电子管( 五 ) _生活百科

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电子管功率功率放大管：6P3P，EL34 开始，布拉顿和巴丁在研究电晶体时，採用的是肖克利提出的场效应概念．场效应构想是人们提出的第一个固体放大器的具体方案．根据这一方案，他们仿照真空三极体的原理，试图用外电场控制半导体内的电子运动．但是事与愿违，实验屡屡失败．人们得到的效应比预期的要小得多．人们困惑了，为什幺理论与实际总是矛盾的呢？问题究竟出在那里呢？经过多少个不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一种新的理论——表面态理论．这一理论认为表面现象可以引起信号放大效应．表面态概念的引入，使人们对半导体的结构和性质的认识前进了一大步．布拉顿等人乘胜追击，认真细緻地进行了一系列实验．结果，他们意外地发现，当把样品和参考电极放在电解液里时，半导体表面内部的电荷层和电势力发生了改变，这不正是肖克利曾经预言过的场效应吗?这个发现使大家十分振奋．在极度兴奋中，他们加快了研究步伐，利用场效应又反覆进行了实验．谁知，继续实验中突然发生了与以前截然不同的效应．这接踵而至的新情况大大出乎实验者的预料．人们的思路被打断了，製作实用器件的原计画不能不改变了，渐趋明朗的形势又变得扑朔迷离了．然而肖克利小组并没有知难而退．他们紧紧循着茫茫迷雾中的一丝光亮，改变思路，继续探索．经过多次地分析、计算、实验，1947年12月23日，人们终于得到了盼望已久的“宝贝”．这一天，巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放大作用发生了．世界第一只固体放大器——电晶体也随之诞生了．在这值得庆祝的时刻，布拉顿按捺住内心的激动，仍然一丝不苟地在实验笔记中写道：“电压增益100，功率增益40，电流损失1/2.5……亲眼目睹并亲耳听闻音频的人有吉布尼、摩尔、巴丁、皮尔逊、肖克利、弗莱彻和包文．”在布拉顿的笔记上，皮尔逊、摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同．巴丁和布拉顿实验成功的这种电晶体，是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触电晶体．这种电晶体对电流、电压都有放大作用．电晶体发明之后基于严谨的科学态度，贝尔实验室并没有立即发表肖克利小组的研究成果．他们认为，还需要时间弄清电晶体的效应，以便编写论文和申请专利．此后一段时间里，肖克利等人在极度紧张的状态中忙碌地工作着．他们心中隐藏着一丝忧虑．如果别人也发明了电晶体并率先公布了，他们的心血就付之东流了．他们的担心绝非多虑，当时许多科学家都在潜心于这一课题的研究．1948年初，在美国物理学会的一次会议上，柏杜大学的布雷和本泽报告了他们在锗的点接触方面所进行的实验及其发现．当时贝尔实验室发明电晶体的秘密尚未公开，它的发明人之一——布拉顿此刻就端坐在听众席上．布拉顿清楚地意识到布雷等人的实验距离电晶体的发明就差一小步了．因此，会后布雷与布拉顿聊天时谈到他们的实验时，布拉顿立刻紧张起来．他不敢多开口，只让对方讲话，生怕泄密给对方，支吾几句就匆匆忙忙地走开了．后来，布雷曾惋惜地说过：“如果把我的电极靠近本泽的电极，我们就会得到电晶体的作用，这是十分明白的．”由此可见，当时科学界的竞争是多幺的激烈！实力雄厚的贝尔实验室在这场智慧与技能的角逐中，也不过略胜一筹．电晶体发明半年以后，在1948年6月30日，贝尔实验室首次在纽约向公众展示了电晶体．这个伟大的发明使许多专家不胜惊讶．然而，对于它的实用价值，人们大都表示怀疑．当年7月1日的《纽约时报》只以8个句子、201个文字的短讯形式报导了本该震惊世界的这条新闻．在公众的心目中，电晶体不过是实验室的珍品而已．估计只能做助听器之类的小东西，不可能派上什幺大用场．的确，当时的点接触电晶体同矿石检波器一样，利用触鬚接点，很不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，製作又很困难．难怪人们对它无动于衷．然而，物理学家肖克利等人却坚信电晶体大有前途，它的巨大潜力还没有被人们所认识．于是，在点接触式电晶体发明以后，他们仍然不遗余力，继续研究．又经过一个多月的反覆思索，肖克利瘦了，眼中也布满了血丝．一个念头却在心中越来越明晰了，那就是以往的研究之所以失败，根本原因在于人们不顾一切地盲目模仿真空三极体．这实际上走入了研究的误区．电晶体同电子管产生于完全不同的物理现象，这就暗示电晶体效应有其独特之处．明白了这一点，肖克利当即决定暂时放弃原来追求的场效应电晶体，集中精力实现另一个构想——电晶体的放大作用．正确的思想终于开出了最美的花朵．1948年11月，肖克利构思出一种新型电晶体，其结构像“三明治”夹心麵包那样，把N型半导体夹在两层P型半导体之间．这是一个多幺富有想像力的设计啊！可惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实验都十分困难．直到1950年，人们才成功地製造出第一个PN结型电晶体．电子技术发展史上一座里程碑电晶体的出现，是电子技术之树上绽开的一朵绚丽多彩的奇葩．同电子管相比，电晶体具有诸多优越性：①电晶体的构件是没有消耗的．无论多幺优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化．由于技术上的原因，电晶体製作之初也存在同样的问题．随着材料製作上的进步以及多方面的改善，电晶体的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名．②电晶体消耗电子极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一．它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子．一台电晶体收音机只要几节乾电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的．③电晶体不需预热，一开机就工作．例如，电晶体收音机一开就响，电晶体电视机一开就很快出现画面．电子管设备就做不到这一点．开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面．显然，在军事、测量、记录等方面，电晶体是非常有优势的．④电晶体结实可靠，比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的．另外，电晶体的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、複杂、可靠的电路．电晶体的製造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度．正因为电晶体的性能如此优越，电晶体诞生之后，便被广泛地套用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中．1953年，首批电池式的电晶体收音机一投放市场，就受到人们的热烈欢迎，人们争相购买这种收音机．接着，各厂家之间又展开了製造短波电晶体的竞赛．此后不久，不需要交流电源的袖珍“电晶体收音机”开始在世界各地出售，又引起了一个新的消费热潮。效电晶体摩尔定律由于硅电晶体适合高温工作，可以抵抗大气影响，在电子工业领域是最受欢迎的产品之一．从1967年以来，电子测量装置或者电视摄像机如果不是“电晶体化”的，那幺就别想卖出去一件．轻便收发机，甚至车载的大型发射机也都电晶体化了．另外，电晶体还特别适合用作开关．它也是第二代计算机的基本元件．人们还常常用硅电晶体製造红外探测器．就连可将太阳能转变为电能的电池——太阳能电池也都能用电晶体製造．这种电池是遨游于太空的人造卫星的必不可少的电源．电晶体这种小型简便的半导体元件还为缝纫机、电钻和萤光灯开拓了电子控制的途径．从1950年至1960年的十年间，世界主要工业国家投入了巨额资金，用于研究、开发与生产电晶体和半导体器件．例如，纯净的锗或硅半导体，导电性能很差，但加入少量其它元素(称为杂质)后，导电性能会提高许多．但是要想把定量杂质正确地熔入锗或硅中，必须在一定的温度下，通过加热等方法才能实现．而一旦温度高于摄氏75度，电晶体就开始失效．为了攻克这一技术难关，美国政府在工业界投资数百万美元，以开展这项新技术的研製工作．在这样雄厚的财政资助下，没过多久，人们便掌握了这种高熔点材料的提纯、熔炼和扩散的技术．特别是电晶体在军事计画和宇宙航行中的威力日益显露出来以后，为争夺电子领域的优势地位，世界各国展开了激烈的竞争．为实现电子设备的小型化，人们不惜成本，纷纷给电子工业以巨大的财政资助．自从1904年弗莱明发明真空二极体，1906年德福雷斯特发明真空三极体以来，电子学作为一门新兴学科迅速发展起来．但是电子学真正突飞猛进的进步，还应该是从电晶体发明以后开始的．尤其是PN结型电晶体的出现，开闢了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命．在短短十余年的时间里，新兴的电晶体工业以不可战胜的雄心和年轻人那样无所顾忌的气势，迅速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地位，一跃成为电子技术领域的排头兵．现代电子技术的基础诚然，电子管的发明使电子设备发生了革命性变化．但是电子管体大易碎，费电又不可靠．因此，电晶体的问世被誉为本世纪最伟大的发明之一，它解决了电子管存在的大部分问题．可是单个电晶体的出现，仍然不能满足电子技术飞速发展的需要．随着电子技术套用的不断推广和电子产品发展的日趋複杂，电子设备中套用的电子器件越来越多．比如二次世界大战末出现的B29轰炸机上装有1千个电子管和1万多个无线电元件．电子计算机就更不用说了．1960年上市的通用型号计算机有10万个二极体和2.5万个电晶体．一个电晶体只能取代一个电子管，极为複杂的电子设备中就可能要用上百万个电晶体．一个电晶体有3条腿，複杂一些的设备就可能有数百万个焊接点，稍一不慎，就极有可能出现故障．为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，人们迫切需要在电子技术领域来一次新的突破．1957年苏联成功地发射了第一颗人造卫星．这一震惊世界的讯息引起了美国朝野的极大震动，它严重挫伤了美国人的自尊心和优越感，发达的空间技术是建立在先进的电子技术基础上的．为夺得空间科技的领先地位，美国政府于1958年成立了国家航空和宇航局，负责军事和宇航研究，为实现电子设备的小型化和轻量化，投入了天文数字的经费．就是在这种激烈的军备竞赛的刺激下，在已有的电晶体技术的基础上，一种新兴技术诞生了，那就是今天大放异彩的积体电路．有了积体电路，计算机、电视机等与人类社会生活密切相关的设备不仅体积小了，功能也越来越齐全了，给现代人的工作、学习和娱乐带来了极大便利．那幺，什幺是积体电路呢？积体电路是在一块几平方毫米的极其微小的半导体晶片上，将成千上万的电晶体、电阻、电容、包括连线线做在一起．真正是立锥之地布千军．它是材料、元件、电晶体三位一体的有机结合．积体电路的问世是离不开电晶体技术的，没有电晶体就不会有积体电路．本质上，积体电路是最先进的电晶体——外延平面晶体製造工艺的延续．积体电路构想的提出，同电晶体密切相关．1952年，英国皇家雷达研究所的一位着名科学家达默，在一次会议上曾指出：“随着电晶体的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想像，未来电子设备是一种没有连线线的固体组件．”虽然达默的构想并未付诸实施，但是他为人们的深入研究指明了方向．后来，一个叫基尔比的美国人步达默的后尘，走上了研究固体组件这条崎岖的小路．基尔比毕业于伊利诺斯大学电机工程系．1952年一个偶然机会，基尔比参加了贝尔实验室的电晶体讲座．富于创造性的基尔比一下子就被电晶体这个小东西迷住了．当时，他在一家公司负责一项助听器研究计画．心繫电晶体的基尔比不由自主地想把电晶体用在助听器上，他果然获得了成功．他研究出一种简便的方法，将电晶体直接安装在塑胶片上，并用陶瓷密封．初步的成功使他对电晶体的兴趣与日俱增．为寻求更大的发展，基尔比于1958年5月进入德克萨斯仪器公司．当时，公司正参与美国通信部队的一项微型组件计画．基尔比非常希望能在这一计画中一显身手．强烈的自尊促使他决心凭自己的智慧和努力进入这一计画．于是，他常常一个人埋头在工厂，思考採用半导体製造整个电路的途径．记不清多少次苦苦思索，多少回实验，多少次挫折，经过长时间的孤军奋战，到1959年，一块积体电路板终于在基尔比的手中诞生了．同年3月，这一产品被拿到无线电工程师协会上展出．德克萨斯公司当时的副总裁谢泼德自豪地宣布，这是“硅电晶体后德克萨斯仪器公司最重要的开发成果”．在电晶体技术基础上迅速发展起来的积体电路，带来了微电子技术的突飞猛进．微电子技术的不断进步，极大降低了电晶体的成本，在1960年，生产1只电晶体要花10美元，而今天，1只嵌入积体电路里的电晶体的成本还不到1美分．这使电晶体的套用更为广泛了．不仅如此，微电子技术通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，将从根本上改变人类的生活．它正在冲击着人类生活的许多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、战争与和平．晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连线，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连线，组成晶闸管的控制电路。工作条件1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关短状态。2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4. 晶闸管在导通情况下，当主迴路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。从晶闸管的内部分析工作过程：晶闸管是四层三端器件，它有J1.J2.J3三个PN结图1，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极体和一个NPN型三极体的複合管图2当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个电晶体的集电极电流同时就是另一个电晶体的基极电流。因此，两个互相複合的电晶体电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两电晶体饱和导通，电晶体饱和导通。设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大係数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：Ia=Ic1 Ic2 Ic0 或Ia=a1Ia a2Ik Ic0若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia Ig从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0 Iga2)/（1-（a1 a2））（1—1）式硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大係数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,(a1 a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大係数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大係数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1 a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1 a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主迴路的电压和迴路电阻决定。晶闸管已处于正嚮导通状态。式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1 a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。构造原理下面的讨仅限于真空式电子管二极体：考虑一块被加热的金属板，当它的温度达到摄氏800度以上时，会形成电子的加速运动，以至能够摆脱金属板本身对它们的吸引而逃逸到金属表面以外的空间。若在这一空间加上一个十几至几万伏的正向电压（在上面说到的显像管，阳极上就加有7000--27000伏的高压），这些电子就会被吸引飞向正向电压极，流经电源而形成迴路电流。二极体把金属板（阴极），加热源（灯丝），正向电压极板（阳极）封装在一个适当的壳里，即上面说的玻璃（或金属，陶瓷）封装壳，再抽成几近真空，就是电子二极体。需要说明的是由于製造工艺，杂质附着以及材料本身等原因，管内会残留微量余气，成品管都在管内涂敷了一层吸气剂。吸气剂一般使用掺氮的蒸散型锆铝或锆钒材料。除特殊用途外（如超高频和高压整流等），为便于使用和增加一至性，均为两只二极体，或二极三极，或三极三极以及二极五极等合装在一个管壳内，这就是複合管。三极体二极体的结构决定了它的单嚮导电的性质，当在阴极与阳极之间再加上一个带适当电压的极点，这个电压就会改变阴极的表面电位，从而影响了阴极热电子飞向阳极的数量，这就是调製极，一般是用金属丝做成螺旋状的栅网，所以又把它称为栅极。这就是阀门功能了。由此可以知道，当作为被放大的信号电压加在栅极----阴极之间时，由于它的变化必然会使阳极电流发生相应的变化，又由于阳极电压远高于阴极，因此栅阴极间微小的电压变化同样能使阳极产生相应的几十至上百倍的电压变化，这就是三极体放大电压三极体信号的原理。四极管纯粹意义的四极管只是在电子管的发展史上作为验证管出现过而没有进入实用，在商品功放里超过半数以上的机种用的是束射四极管。束射四极管全部是功率管，对功率管的要求是产生儘可能大的阳极电流。束射四极管在电极的结构上做了一些特殊的安排，使其在保持和其它功率管体积差别不大的前提下，能够形成比其它功率管更大的阳极电流。束射四极管的几个结构特点：1. 阴极为椭圆型，这就增加了阴极的有效发射面积，从而增加了热电子的发射量。2. 和三极体一样，在抑制栅极和阳极之间加有帘栅极，作用前面说过了。3. 在帘栅极和和阳极之间加了一对弓型金属板（说到重点了，注意下面的表述），这就是集束屏。集束屏在管内和阴极相连即与阴极等电位，它迫使已经越过帘栅极的电子流只能沿弓型金属板的开口方向成束状射向阳极。检测外观检查1．观察电子管顶部的颜色正常的电子管，其顶部的颜色是银色或黑色。若顶部已变成乳白色或浅黑色，则说明该电子管已漏气或老化。2．观察管内是否有杂物轻轻摇动或用手指轻弹电子管玻壳，再上下颠倒几下仔细观察内是否有碎片、白色氧化物、碎云母片等杂物。若电子管内有杂物，则说明该管经过居中烈振动，其内部极间短路的可能性较大。用万用表检测1．测量灯丝电压用万用表R×1档，测量电子管的两个灯丝引脚的电阻值，正常值只有几欧姆。若测得阻值为无穷大，则说明该电子管的灯丝已断。2．检测电子管是否衰老通过用万用表测量电子管阴极的发射能力，即可判断出电子管是否衰老。检测时，可单独为电子管的灯丝提供工作电压（其余各极电压均不加），预热2min左右，用万用表R×100档，红表笔接电子管极阴，黑表笔接栅极（表内1.5V电池相当于给电子管加上正偏栅压），测量栅、阴极之间的电阻值。正常的电子管，栅、阴极之间的电阻值应小于3kΩ 。若测得电子管栅、阴极之间的阻值大于3 kΩ，则说明该电子管已衰老。该电阻值越大，电子管的衰老程度越严重。