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电流不稳的原因,是由于屏极和栅极都是平板状的,从阴极发射出来的电子
有一部分散射
到两侧的玻璃上,引起电流不均匀。后来,他把屏极和栅极都改成圆筒
状,把阴极围起来,问题就解决了。三极管寿命不长的问题,后来也弄清楚
了,那是因为真空度不够造成的。到1910年,德国科学家发明分子泵以后,
三极管里可以抽成高度真空,使用寿命延长到上千个小时。这以后,三极管
很快就投入大批量生产,广泛应用。到1918年,各种类型的无线电收发报机
和电子设备都普遍采用了三极管。由于三极管的放大功能,出现了很多新型
的电子电路,比如电子管振荡器、混频电路、放大器、多谐振荡器、双稳触
发器等,并且最后改变了早期通信机的制式。原来简单的直发直收和用检波
做核心的通信方式,1912年以后逐渐被阿姆斯特朗和费森登 (1866-1932)
发明的超外差式所取代。超外差式在选择性和灵敏度上都具有很大的优越
性,构成了现代各种通信机的基本制式。在现代接收机中,检波器已经退居
到次要的地位。总之,三极管使无线电发生了根本的变革。正象一个日本传
记作家指出的,“真空三极管的发明,象升起了一颗信号弹,使全世界科学
家都争先恐后地朝着这个方向去研究。因此,在一个不长的时期里,电子器
件获得了惊人的发展。”从三极管发展到四极管、五极管、七极管、大功率
发射管等,形成了一个庞大的电子器件家族。
电子管的出现是电子科学技术史上一件划时代的大事,它推动了无线电
技术的迅猛发展,奠定了近代电子工业的基础。正是有了电子管,在短短的
二十年里,远程无线电通信、无线电话、收音机、广播、电视、雷达、高频
加热炉才象雨后春笋那样地涌现出来,世界上第一台电子计算机才能够制造
出来。
人们把电子管称做无线电的心脏,一点都不过分。准确地说,电子管是
整个电子工业的心脏。就是在晶体管、集成电路广泛应用的今天,电子管在
电子工业中仍旧起着重要的作用。
德福雷斯特除了发明三极管以外,还为电子技术的发展做了不少工作。
他参加了发明再生电路的工作,后来还研究过有声电影。德福雷斯特晚年的
生活过得比较平静和快乐。他出售专利获得的钱财,一部分花在涉及发明权
的诉讼上(在资本主义社会总有打不完的官司),一部分用来办了一个无线
电研究所。无线电发明家不少是高龄的,布冉利终年九十六岁;洛奇跟布冉
利同年去世,享年八十九岁。德福雷斯特一直活到1961年,享年八十八岁。
他的后半生不象有的发明家那样烜赫,七十一岁那年,他在好莱坞附近办了
一座小工厂,靠生产和销售一些传热电器维持生活。由于瑞典皇家科学院的
疏忽,德福雷斯特没有获得诺贝尔奖金。但是,他卓越的贡献却是举世公认
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的,他被尊为近代电子工业的鼻祖。美国人民甚至尊称他是“无线电之父”。
德福雷斯特的一生,经历了坎坷和曲折,也没有获得荣誉和地位。他没
有爱迪生那样的辉煌战果,也不象马可尼那样赫赫有名。但是他发明的三极
管,却给刚刚诞生的无线电事业开辟了无限广阔的前景。正是他给无线电装
上了心脏,这就是他的功勋,他的伟大。
探索新器件
科学总是要向前发展的。电子管在电子技术领域里统治了四十年之久,
随着时间的推移和电子技术的深入发展,它的局限性日益显露出来了。
一个最典型的例子,是二十世纪四十年代中期问世的世界第一台电子计
算机。这台代表当时最新技术水平的样机,总共用了一万八千个电子管,有
十个房间那样大,耗电量高达二百千瓦,而且电子管要经常更换。由于存在
体积大、耗电多、容易破碎,操作以前需要预热这些缺点,电子管成了电子
技术进一步发展的障碍。不少电子专家看到这一点,都想寻求解决的办法。
美国贝尔研究所的执行副所长凯利是个电子管专家,他在第二次世界大
战以前就看出了电子管的缺陷。作为一个有远见的科学研究的领导人,他认
为要进一步发展通信事业,就必须寻求一种新的电子器件。
1945年初夏的一天,凯利在贝尔研究所办公室同肖克莱(1910-)谈起
这个问题。肖克莱当时只有三十五岁,他在二十六岁就获得理学博士学位,
多年研究固体物理学,理论上的造诣比较深,是所里的固体物理专家。他很
同意凯利的看法,并且向他介绍说,世界上很多国家都在研究半导体材料的
特性。
“你觉得应该朝哪个方向努力才比较有希望呢?”最后,凯利征求这个
青年科学家的意见。
肖克莱想了一下,胸有成竹地回答:“我认为半导体物理学是应该探索
的领域。”他这个建议是有充分根据的,因为当时半导体已经开始被用来制
造电子器件,虽然还只是制造二极管、变阻器等小元件,但是已经显示出前
途很有希望。
凯利采纳了肖克莱的意见,当机立断,作出了加强半导体基础研究的战
略性决定。
同年下半年,贝尔研究所成立了以肖克莱、巴丁(1908-)、布拉坦
(1902…)为核心的固体物理学研究小组,由肖克莱担任组长。巴丁三十八岁,
也是个固体物理学专家,早年搞过电气工程。布拉坦年纪稍大些,四十三岁,
有丰富的半导体实验研究的经验。研究小组的阵容很强,除了他们三个人以
外,还配备了搞物理化学和电路研究的几个专业人员。
小组成立以后,很快就确定了研究方向。他们没有急忙投入半导体放大
器的研制工作,而是先研究半导体的导电机制。初看起来,这好象有些不着
边际,实际上却是正确的。因为当时对半导体的性能还不大清楚,匆忙地去
搞器件研制,一定会有很大的盲目性,反倒效果不好。
肖克莱小组选择锗和硅做研究对象,在两年时间里进行了大量的实验。
他们对半导体的性能,包括半导体…金属接触的整流作用、阻挡层势垒等,进
行了分析研究,希望能够找到控制半导体里电子流动的方法。
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在扎实而广泛的基础研究中,他们时刻记着最终的目标——寻找一种新
的半导体放大器件。
怎样能够实现放大作用呢?德福雷斯特在二极管的两个电极中间加上第
三个电极,大功就告成了。半导体可不这样简单,因为它的导电机制比真空
管复杂得多。一块半导体晶体,就是含有百万分之一的微量杂质,导电性能
也要受到很大的影响。很明显,控制半导体内部的电子运动要困难得多。
肖克莱不愧是个战略家。他根据对半导体的多年探索,提出了一个被称
做“场效应”的设想,从理论上预言:当半导体层薄得同表面空间电荷层相
近的时候,就可以用和表面垂直的电场来控制薄膜的电阻率,使平行表面流
动的电流受到控制,起到放大作用。
没有多久,布拉坦跟一个助手在电解液里测定半导体在光照下的接触电
动势,也就是光生电动势的时候,发现了一个新奇的现象。他们实验的本意,
是测量光生电动势同温度的关系。但是当他们改变锗样品同电极之间的电压
和方向的时候,意外地发现光生电动势的大小和极性也随着改变了。原来这
正是肖克莱所预见的“场效应”!
第二天清晨,巴丁满面春风地走进布拉坦的办公室,拿出一张半导体放
大装置的设计草图,建议布拉坦试一试。只不过一夜工夫,巴丁就提出了具
体的实施方案,可见他解决问题的才干和急迫的心情。
布拉坦接过图纸看了一眼,立刻说:“我们现在就到实验室去试验吧!”
永无止境
半个小时以后