芯片半导体基础(一)：真空二极管、三极管工作原理-编程知识

芯片半导体基础(一)：真空二极管、三极管工作原理

liwen01 2025.01.05

半导体的前身是真空管，在集成电路被发明前，真空管被广泛应用于收音机、电话、无线电、雷达、电视、电子计算机等电子设备中。

真空管也叫电子管，在不同的资料中称呼可能不一样，这里我们统称为真空管。

因为翻译的原因，Triode 三极管实际指代的是真空三极管，而不是我们现在使用的晶体三极管。在了解半导体前有必要对真空管有一个简单的了解。

1879年爱迪生发明了电灯泡，但是早期的电灯泡使用时间长了之后，外面的玻璃容易变黑，从而导致电灯泡的亮度变低，爱迪生认为是部分灯丝碳化后的烟尘覆盖在了玻璃上。

为解决电灯泡玻璃变黑的问题，爱迪生尝试将一铜片安装在电灯泡里面，以尝试阻挡灯丝高温碳化后的烟尘。在试验的时候却发现了奇怪的现象：在电灯泡亮了一段时间之后，用来阻挡烟尘的铜片产生了单向的电流。而铜片是位于玻璃真空管内部，与带电的灯丝之间应该是绝缘的才对。

爱迪生无法解释铜片产生单向电流的原因，他周边的其它科学家也无法给出合理的解释。专注于新发明和实际应用的爱迪生无暇顾及电灯泡里的这个现象，习惯性地申请了一个专利后，他就将它忘在脑后了。

后来人们称这一现象为爱迪生效应，或者是 真空电子发射效应

爱迪生效应原理

后来在其它科学家的探索中我们知道：在真空管中，当电流通过阴极(灯丝)时，它会使灯丝变热。根据热电子发射原理，阴极的温度升高到一定程度时，灯丝表面的电子会获得足够的能量克服金属表面的势垒(也就是逸出功)，从而被释放到真空中,这个过程称为热电子发射。

可以简单理解为：灯丝通电受热后，灯丝原子中的电子逃逸出去，飞向了铜片，从而产生了单向电流。

受爱迪生效应的启发，弗莱明在1904年发明了最早的真空二极管，也被称为弗莱明阀

在弗莱明阀中，靠近灯丝端是阴极，在原来铜块的位置是阳极。

当外部加一个反向的电源，如下图(a),铜片处是带负电，与正极间形成一个电场，灯丝加热后，溢出的电子受到电场力的作用，朝外部电源的正极移动，所以外部电源断开，不能导通。

当外部接一个正向的电源时(上图b)，铜板与灯丝间的电场反向,灯丝加热后溢出的电子在电场力的作用下，往铜板的方向移动，这时，整个电路导通。

这就是最早的真空二极管，具有单向导通的作用。

在20世纪初真空管刚发明的时候，还没有长途电话、收音机、电视机和计算机这些东西，在赫兹通过试验验证了电磁波的存在后，人们才开始尝试使用无线电磁波进行通信的试验。

无线信号的载波信号一般都是高频信号，因为高频信号传输效果比低频的好。比如现在调幅(AM)广播的频率一般是153 kHz~26.1 MHz，调频(FM)广播的频率是87.5 MHz ~108 MHz，而人耳能听到的声音频率只有 20Hz ~ 20kHz。

无线电在发送的时候，是将声音的低频信号与载波的高频信号进行调制，使发送的无线信号中带有声音信息，这个过程叫信号的调制。

以调幅广播举例，收音机天线接收到高频交变的无线信号之后，先是利用二极管的单向导通性，将信号的负半部分去除，就变成了单向的脉冲直流信号。在这之后，再通过电阻和电容组成的低通滤波电路，就可以得到调幅广播的低频信号了，这个就是声音的信号了。这个过程实际上也就是无线电的解调过程。

早期人们是使用金属屑检波器进行检波，但它的开关速度很慢，效果不好。而真空二极管里面没有机械部分，电流纯靠电子的流动，因此开关速度比金属屑检波器快很多。

在上面检波的过程中，我们是直接把交变信号中的负半部分去除了，如果是要将交流电转换为直流电，这样其实是把一半的电能丢弃掉了。

为了可以尽可能地完整使用交流电中的所有电能，可以使用二极管桥接成一个整流电路

上图左边输入的是交变电流

在(a)图中，输入电流从上边正极向右到达D点，由于二极管的单向导通性，它只能通过D2到达A点，经过负载电灯到达B点，再经过D3二极管到达C点后回到电源的负极，形成一个环路。
在(b)图中，输入电流从下边正极到C点，经过D4二极管到达A点，经过电灯负载到达B点再经过D1二极管到达D点回到电源的负极形成一个环路。

对于负载灯泡而言，不管外部输入的是交变电流的正半部分还是负半部分，电流都是从A流向B，从而实现了电能的全部使用。