电子管发展史：从爱迪生效应到电子计算机基础元件

电子管发展史：从爱迪生效应到电子计算机基础元件

电子管：电子时代的到来

由继电器实现数字电路固然可行，但继电器是有极限的，如果想进步提高计算能力，我们需要更快更可靠的东西来替代继电器。

爱迪生效应

19世纪下半叶，先后有几位科学家发现了通电的金属导体在加热后会出现电量损失的现象。

1873年，弗雷德里克·格思里（Frederick Guthrie）发现了热离子二极管的基本操作原理。他发现了当白热化的接地金属接近带正电的验电器时，验电器的电会被引走；然而带负电的验电器则不会发生类似情况。这表明了电流只能向一个方向流动。

1876年，在一次实验中，弗雷德里克观察到在真空状态下，一个带负电荷的铁球，是如何失去电荷的；而在相反的情况下，当加热带正电荷的球体时，则不会发生变化。这种特性在今天被称为热离子发射（也叫热电子发射）。这是金属的一种特殊性质：在原子水平上，带有负电的电子可以移动，当受热激发，它们以离子形式离开金属。

1883年，正在改进灯泡的托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）也独立发现了这一现象。他有一个密封了金属板的特殊玻璃外壳灯泡。利用这个装置，他证实，发光的灯丝会有一种无形的电流穿过真空与金属板连接，但只有当板被连接到正电源时才会发生。

爱迪生不明白这是什么原理，也没想过可以怎样应用，但依然申请了专利，这种现象因而被称为爱迪生效应（Edison effect）。由于当时这种装置实际上并不能看出实用价值，这项专利更多地是为了防止别人声称最早发现了这一所谓“爱迪生效应”。但有一个细节，不是托马斯爱迪生声称他发明了二极管。

爱迪生效应的原理

1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（Joseph John Thomson）发现了电子，人们才明白爱迪生效应是电子从加热的灯丝表面逃逸，被金属片捕获的结果，当金属片连接电源负极，同极相斥，也便不会接收来自灯丝的电子。爱迪生效应因此有了一个更专业的名字——热电子发射（Thermionic emission）。

这里小结下热电子发射的定义：

• 在灯泡里放一个不与灯丝接触的金属片。
• 当金属片与电源正极接触，灯泡亮起时，电子从加热的灯丝表面逃逸，被金属片捕获，于是产生电流
• 当金属片连接电源负极，灯泡亮起时，电子从加热的灯丝表面逃逸，但同极相斥，不会接收来自灯丝的电子，也就不会产生电流

电子管（真空管）的诞生

1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming，是爱迪生的前雇员），利用爱迪生效应发明了电子管（也叫真空管），结构和爱迪生的灯泡类似，因为有两个电极（涌出电子的灯丝为阴极，接收电子的金属片为阳极）而被称为电子二极管（或真空二极管）。

约翰·安布罗斯·弗莱明肖像及其电子二极管（图片来自维基百科）

该器件表现的现象是：当阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，二极管导通，表现为没有电阻的导线；反之，二极管不通，表现为一个没有合上的开关。

真空管的作用：二极管仅允许电流在一个方向上通过，它是一个将交流信号（电）流为直流信号（电）的理想器件；或也作为电流调节装置，设备作为充电量，从阳极传递到阴极的电荷量与系统温度直接相关。由于这样单向导通的特性，电子二极管主要用作交流电整流器和收音机里的检波器（检测无线电波）。二极管不能放大电信号。

真空管的缺点：它们需要加热才能工作，因此必然消耗能量，除此之外还需要时间预热，使之达到工作温度温度以释放电子，还必须消耗能量，相对较大，玻璃园顶是一个非常脆弱的结构等，就像白织灯泡一样，它们的寿命不是很长。

下面我们来简单图解下真空管的工作原理。当加热灯丝的时候，灯丝开始发射电子：

螺旋型的电极发送电子（这里的颗粒指电子）

电子从加热的灯丝表面逃逸，被外面的金属片捕获，形成电流：

弧形的电极接受电流

在二极管内，电流只能单向流动，但我们需要的是，一个能开关电流的东西，像继电器一样。

真空三极管的诞生

1906年，美国发明家李·德福雷斯特（Lee de Forest）想到，如果能将这种二极管进行信号放大，能否将电信号传送到更远的距离？于是他在二极管的灯丝和金属片阴阳两极之间增加一个控制电极——一根波浪形的金属丝，发明了电子三极管。后来金属丝被改成金属网，故称栅极。

李·德福雷斯特肖像及其三极管（图片来自维基百科）

栅极的表现与阳极十分类似，其作用取决于它和阴极之间的电压差。当施加在栅极上的电压比阴极低时，从阴极发射的部分电子将受到阻碍而无法到达阳极，栅极上的电压比阴极低得越多，这种阻碍效应就越大，直至完全阻隔；

反之，当栅极上的电压比阴极高时，它反而开始吸引电子，助阴极一臂之力将更多电子传到阳极。结果是，稍微改变一下栅极上的电压，就可以对阳极上的电压产生很大影响，因而三极管常用作无线电通信中的信号放大器，促进了无线电技术的革新。

我们来简单图解一下其工作原理。这是初始状态：

向控制电路施加正电荷，然后我们加热灯丝，灯丝会发射电子，由于控制电路带正电，异性相吸，控制电路会帮助电子流动到阳极：

但如果给控制电路施加负电荷，当加热灯丝的时候，由于电子和控制电路都是带负电荷，同性相斥，电路中就不会与电流经过，相当于闭合了开关：

因此通过控制线路，可以断开或关闭电路。但重要的是，真空管内没有会动的组件，这意味着更少的磨损，更重要的是，每秒可以开闭数干次。因此这些“三极真空管”成为了无线电/长途电话以及其他电子设备的基础，持续了接近半个世纪。

电子管与门电路

具有通断两种状态的电子管令人不禁和电磁继电器联系到一起，继电器中衔铁的摆动是机械的，而电子管的通断几近光速，如果使用电子管组成开关电路，进而实现逻辑门，以此为基础元件建造的计算机不就可以拥有空前的运算速度了吗？

下图给出了一种用电子二极管和三极管构建的与、或、非门电路，为了便于分析，这里引入一个专业术语——电平，它用来表示电压的相对高低，我们把相对的高压称为高电平，相对的低压称为低电平，通常对应到二进制中，高电平代表 1，低电平代表 0。

电子管逻辑门（在实际使用中，电子管的电极并不一定与电源直接相连，在图中省略电源也更有助于我们将注意力集中在它们的逻辑关系上。）

例如与门：

与门由两个二极管组成，两者的阴极作为输入端 X 和 Y，阳极作为输出端 Z，对 Z 施加高电平。当给 X 和 Y 任意一者施加低电平时，对应的二极管导通，Z 处的电平便被拉低；给 X 和 Y 同时施加高电平时，两个二极管都不通，Z 便保留高电平。

与门也可以这样理解：

图自《计算机速成课程》第3集

如果 2 个二极管都导通了，结果才能通。是串联的关系。

接下来我们看看或门。

或门也由两个二极管组成，两者的阳极作为输入端 X 和 Y，阴极作为输出端 Z，对 Z 施加低电平。当给 X 和 Y 任意一者施加高电平时，对应的二极管导通，Z 处的电平便被拉高；给 X 和 Y 同时施加低电平时，两个二极管都不通，Z 便保留低电平。

或门也可以这样理解：并联，只要有一个通了，电路就通：

最后是非门：

非门由单个三极管实现，栅极作为输入端 X，阳极作为输入端 Z，对 Z 施加高电平。当给 X 施加高电平时，三极管导通，Z 处的电平便被拉低；给 X 施加低电平时，三极管不通，Z 便保留高电平。

也可以这样理解：一开始是有电流的，但如果打开输入，电流可以流过，就会“接地"。输出就没有电流，所以输出是 off。

打开关没有打开，有电流。图自《计算机速成课程》第3集

当开关打开，电流就会接地，然后就没有输出：