2  近代电子学^[5～9］

    电子管的发明主要是由特福雷斯特(Deforest)与美国电信电话公司以及通用电气公司的科学家们共同研究的结果，并开创了使用电子管电路的理论研究。从第一次世界大战结束至第二次世界大战前夕，这二十年左右期间，以静电控制的普通电子管为标志，无线电波的波长在1 m以上。

    1909年兰米尔(Lrving Langmuir)进入通用电气公司作助手，改革了德国盖迪(Gathe)的真空泵(扩散凝聚泵1．33×10^-5Pa)。随着钨的研究和利用，发明了效率较高的高压整流二极管与三极电子管。1916年灯丝和阳极采用钨，用钼板制成屏极，以后又发明了灯丝用钨，屏极用镍制成高压整流二极管。1924年制成了四极管。1930年制出了五极电子管，不久又为超外差接收机的需要制出多栅变频管。此后，美国无线电公司的汤姆逊(Browder Julian Thompson)在1934年发明了发射输出功率良好的橡实电子管，把灯丝与栅极，屏极与栅极，灯丝与屏极之间的距离缩短到肉眼难以分辨的程度，振荡频率在600 MHz以下，使用于超短波的放大与振荡，特别是用作电视的视放管。1940年又改进了橡实管，发明了指型管(mT管)。1944年第二次世界大战中又进行了雷达用电子管的研究，贝尔电话实验室与通用电气公司发明了盘封管(灯塔管)，通用电气公司还制造了一种介质损耗小的陶瓷(以代替盘封管的玻璃)密封电子管。

    栅极静电控制的普通电子管在更高频率时，它就不再具有放大作用。这种限制主要在两个方面，一个是电子的惯性变得不可忽略，也就是电子在电极之间的渡越时间和高频的周期可以相比扣了。第二个限制是电极本身及其引线的分布阻抗和外电路的阻抗也变得可以比较了。为了克服分布阻抗的影响仔细设计电极结构，将管内的电极作为振荡回路的一部分，这就发展成所谓灯塔管和陶瓷管。现代陶瓷波管也无一不是将电路作为管子的一部分来考虑的。为了克服电子惯性的影响，变有害为有利，这就要求打破原来普通电子管所谓静态控制的概念，而代之以完全新的原理。普通电子管假定电子没有惯性、电流随控制栅极电压的变化是一瞬间完成的，没有时间的滞后，栅极一阴极间的电场和静电场的作用相似，称为静态控制。最早以新的原理工作的微波管是速调管和磁控管，它们是动态控制的，即考虑电子运动的惯性，也就是电子运动的速度是有限的、电流和电压之间有相位差。

    从1938年至1948年，这十年间由于战争的需要，引起科学技术上的一系列发展，在电子学方面，最重要的是出现了以动态控制的微波电子管，微波电子学则应运而生，由于微波的突破而出现了雷达、电子对抗等技术领域。

    1924年，哈本(Habann)、希勃(Schiebe)等利用BK运动(巴克豪森(H．Barkhause)一库尔兹(K．Kurz)电子振荡)，研制了厘米波段的三极管正栅负屏振荡。1927年，在赫尔(A．W．Hull)于1921年发明回旋频率器磁控管的基础上，日本东北大学的岗部宣次郎利用分辨阳极磁控管产生了17cm波长的振荡。他们都是利用电子在电极间来回振荡效应得到微波的振荡器。1935年阿尔辛也娃(A．A．AperHbba)及海尔(o．Heil)应用对电子注的速度调制原理制造了速调管，用于产生微波振荡。1939年韦伯斯特(D．L．Webster)和拉姆(S．Ramo)分别用运动学理论和空间电荷波理论对速调管工作进行分析。

    第二次世界大战爆发后，各国在极度保密的情况下，积极研制多种可供雷达使用的微波电子管。1939年兰德尔(J．T．Randel)和波特(H．A．H．Boot)研制出微波大功率振荡器——多腔磁控管，使雷达在1943年达到了实用化程度。由它派生出电压调谐磁控管、泊管、同轴磁控管等正交场微波器件。同年瓦里安(Varian)兄弟研制双腔速调管，用于早期的脉冲雷达发射机。此后发展出了反射速调管和多腔速调管，围绕提高功率，展宽频带进行了许多理论和实验研究。

    速调管和磁控管中的微波电路都是谐振腔型，有一个共同的缺点，瞬时频带很窄。1943年康福纳尔(R．Kampfner)发现用行波电磁场和电子注互作用也能对微波电磁场放大的行波管放大器工作原理，研制了第一只行波管，工作频率3．5 GHz，工作电压1830V，电流0.18 mA。1946年贝尔实验室的皮尔斯(J．R．Pierce)等研制螺旋线行波管。而标准电话和电缆公司的罗杰斯(Rogers)研制第一批付之使用的行波管，中心频率4 GHz，带宽20％，功率2w，增益25 dB。该管用在Manchester到Edinburgh邮局的中继系统中，向英国广播公司的发射台馈送信号。1948～1950年皮尔斯(J．R．Pierce)对行波管理论作出详细的论述，构成了行波管设计的理论基础之一。由于宽频带和大功率的要求，行波管由螺旋线中小功率行波管、返波管发展到大功率耦合腔行波管。

    以动态控制原理为基础迅速发展的微波管，大体上分成两大类，即O型器件和M型器件。O型器件和M型器件名称的来源取自法文TPO(Tube’s à propagation des ondes)及TPOM(Tubes à propagation des ondes a champs rnagnetique)的字母O和M，原意是行波管及磁控的行波管，是行波管的分类，后来这个词被推广，将速调管也包括进O型管，磁控管等称为M型管。

    按一般习惯速调管、行波管、返波管等属于O型器件，其特点是电子束的横向没有静电磁场，也称线性注管或直形管。M型器件是指磁控管、泊管、前向波放大器等，其特点是直流电场和磁场方向互相垂直，而且又与电子束方向垂直，所以又称交叉场器件。

    正交场管、速调管、行波管是三种重要的动态控制微波电子管，它们已使电磁波谱扩到分米波和厘米波(甚至在毫米波段)，脉冲功率达到百兆瓦级，对进一步发展雷达、通信、电子对抗和空间科学正在起着巨大的作用。

    对真空中成群自由电子运动规律和特征的认识，催生了真空电子学、微波电子学等技术科学，由此产生了无线电通信、雷达、导航、广播、电视和各种真空电子仪器系统。与此同时，科学家们也在量子物理学的基础上，对晶体中成群电子的运动规律和特征进行研究，探索控制其运动状态，形成开关、振荡和放大等功能的技术途径。

    从1948年到1958年，这十年间重要的突破是对半导体的深入研究而发明了晶体管，这是一个划时代的出现，由此产生另一个重要突破，即电子计算机。与此同时是电子物理的掘起和发展，电子物理的出现，使电子器件有了牢固的基础。

    1927年，德国斯特拉特(M．J．o．Strutt)提出固体量子论中的能带概念。1930年法国布里渊(L．Brillouin)在固体能带中提出布里渊区的概念。1931年，美籍英国人威尔逊(Harold Albert Wilson)提出半导体的能带模型的量子力学理论，认为每2个电子能进入的能级聚合在一定的范围内，把它叫做能带，并提出有满带和导带2个带领域，从而奠定了能带论。随着威尔逊模型的出现开辟了关于半导体杂质的研究，在1930～1940年确立了固体量子论。英国的莫特(Mott)在解释整流作用上改进了威尔逊模型，提出了扩散理论，说明了电子的隧道效应。1933年，肖脱基(w．Schottky)发表了肖脱基阻挡层理论。1938年莫特发表化学阻挡层理论。贝尔电话实验室研究小组对电子学的发展取得了显著的效果。自1936年开始贝尔实验室组织了一批杰出科学家投入固体物理的研究，成立了以肖克莱(W．B．Shockley)、布拉顿(W．H．Brattain)和巴丁(J．Barden)为核心的7人小组，肖克莱任组长。他们从当时正酝酿的通讯、计算机革命的先兆中意识到笨重、脆弱的电子管必将被体积更小、工作更可靠的固体器件所代替。经过十余年的不懈努力，经历多次实验失败，终于在1947年12月23日在做锗表面实验过程中发明了世界上第一个点接触晶体管。布拉顿作为杰出的实验物理学家，进行半导体表面现象的研究，特别是弄清了少数载流子注入的意义，进一步开拓了半导体单晶的提纯、生长技术，为晶体管技术的发展打下了基础。把锗检波器与另外一根钨丝连接成为三极，按电极位置不同使电流发生变化，故晶体管的名称在英语中是转换(transfer)与电阻器(resister)的复合词。第一个晶体管诞生两个月后，肖克莱发表了晶体管的理论基础——p-n结理论。晶体管的发明是电子学的第二次重大技术突破，三位科学家为此获得了1956年诺贝尔物理学奖。

    很快地半导体电子学就取得了辉煌的成就。1950年，出现面接触晶体管，1953年，出现面结型场效应晶体管(FET)，1960年，制成金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管，1963年制成互补对称金属氧化物(CMOS)，同年，耿姆(Gunn)发现了耿氏效应，国际商业机器公司研究小组发明了耿氏二极管，1965年，出现砷化镓碰撞雪崩渡越时间二极管(IMPATT)，这一系列进展给电子技术带来了新的飞跃。特别是硅平面晶体管的出现，预示着微电子学的崛起，集成电路应运而生就不远了。