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電子管是一種在氣密性封閉容器中產生電流傳導,利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。早期應用於電視機、收音機擴音機等電子產品中,近年來逐漸被晶體管和集成電路所取代,但目前在一些高保真音響器材中,仍然使用電子管作為音頻功率放大器件。

電子管電子管
電子管也叫「真空管」,是一種在氣密性封閉容器(一般為玻璃管)中產生電流傳導,利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。(常見的電子管就是一個特殊的燈泡,不過除燈絲以外,還有幾個「極」,裡面的燈
電子管電子管
絲與極都有連線與各自的管腳相連)。最簡單的電子管是二極體。

1 電子管 -電子管概述

電子管電子管
電子管是一種在氣密性封閉容器(一般為玻璃管)中產生電流傳導,利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。早期應用於電視機、收音機擴音機等電子產品中,近年來逐漸被晶體管和集成電路所取代,但目前在一些高保真音響器材中,仍然使用電子管作為音頻功率放大器件。香港人稱使用電子管功率放大器為「煲膽」。

最簡單的電子管是二極體,它有兩個極(陰極和陽極,有的燈絲還兼作陰極),陰極有發射電子的作用,陽極有接收電子的作用,並有單嚮導電的特性,可用作整流和檢波。增加一個柵極就成了三極體,柵極能控制電流,柵極上很小的電流變化,能引起陽極很大的電流變化,所以,三極體有放大作用。當然還有多極管,它是在三極體內增加了一個或幾個網柵(稱為控制柵),主要是增加控制作用。晶體管是一種半導體器件,晶體二極體有負極和正極(相當於電子二極體的陰極和陽極),作用與電子管三極體相同;晶體三極體有三個極:集電極、基極、發射極(分別對應於電子管的陽極、柵極和陰極),主要用於放大電路和開關電路。晶體管的體積已比電子管縮小了許多許多,當年用電子管做的有幾間屋子大的計算機,用晶體管已縮小為幾個機櫃了。集成電路是把由晶體管、電阻、電容等等器件組成的電路做到一個模塊內,稱為集成塊。隨著科技的發展,集成塊的體積越來越小,包含的電路越來越多。所以計算機又由幾個機櫃的大小,縮小成一個機箱或「筆記本」,甚至更小,而且,功能還擴大了許多許多。
電子管高周波機使用的電子管

近兩年,「膽」的概念出現在PC多媒體音頻領域,遂出現了「膽」音箱、「膽」耳放等設備。膽管實際上就是電子管,也叫「真空管」,而以電子管為放大核心的功放則為膽機。膽放大和現在一般採用的晶體管放大有什麼不同呢?電子管放大器是一種「電壓」放大器,而晶體管放大器是一種「電流」放大器,他們的工作機理不同。電子管的信號失真特性遠遠大於晶體管,電子管放大電路中,信號的偶次諧波失真大,奇次諧波失真小,晶體管正好相反。人耳對於偶次諧波是比較喜歡的,基音的偶次諧波越多,表現出的聽覺感受就越「溫暖、柔和」也就是人們說的「聽感好」。奇次諧波正好相反,聽覺感受上表現出「生硬、刺耳」等感覺,實際上就是現在人們常說的「金屬聲」。

2 電子管 -電子管的標示


電子管在電器中用字母「V」或「VE」表示,舊標準用字母「G」表示。

3 電子管 -電子管的基本參數

1.燈絲電壓:V;
2.燈絲電流:mA;
3.陽極電壓:V;
4.陽極電流:mA;
5.柵極電壓:V;
6.柵極電流:mA;
7.陰極接入電阻:Ω;
8.輸出功率:W;
9.跨導:mA/v;
10.內阻: kΩ。

幾個常用值的計算:

放大因數 μ=陽極電壓Uak/柵極電壓Ugk
表示在維持陽極電流不變的情況下,陽極電壓與柵極電壓的比值。

跨導 S=陽極電流Ia/柵極電壓Ugk
表示在維持陽極電壓不變的情況下,柵極電壓若有一個單位(如mV)的電壓變化時將引起陽極電流有多少個單位的變化。

內阻 Ri=柵極電壓Uak/陽極電流Ia
表示在維持柵極電壓不變的情況下,陽極電流若有一個單位(如mA)的電壓變化時將引起陽極電壓有多少個單位的變化。

上面的幾個值也可以表述為 放大因數 μ=跨導S乘以內阻Ri

4 電子管 -構造和原理

下面的討僅限於真空式電子管
二極體:
考慮一塊被加熱的金屬板,當它的溫度達到攝氏800度以上時,會形成電子的加速運動,以至能夠擺脫金屬板本身對它們的吸引而逃逸到金屬表面以外的空間。若在這一空間加上一個十幾至幾萬伏的正向電壓(踏雪留痕在上面說到的顯象管,陽極上就加有7000--27000伏的高壓),這些電子就會被吸引飛向正向電壓極,流經電源而形成迴路電流。
電子管二極體

把金屬板(陰極),加熱源(燈絲),正向電壓極板(陽極)封裝在一個適當的殼裡,即上面說的玻璃(或金屬,陶瓷)封裝殼,再抽成幾近真空,就是電子二極體。
需要說明的是由於製造工藝,雜質附著以及材料本身等原因,管內會殘留微量餘氣,成品管都在管內塗敷了一層吸氣劑。吸氣劑一般使用摻氮的蒸散型鋯鋁或鋯釩材料。目前除特殊用途外(如超高頻和高壓整流等),為便於使用和增加一至性,均為兩隻二極體,或二極三極,或三極三極以及二極五極等合裝在一個管殼內,這就是複合管。
三極體:
二極體的結構決定了它的單嚮導電的性質,當在陰極與陽極之間再加上一個帶適當電壓的極點,這個電壓就會改變陰極的表面電位,從而影響了陰極熱電子飛向陽極的數量,這就是調製極,一般是用金屬絲做成螺旋狀的柵網,所以又把它稱為柵極。這就是閥門功能了。由此可以知道,當作為被放大的信號電壓加在柵極----陰極之間時,由於它的變化必然會使陽極電流發生相應的變化,又由於陽極電壓遠高於陰極,因此柵陰極間微小的電壓變化同樣能使陽極產生相應的幾十至上百倍的電壓變化,這就是三極體放大電壓
電子管三極體

信號的原理。
四極管:
純粹意義的四極管只是在電子管的發展史上作為驗證管出現過而沒有進入實用,在商品功放里超過半數以上的機種用的是束射四極管。束射四極管全部是功率管,對功率管的要求是產生儘可能大的陽極電流。束射四極管在電極的結構上做了一些特殊的安排,使其在保持和其它功率管體積差別不大的前提下,能夠形成比其它功率管更大的陽極電流。
束射四極管的幾個結構特點:
1. 陰極為橢圓型,這就增加了陰極的有效發射面積,從而增加了熱電子的發射量。
2. 和五極管一樣,在抑制柵極和陽極之間加有簾柵極,作用前面說過了。
3. 在簾柵極和和陽極之間加了一對弓型金屬板(說到重點了,注意下面的表述),這就是集束屏。集束屏在管內和陰極相連即與陰極等電位,它迫使已經越過簾柵極的電子流只能沿弓型金屬板的開口方向成束狀射向陽極。

電子管電子管




















真空電子管的結構
這是顆用於高頻放大的通用雙三極體6N1
電子管電子管















1是吸氣劑;2是燈絲陰極和柵極的組合體;3就是陽極。

電子管電子管















現在打破玻殼,注意吸氣劑顏色的變化,注意:一旦管子的吸氣劑變成這種乳白色,不管玻殼破裂與否這顆管子都沒用了。

電子管電子管














電子管電子管















1:陽極;2:柵極,柵極里白色部分是柵極和陰極的絕緣層;3 就是陰極,這是個扁型金屬管,裡面包有燈絲。

電子管兩顆雙二極體:5Z2P,5Z3P













 

 

電子管三顆小功率功率放大管:6P1,6P6P,EL84













 

 

電子管功率功率放大管:6P3P,EL34















 

電子管兩種管型的中功率功率放大管:6550














 

電子管大功率功率放大管:805













 

 

電子管五顆前置電壓放大管:6N10,12AX7,12AU7,12AX7,12AU7

 

 

 

 

 

 

 




下面是一個電子管的實例

電子管電子管

 

 

 






 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 


電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電子管電子管

 

 












 

5 電子管 -電子管的發展史

1904年,世界上第一隻電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生了。弗萊明為此獲得了這項發明的專利權。人類第一隻電子管的誕生,標誌著世界從此進入了電子時代。

說起電子管的發明,我們首先得從「愛迪生效應」談起。愛迪生這位舉世聞名的大發明家,在研究白熾燈的壽命時,在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片。結果,他發現了一個奇怪的現象:金屬片雖然沒有與燈絲接觸,但如果在它們之間加上電壓,燈絲就會產生一股電流,趨向附近的金屬片。這股神秘的電流是從哪裡來的?愛迪生也無法解釋,但他不失時機地將這一發明註冊了專利,並稱之為「愛迪生效應」。後來,有人證明電流的產生是因為熾熱的金屬能向周圍發射電子造成的。但最先預見到這一效應具有實用價值的,則是英國物理學家和電氣工程師弗萊明。

電子管各種樣式電子管


弗萊明的二極體是一項嶄新的發明.它在實驗室中工作得非常好.可是,不知為什麼,它在實際用於檢波器上卻很不成功,還不如同時發明的礦石檢波器可靠.因此,對當時無線電的發展沒有產生什麼衝擊.

此後不久,貧困潦倒的美國發明家德福雷斯特,在二極體的燈絲和板極之間巧妙地加了一個柵板,從而發明了第一隻真空三極體.這一小小的改動,竟帶來了意想不到的結果.它不僅反應更為靈敏、能夠發出音樂或聲音的振動,而且,集檢波、放大和振蕩三種功能於一體.因此,許多人都將三極體的發明看作電子工業真正的誕生起點.德福雷斯特自己也非常驚喜,認為「我發現了一個看不見的空中帝國」.電子管的問世,推動了無線電電子學的蓬勃發展.到1960年前後,西方國家的無線電工業年產10億隻無線電電子管.電子管除應用於電話放大器、海上和空中通訊外,也廣泛滲透到家庭娛樂領域,將新聞、教育節目、文藝和音樂播送到千家萬戶.就連飛機、雷達、火箭的發明和進一步發展,也有電子管的一臂之力.

電子管電子管

三條腿的魔術師電子管在電子學研究中曾是得心應手的工具.電子管器件歷時40餘年一直在電子技術領域裡佔據統治地位.但是,不可否認,電子管十分笨重,能耗大、壽命短、雜訊大,製造工藝也十分複雜.因此,電子管問世不久,人們就在努力尋找新的電子器件.第二次世界大戰中,電子管的缺點更加暴露無遺.在雷達工作頻段上使用的普通的電子管,效果極不穩定.移動式的軍用器械和設備上使用的電子管更加笨拙,易出故障.因此,電子管本身固有的弱點和迫切的戰時需要,都促使許多科研單位和廣大科學家,集中精力,迅速研製成功能取代電子管的固體元器件.

電子管的替代產品叫晶體管

6 電子管 -電子管的優缺點

由於電子管體積大、功耗大、發熱厲害、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源的缺點,現在它的絕大部

電子管電子管
分用途已經基本被固體器件晶體管所取代。但是電子管負載能力強,線性性能優於晶體管,在高頻大功率領域的工作特性要比晶體管更好,所以仍然在一些地方繼續發揮著不可替代的作用。

7 電子管 -電子管的種類

(一)按用途分類
電子管按其用途的不同可分為電壓放大管、功率大管、充氣管、閘流管、引燃管、混頻或變頻管、整流管、振蕩管、檢波管、調諧指過管、穩壓管等。

  (二)按電極數分類
電子管按其電極數的不同可分為電壓放大管、三極體、四極管、五極管、六極管、七極管、八極管、九極管和複合管等。三極以上的電管又稱為多極管或多柵管。

  (三)按外形分類
電子管按其外形及外殼材料可分為瓶形玻璃管(ST管)、「橡實」管、筒形玻璃管(GT管)、大型玻璃管(G式管)、金屬瓷管、小型管(也稱花生管或指形管、MT管)、塔形管、超小型管(鉛筆形管)等多種。

  (四)按內部結構分類
電子管按其內部結構可分為單二極體、二極體、雙二極三極體、雙二極體極管、單三極體、功率五極管、束射四極管、束射五極管、雙一極管、二極——五極複合管、又束射四極管、三極-五極複合管、三極-六極複合管、三極-七極複合管、束射功率各處室等多種類型。

  (五)按陰極的加熱方式分類
電子管按陰極的加熱方式可分為直熱式陰極電子管和旁熱式陰極電子管。

  (六)按屏蔽方式分類
電子管按屏蔽方式可分為銳截止屏蔽電子管和遙截止屏蔽電子管。

  (七)按冷卻方式分類
   電子管按冷卻方式可分為水冷式電子管、風冷式電子管和自然冷卻式電子管。

8 電子管 -電子管的興替

隨著科技的發展,人們對生產的機械在體積上向體積越來越小的方向發展,由於電子管的體積大,而且在移動過程中容易損壞,越來越多的表現出其的弊端,於是人們開始尋找和開發電子管的可替代產品.隨著後來的晶體管的出現,已越來越多的機械不再使用電子管.晶體管的出現是人類在電子方面一個大的飛躍.
早在30年代,人們已經嘗試著製造固體電子元件.但是,當時人們多數是直接用模仿製造真空三極體的方法來製造固體三極體.因此這些嘗試毫無例外都失敗了.

年6月的一天,在美國貝爾實驗室的一個房間里,一架樣式很普通的收音機正在播放著輕柔的音樂,許多參觀者在它面前駐足不前.為什麼大家都對這台收音機情有獨鍾呢?原來這是第一架不用電子管,而代之以一種新的固體

電子管晶體管
元件——晶體管的收音機.雖然人們對這架收音機顯露出濃厚的興趣.然而,他們對晶體管本身卻不以為然.美國《紐約先驅論壇報》的記者在報道中寫道:「這一器件還在實驗室階段,工程師們都認為它在電子工業中的革新是有限的.」事實上,晶體管發明以後,在不長的時間內,它的深遠影響便很快地顯示出來.它在電子學領域完成了一場真正的革命.

什麼是晶體管呢?通俗地說,晶體管是半導體做的固體電子元件.像金銀銅鐵等金屬,它們導電性能好,叫做導體.木材、玻璃、陶瓷、雲母等不易導電,叫做絕緣體.導電性能介於導體和絕緣體之間的物質,就叫半導體.晶體管就是用半導體材料製成的.這類材料最常見的便是鍺和硅兩種.

半導體是19世紀末才發現的一種材料.當時人們並沒有發現半導體的價值,也就沒有注重半導體的研究.直到二次大戰中,由於雷達技術的發展,半導體器件——微波礦石檢波器的應用日趨成熟,在軍事上發揮了重要作用,這才引起了人們對半導體的興趣.許多科學家都投入到半導體的深入研究中.經過緊張的研究工作,美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三人捷足先登,合作發明了晶體管——一種三個支點的半導體固體元件.晶體管被人們稱為「三條腿的魔術師」.它的發明是電子技術史中具有劃時代意義的偉大事件,它開創了一個嶄新的時代——固體電子技術時代.他們三人也因研究半導體及發現晶體管效應而共同獲得1956年最高科學獎——諾貝爾物理獎.

肖克利小組與晶體管美國人威廉·肖克利,1910年2月13日生於倫敦,曾在美國麻省理工學院學習量子物理,1936年得到該校博士學位后,進入久負盛名的貝爾實驗室工作.貝爾實驗室是電話發明人貝爾創立的.在電子、特別在通訊領域是最有名氣的研究所,號稱「研究王國」.早在1936年,當時的研究部主任,後來的貝爾實驗室總裁默文·凱利就對肖克利說過,為了適應通訊不斷增長的需要,將來一定會用電子交換取代電話系統的機械轉換.這段話給肖克利留下了不可磨滅的印象,激起他滿腔熱情,把畢生精力投入到推進電子技術進步的事業中.沃爾特·布拉頓也是美國人,1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門,當時他父親受聘在中國任教.布拉頓是實驗專家,1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位后,進入貝爾研究所從事真空管研究工作.溫文儒雅的美國人巴丁

電子管電子管
是一個大學教授的兒子,1908年在美國威斯康星州的麥迪遜出生,相繼於1928年和1929年在威斯康星大學獲得兩個學位.後來又轉入普林斯頓大學攻讀固體物理,1936年獲得博士學位.1945年來到貝爾實驗室工作.默文·凱利是一位頗有遠見的科技管理人員.他從30年代起,就注意尋找和採用新材料及依據新原理工作的電子放大器件.在第二次世界大戰前後,敏銳的科研洞察力促使他果斷地決定加強半導體的基礎研究,以開拓電子技術的新領域.於是,1945年夏天,貝爾實驗室正式決定以固體物理為主要研究方向,並為此制定了一個龐大的研究計劃.發明晶體管就是這個計劃的一個重要組成部分.1946年1月,貝爾實驗室的固體物理研究小組正式成立了.這個小組以肖克利為首,下轄若干小組,其中之一包括布拉頓、巴丁在內的半導體小組.在這個小組中,活躍著理論物理學家、實驗專家、物理化學家、線路專家、冶金專家、工程師等多學科多方面的人才.他們通力合作,既善於汲取前人的有益經驗,又注意借鑒同時代人的研究成果,博採眾家之長.小組內部廣泛開展有益的學術探討.「有新想法,新問題,就召集全組討論,這是習慣」.在這樣良好的學術環境中,大家都充滿熱情,完全沉醉在理論物理領域的研究與探索中.

開始,布拉頓和巴丁在研究晶體管時,採用的是肖克利提出的場效應概念.場效應設想是人們提出的第一個固體放大器的具體方案.根據這一方案,他們仿照真空三極體的原理,試圖用外電場控制半導體內的電子運動.但是事與願違,實驗屢屢失敗.

人們得到的效應比預期的要小得多.人們困惑了,為什麼理論與實際總是矛盾的呢?

電子管電子管

問題究竟出在那裡呢?經過多少個不眠之夜的苦苦思索,巴丁又提出了一種新的理論——表面態理論.這一理論認為表面現象可以引起信號放大效應.表面態概念的引入,使人們對半導體的結構和性質的認識前進了一大步.布拉頓等人乘勝追擊,認真細緻地進行了一系列實驗.結果,他們意外地發現,當把樣品和參考電極放在電解液里時,半導體表面內部的電荷層和電勢力發生了改變,這不正是肖克利曾經預言過的場效應嗎?這個發現使大家十分振奮.在極度興奮中,他們加快了研究步伐,利用場效應又反覆進行了實驗.誰知,繼續實驗中突然發生了與以前截然不同的效應.這接踵而至的新情況大大出乎實驗者的預料.

人們的思路被打斷了,製作實用器件的原計劃不能不改變了,漸趨明朗的形勢又變得撲朔迷離了.然而肖克利小組並沒有知難而退.他們緊緊循著茫茫迷霧中的一絲光亮,改變思路,繼續探索.經過多次地分析、計算、實驗,1947年12月23日,人們終於得到了盼望已久的「寶貝」.這一天,巴丁和布拉頓把兩根觸絲放在鍺半導體晶片的表面上,當兩根觸絲十分靠近時,放大作用發生了.世界第一隻固體放大器——晶體管也隨之誕生了.在這值得慶祝的時刻,布拉頓按捺住內心的激動,仍然一絲不苟地在實驗筆記中寫道:「電壓增益100,功率增益40,電流損失1/2.5……親眼目睹並親耳聽聞音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和包文.」在布拉頓的筆記上,皮爾遜、摩爾和肖克利等人分別簽上了日期和他們的名字表示認同.

巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管,是金屬觸絲和半導體的某一點接觸,故稱點接觸晶體管.這種晶體管對電流、電壓都有放大作用.

電子管電子管

晶體管發明之後基於嚴謹的科學態度,貝爾實驗室並沒有立即發表肖克利小組的研究成果.他們認為,還需要時間弄清晶體管的效應,以便編寫論文和申請專利.此後一段時間裡,肖克利等人在極度緊張的狀態中忙碌地工作著.他們心中隱藏著一絲憂慮.如果別人也發明了晶體管並率先公布了,他們的心血就付之東流了.他們的擔心絕非多慮,當時許多科學家都在潛心於這一課題的研究.1948年初,在美國物理學會的一次會議上,柏杜大學的布雷和本澤報告了他們在鍺的點接觸方面所進行的實驗及其發現.當時貝爾實驗室發明晶體管的秘密尚未公開,它的發明人之一——布拉頓此刻就端坐在聽眾席上.布拉頓清楚地意識到布雷等人的實驗距離晶體管的發明就差一小步了.因此,會後布雷與布拉頓聊天時談到他們的實驗時,布拉頓立刻緊張起來.他不敢多開口,只讓對方講話,生怕泄密給對方,支吾幾句就匆匆忙忙地走開了.後來,布雷曾惋惜地說過:「如果把我的電極靠近本澤的電極,我們就會得到晶體管的作用,這是十分明白的.」由此可見,當時科學界的競爭是多麼的激烈!實力雄厚的貝爾實驗室在這場智慧與技能的角逐中,也不過略勝一籌.

晶體管發明半年以後,在1948年6月30日,貝爾實驗室首次在紐約向公眾展示了晶體管.這個偉大的發明使許多專家不勝驚訝.然而,對於它的實用價值,人們大都表示懷疑.當年7月1日的《紐約時報》只以8個句子、201個文字的短訊形式報道了本該震驚世界的這條新聞.在公眾的心目中,晶體管不過是實驗室的珍品而已.估計只能做助聽器之類的小東西,不可能派上什麼大用場.

電子管電子管

的確,當時的點接觸晶體管同礦石檢波器一樣,利用觸鬚接點,很不穩定,雜訊大,頻率低,放大功率小,性能還趕不上電子管,製作又很困難.難怪人們對它無動於衷.然而,物理學家肖克利等人卻堅信晶體管大有前途,它的巨大潛力還沒有被人們所認識.於是,在點接觸式晶體管發明以後,他們仍然不遺餘力,繼續研究.又經過一個多月的反覆思索,肖克利瘦了,眼中也布滿了血絲.一個念頭卻在心中越來越明晰了,那就是以往的研究之所以失敗,根本原因在於人們不顧一切地盲目模模擬空三極體.這實際上走入了研究的誤區.晶體管同電子管產生於完全不同的物理現象,這就暗示晶體管效應有其獨特之處.明白了這一點,肖克利當即決定暫時放棄原來追求的場效應晶體管,集中精力實現另一個設想——晶體管的放大作用.正確的思想終於開出了最美的花朵.1948年11月,肖克利構思出一種新型晶體管,其結構像「三明治」夾心麵包那樣,把N型半導體夾在兩層P型半導體之間.這是一個多麼富有想象力的設計啊!可惜的是,由於當時技術條件的限制,研究和實驗都十分困難.直到1950年,人們才成功地製造出第一個PN結型晶體管.

電子技術發展史上一座里程碑晶體管的出現,是電子技術之樹上綻開的一朵絢麗多彩的奇葩.同電子管相比,晶體管具有諸多優越性:①晶體管的構件是沒有消耗的.無論多麼優良的電子管,都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化.由於技術上的原因,晶體管製作之初也存在同樣的問題.隨著材料製作上的進步以及多方面的改善,晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍,稱得起永久性器件的美名.②晶體管消耗電子極少,僅為電子管的十分之一或幾十分之一.它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子.一台晶體管收音機只要幾節乾電池就可以半年一年地聽下去,這對電子管收音機來說,是難以做到的.③晶體管不需預熱,一開機就工作.例如,晶體管收音機一開就響,晶體管電視機一開就很快出現畫面.電子管設備就做不到這一點.開機后,非得等一會兒才聽得到聲音,看得到畫面.顯然,在軍事、測量、記錄等方面,晶體管是非常有優勢的.④晶體管結實可靠,比電子管可靠100倍,耐衝擊、耐振動,這都是電子管所無法比擬的.另外,晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一,放熱很少,可用於設計小型、複雜、可靠的電路.晶體管的製造工藝雖然精密,但工序簡便,有利於提高元器件的安裝密度.正因為晶體管的性能如此優越,晶體管誕生之後,便被廣泛地應用於工農業生產、國防建設以及人們日常生活中.1953年,首批電池式的晶體管收音機一投放市場,就受到人們的熱烈歡迎,人們爭相購買這種收音機.接著,各廠家之間又展開了製造短波晶體管的競賽.此後不久,不需要交流電源的袖珍「晶體管收音機」開始在世界各地出售,又引起了一個新的消費熱潮.

電子管極鰭式場效晶體管:摩爾定律

由於硅晶體管適合高溫工作,可以抵抗大氣影響,在電子工業領域是最受歡迎的產品之一.從1967年以來,電子測量裝置或者電視攝像機如果不是「晶體管化」的,那麼就別想賣出去一件.輕便收發機,甚至車載的大型發射機也都晶體管化了.

另外,晶體管還特別適合用作開關.它也是第二代計算機的基本元件.人們還常常用硅晶體管製造紅外探測器.就連可將太陽能轉變為電能的電池——太陽能電池也都能用晶體管製造.這種電池是遨遊於太空的人造衛星的必不可少的電源.晶體管這種小型簡便的半導體元件還為縫紉機、電鑽和熒光燈開拓了電子控制的途徑.從1950年至1960年的十年間,世界主要工業國家投入了巨額資金,用於研究、開發與生產晶體管和半導體器件.例如,純凈的鍺或硅半導體,導電性能很差,但加入少量其它元素(稱為雜質)后,導電性能會提高許多.但是要想把定量雜質正確地熔入鍺或硅中,必須在一定的溫度下,通過加熱等方法才能實現.而一旦溫度高於攝氏75度,晶體管就開始失效.為了攻克這一技術難關,美國政府在工業界投資數百萬美元,以開展這項新技術的研製工作.在這樣雄厚的財政資助下,沒過多久,人們便掌握了這種高熔點材料的提純、熔煉和擴散的技術.特別是晶體管在軍事計劃和宇宙航行中的威力日益顯露出來以後,為爭奪電子領域的優勢地位,世界各國展開了激烈的競爭.為實現電子設備的小型化,人們不惜成本,紛紛給電子工業以巨大的財政資助.

自從1904年弗萊明發明真空二極體,1906年德福雷斯特發明真空三極體以來,電子學作為一門新興學科迅速發展起來.但是電子學真正突飛猛進的進步,還應該是從晶體管發明以後開始的.尤其是PN結型晶體管的出現,開闢了電子器件的新紀元,引起了一場電子技術的革命.在短短十餘年的時間裡,新興的晶體管工業以不可戰勝的雄心和年輕人那樣無所顧忌的氣勢,迅速取代了電子管工業通過多年奮鬥才取得的地位,一躍成為電子技術領域的排頭兵.現代電子技術的基礎誠然,電子管的發明使電子設備發生了革命性變化.但是電子管體大易碎,費電又不可靠.因此,晶體管的問世被譽為本世紀最偉大的發明之一,它解決了電子管存在的大部分問題.可是單個晶體管的出現,仍然不能滿足電子技術飛速發展的需要.隨著電子技術應用的不斷推廣和電子產品發展的日趨複雜,電子設備中應用的電子器件越來越多.比如二次世界大戰末出現的B29轟炸機上裝有1千個電子管和1萬多個無線電元件.電子計算機就更不用說了.1960年上市的通用型號計算機有10萬個二極體和2.5萬個晶體管.一個晶體管只能取代一個電子管,極為複雜的電子設備中就可能要用上百萬個晶體管.一個晶體管有3條腿,複雜一些的設備就可能有數百萬個焊接點,稍一不慎,就極有可能出現故障.為確保設備的可靠性,縮小其重量和體積,人們迫切需要在電子技術領域來一次新的突破.1957年蘇聯成功地發射了第一顆人造衛星.這一震驚世界的消息引起了美國朝野的極大震動,它嚴重挫傷了美國人的自尊心和優越感,發達的空間技術是建立在先進的電子技術基礎上的.為奪得空間科技的領先地位,美國政府於1958年成立了國家航空和宇航局,負責軍事和宇航研究,為實現電子設備的小型化和輕量化,投入了天文數字的經費.就是在這種激烈的軍備競賽的刺激下,在已有的晶體管技術的基礎上,一種新興技術誕生了,那就是今天大放異彩的集成電路.有了集成電路,計算機、電視機等與人類社會生活密切相關的設備不僅體積小了,功能也越來越齊全了,給現代人的工作、學習和娛樂帶來了極大便利.那麼,什麼是集成電路呢?集成電路是在一塊幾平方毫米的極其微小的半導體晶片上,將成千上萬的晶體管、電阻、電容、包括連接線做在一起.真正是立錐之地布千軍.它是材料、元件、晶體管三位一體的有機結合.

集成電路的問世是離不開晶體管技術的,沒有晶體管就不會有集成電路.本質上,集成電路是最先進的晶體管——外延平面晶體製造工藝的延續.集成電路設想的提出,同晶體管密切相關.1952年,英國皇家雷達研究所的一位著名科學家達默,在一次會議上曾指出:「隨著晶體管的出現和對半導體的全面研究,現在似乎可以想象,未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件.」雖然達默的設想並未付諸實施,但是他為人們的深入研究指明了方向.

後來,一個叫基爾比的美國人步達默的後塵,走上了研究固體組件這條崎嶇的小路.基爾比畢業於伊利諾斯大學電機工程系.1952年一個偶然機會,基爾比參加了貝爾實驗室的晶體管講座.富於創造性的基爾比一下子就被晶體管這個小東西迷住了.

當時,他在一家公司負責一項助聽器研究計劃.心繫晶體管的基爾比不由自主地想把晶體管用在助聽器上,他果然獲得了成功.他研究出一種簡便的方法,將晶體管直接安裝在塑料片上,並用陶瓷密封.初步的成功使他對晶體管的興趣與日俱增.為尋求更大的發展,基爾比於1958年5月進入得克薩斯儀器公司.當時,公司正參與美國通信部隊的一項微型組件計劃.基爾比非常希望能在這一計劃中一顯身手.強烈的自尊促使他決心憑自己的智慧和努力進入這一計劃.於是,他常常一個人埋頭在工廠,思考採用半導體製造整個電路的途徑.記不清多少次苦苦思索,多少回實驗,多少次挫折,經過長時間的孤軍奮戰,到1959年,一塊集成電路板終於在基爾比的手中誕生了.

同年3月,這一產品被拿到無線電工程師協會上展出.得克薩斯公司當時的副總裁謝潑德自豪地宣布,這是「硅晶體管后得克薩斯儀器公司最重要的開發成果」.在晶體管技術基礎上迅速發展起來的集成電路,帶來了微電子技術的突飛猛進.

微電子技術的不斷進步,極大降低了晶體管的成本,在1960年,生產1隻晶體管要花10美元,而今天,1隻嵌入集成電路里的晶體管的成本還不到1美分.這使晶體管的應用更為廣泛了.

不僅如此,微電子技術通過微型化、自動化、計算機化和機器人化,將從根本上改變人類的生活.它正在衝擊著人類生活的許多方面:勞動生產、家庭、政治、科學、戰爭與和平.
晶閘管T在工作過程中,它的陽極A和陰極K與電源和負載連接,組成晶閘管的主電路,晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接,組成晶閘管的控制電路。


晶閘管的工作條件:


1. 晶閘管承受反向陽極電壓時,不管門極承受和種電壓,晶閘管都處於關短狀態。

2. 晶閘管承受正向陽極電壓時,僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。

3. 晶閘管在導通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,不論門極電壓如何,晶閘管保持導通,即晶閘管導通后,門極失去作用。

4. 晶閘管在導通情況下,當主迴路電壓(或電流)減小到接近於零時,晶閘管關斷。

從晶閘管的內部分析工作過程:

晶閘管是四層三端器件,它有J1、J2、J3三個PN結圖1,可以把它中間的NP分成兩部分,構成一個PNP型三極體和一個NPN型三極體的複合管圖2

當晶閘管承受正向陽極電壓時,為使晶閘管導銅,必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此,兩個互相複合的晶體管電路,當有足夠的門機電流Ig流入時,就會形成強烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導通,晶體管飽和導通。
設PNP管和NPN管的集電極電流相應為Ic1和Ic2;發射極電流相應為Ia和Ik;電流放大係數相應為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik,設流過J2結的反相漏電電流為Ic0,
晶閘管的陽極電流等於兩管的集電極電流和漏電流的總和:
Ia=Ic1 Ic2 Ic0 或Ia=a1Ia a2Ik Ic0
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=Ia Ig
從而可以得出晶閘管陽極電流為:I=(Ic0 Iga2)/(1-(a1 a2))(1—1)式
硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大係數a1和a2隨其發射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
當晶閘管承受正向陽極電壓,而門極未受電壓的情況下,式(1—1)中,Ig=0,(a1 a2)很小,故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘關處於正向阻斷狀態。當晶閘管在正向陽極電壓下,從門極G流入電流Ig,由於足夠大的Ig流經NPN管的發射結,從而提高起點流放大係數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發射結,並提高了PNP管的電流放大係數a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。從圖3,當a1和a2隨發射極電流增加而(a1 a2)≈1時,式(1—1)中的分母1-(a1 a2)≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時,流過晶閘管的電流完全由主迴路的電壓和迴路電阻決定。晶閘管已處於正嚮導通狀態。
式(1—1)中,在晶閘管導通后,1-(a1 a2)≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續導通。晶閘管在導通后,門極已失去作用。

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