出现，而更重要的是，为以电子管为主要元件的第一代电子计算机的诞生打下了基础。和其他新生事物一样，电子管的诞生经历了一番曲折的道路。

1.爱迪生效应和"弗莱明管"

1883年，美国大发明家爱迪生(1847-1931)发明了白炽灯。然而，谁也没有想到，电灯的出现竟孕育着一项更加伟大的发明。

为了让"光明的使者"更明亮，寿命更长，爱迪生对白炽灯不断进行着改进和试验。一次试验中，他在灯泡中与灯丝相对的地方封入一个金属片。他惊奇地发现，当灯丝发热、发亮时，金属片的表面会发出淡蓝色的亮光，如果在灯丝和铜片之间联上一个电流计，然后接通电源，电流计上的指针将发生偏转，这就是说，电路上流动着电流。灯丝与铜片之间是一段电流无法逾越的真空，按常规理解，电路上不可能产生电流。那么，电流是如何飞越真空的呢？爱迪生无法解释这一奇怪的现象，也没有作深入的探究，他只是把这种现象作为一种效应记录了下来，并申请了专利。这个效应就是著名的爱迪生效应。

用实验确证了电子的存在的英国物理学家J.J.汤姆逊后来对爱迪生效应进行了研究，证明这种效应是一种热电子发射现象，是真空灯泡中的炽热灯丝的负电辐射。

事实上，显示爱迪生效应的那只灯泡就是世界第一只电子管。因此，从这个意义上说，爱迪生发现的这一效应是他对科学进步、世界文明的又一伟大贡献，但这中间又包含着这位发明大王未能发现电子和认识到电子管价值的最大遗憾。

英国科学家弗莱明(1849-1945)熟悉无线电发展的状况，深知检波管的改进是无线电面临的一个突破口。他对爱迪生效应深感兴趣，并试图利用这种效应研制新型的检波器。

弗莱明制造了一个与众不同的真空灯泡。他用圆桶形的金属片把灯丝包围起来，组成一个板极。在板极和灯丝之间加上一个交变电压，同时使灯丝通电加热。他发现，板极带正电时，灯丝和板极之间有电流通过；而当板极带负电时，就没有电流通过。这显然是一种新型的电器元件，它只允许电流向一个方向流动，能把交流电变成直流电。这种新的电器元件，后来被称作二极管，又称"弗莱明管"，它可以用来检波、整流。二极管很快被应用在无线电上，用它来检波，灵敏度大大提高了。

二极管是第一个真正的电子元件，它的出现对电子技术的发展起了很大作用，为三极管的产生奠定了基础。由于二极管不能控制电子流的大小，不能放大信号，人们又开始努力寻求控制二极管中电子流的方法。德国物理学家利本(1817-1913）首先提出了在二极管内两极中间加一个筛状穿孔板以控制二极管中的电子流的设想。三极管在孕育中。

2.德福雷斯特制成第一个三极管

三极管是由电子工业的鼻祖、无线电之父德福雷斯特(1873-1961)发明的。德福雷斯特出生在美国的伊利诺斯州，从小喜欢机械，大学的专业是机械工程，但他又是个无线电爱好者。

1899年秋，国际快艇比赛在美国举行。意大利科学家马可尼(1874-1937）接受邀请来到美国，用他的无线电装置报道比赛情况。在此之前，马可尼已经成功地使无线电信号跨越英吉利海峡，从英国传到了欧洲大陆。这一次在美国的无线电通讯表演，自然震动不小。德福雷斯特闻讯也赶到表演现场，当他挤到人群前仔细观察发报机并对其中的金属粉末检波器发问时，恰被马可尼听见。德福雷斯特自我介绍后，两个人就无线电谈得十分投机。马可尼告诉他，自己正设法提高无线电接收机的灵敏度，而检波器看来是关键。

与无线电发明家马可尼的偶遇和交谈，使德福雷斯特对无线电产生了浓厚的兴趣，他决心从事检波器的研究，并从此开始了一个无线电发明家的艰难生涯。

德福雷斯特用了两年的时间研究改进检波器，成效不大。当时，他还不知道爱迪生效应，实验中的思路虽与弗莱明不谋而合，但不能象弗莱明那样可以站在前人的肩上，加快发明的步伐。当弗莱明抢先一步发明了二极管的消息传来时，德福雷斯特又高兴又沮丧，但并没有就此止步。他决心要在弗莱明工作的基础上发明一种信号放大器。

德福雷斯特制造了一种真空管，外表上与二极管几乎一模一样。不同的是，他在灯丝和板极之间加进一个炉栅形的白金丝，形成第三极(栅极）。他发明，在第三极上加一个不大的信号，就可以改变板极电流的大小，第三极微小的变化就能使板极电流发生较大的变化。这就是世界上第一支三极管，是一种能控制电子流大小，能放大电子信号的新的电子元件。这种元件的诞生才真正实现了爱迪生效应的最大价值。然而，它的面世却不是一帆风顺的。

三极管的进一步研究和改进需要经费，但德福雷斯特这时几乎已身无分文。他只好到几家大公司去游说、宣传三极管的神奇作用，希望争取他们的资助。谁知，几家公司都不相信眼前这个衣着破烂的青年会作出什么重要发明，把他赶了出来，一家公司干脆把他扭送到警察局。1906年春，美国纽约联邦法庭对一桩所谓"没有价值的玻璃管"的离奇案件进行了公开审理。被告德福雷斯特在法庭上慷慨陈辞，他从无线电说到检波器，从二极管说到三极管，威严的法庭成了他宣传科学的课堂。法官们终于理解了他的发明，听众们则为他的探索精神所感动。德福雷斯特被无罪释放。这次公开审理反而大大提高了这位发明家的知名度，也为三极管的研究和推广铺平了道路。

1906年6月26日，三极管获得了专利权。

三极管的栅极控制电流开闭的速度，比继电器快了一万倍。三极管可以放大电信号，使无线电通讯的距离和可靠性大大增加；三极管还能产生高频震荡，使电子技术从长波区域向短波、超短波区域发展，大大地扩大了电子技术的应用范围，出现了广　播、雷达、电视等新的技术。

1919年，爱克尔斯和乔丹把一对三极管连接起来制成了第一个电子触发器，这一关键发现引起了电子线路理论和应用的蓬勃发展，为计算工具由机电时代迈入电子时代提供了关键的技术。

后来的电子计算机正是用触发器为基本元件，来体现二进制数的。这种简单的电子装置，具有1和0的两种输出。一系列触发器连接成适当的逻辑模式，就形成了计算机内部的大部分电子部件，完成计算、逻辑运算、数据存储等功能。