為了提高電子管的放大倍數，在三極管的陽極和控制柵極之間增加了另壹個稱為簾柵的柵極，形成四極。因為簾柵的正電壓比陰極高得多，所以它也是壹個強大的加速電極，可以使電子以更高的速度到達陽極。這樣控制柵極的控制作用就變得更加顯著，所以比三極管有更大的放大倍數。但是由於屏柵對電子的加速，高速電子撞擊陽極，這些高速電子的動能很大，所以會從陽極撞擊所謂的二次電子。這些二次電子中的壹部分會被屏柵吸收，形成屏柵電流，導致屏柵電壓降低，從而降低陽極電流。萬維網
為了解決上述矛盾，在四極管幕柵外的兩側增加了壹對與陰極相連的收集極。由於收集極的電位與陰極相同，它們排斥電子，使電子通過簾柵後在收集極的作用下沿壹定方向前進，形成平束。這種平面電子束的電子密度非常高，因此形成了低壓區。來自陽極的二次電子由於這個低壓區的排斥作用被推回到陽極，使屏電流大大降低，電子管的放大能力加強。這種電子管被稱為束流四極管，它不僅比三極管有更高的放大倍數，而且陽極面積更大，允許更大的電流通過，所以在電流放大器中常被用作功率放大。
電子技術發展的裏程碑——晶體管
說到晶體管，很多人可能會覺得陌生。然而，是小晶體管的發明給電子學帶來了壹場革命。這場革命發展之快，傳播之廣，完全超出了人們的想象。
目前晶體管和微電路幾乎無所不能，無處不在。從人們日常生活中的助聽器、收音機、錄音機、電視機，到實驗室儀器、工業生產和國防裝備、計算機、機器人、飛盤，都離不開它們。毫不誇張地說，晶體管奠定了現代電子技術的基礎。
然而，晶體管到底是什麽？是怎麽發明的？必不可少的壹步——電子管的問世1883年，世界著名的發明家愛迪生發明了第壹盞白熾燈。電燈的發明給壹直生活在黑暗中的人們帶來了光明和溫暖。在這個過程中，愛迪生還發現了壹個奇怪的現象:壹塊燒紅的鐵會發出電子雲，這就是後來的愛迪生效應。100000010106英國發明家弗萊明漂洋過海來到美國，見到了他仰慕已久的愛迪生。在兩位偉大發明家的會面中，愛迪生再次展示了愛迪生效應。遺憾的是，由於當時技術條件的限制，愛迪生和弗萊明都對這種效應感到不解，不知道該如何處理。
20世紀初，有線電報問世。這項發明給人們帶來了很多方便。電纜電報發出的信號是高頻無線電波，接收站必須對其進行整流，才能聽到接收器發出的聲音。當時的整流器結構復雜，效率差，急需改進。正在研究高頻整流器的弗萊明靈機壹動。他想，如果把愛迪生效應應用到探測器上會怎麽樣？就這樣，壹項新的發明問世了。
1904年，弗萊明在真空中加熱的電線(燈絲)前加了壹個平板電極，從而發明了第壹個電子管。他把這種有兩個電極的電子管稱為二極管。有了新發明的電子管，電流可以整流，電話聽筒或其他錄音設備就可以工作了。現在，當我們打開壹個普通的電子管收音機時，我們可以很容易地看到帶有紅色燈絲的電子管。它是電子設備的心臟。
弗萊明二極管是壹個全新的發明。它在實驗室裏工作得非常好。但由於某些原因，在檢波器的實際應用中並不成功，不如同時期發明的礦物檢波器可靠。所以對當時無線電的發展沒有影響。
此後不久，貧窮的美國發明家deforest巧妙地在燈絲和二極管的極板之間加了壹個柵板，從而發明了第壹個真空三極管。這個小小的改變帶來了意想不到的結果。它不僅反應更靈敏，還能使音樂或聲音振動，集探測、放大、振蕩三種功能於壹體。因此，很多人把三極管的發明視為電子工業的真正起點。deforest本人也非常驚訝，認為“我在空中發現了壹個無形的帝國”。電子管的出現促進了無線電電子學的蓬勃發展。到1960年左右，西方國家的無線電工業年產量已達到100億只電子管。電子管不僅用於電話放大器、海上和空中通信，還廣泛滲透到家庭娛樂、廣播新聞、教育節目、文學和音樂領域，走進千家萬戶。甚至飛機、雷達和火箭的發明和進壹步發展都是由電子管幫助的。
魔術師的三條腿電子管曾經是電子學研究中的壹個方便工具。電子管器件在電子技術領域占據主導地位已經超過40年。但不可否認的是，電子管體積很大，耗能多，壽命短，噪音大，制造工藝非常復雜。因此，電子管問世後不久，人們就在努力尋找新的電子器件。在二戰中，電子管的缺點更加暴露無遺。雷達工作頻帶中使用的普通電子管極不穩定。移動軍事儀器設備用的電子管比較笨拙，容易出故障。因此，電子管固有的弱點及其迫切的戰時需求，促使許多科研單位和科學家集中力量，迅速研制出可以替代電子管的固體部件。
早在20世紀30年代，人們就已經試圖制造固體電子元件。但當時大部分人都是模仿真空三極管直接制作固體三極管，所以這些嘗試無壹例外都失敗了。
2008年6月的壹天，在貝爾實驗室的壹個房間裏，壹臺很普通的收音機正在播放輕柔的音樂，許多參觀者在它面前駐足。為什麽大家都對這臺收音機情有獨鐘？原來這是第壹臺用新的固體元件——晶體管代替電子管的收音機。雖然人們對這臺收音機很感興趣，但他們對晶體管本身評價不高。《紐約先驅報》的壹名記者論壇報在報道中寫道:“這款設備仍處於實驗室階段，工程師們都認為它在電子行業的創新有限。”其實晶體管發明之後，也不會很久了。
什麽是晶體管？壹般來說，晶體管是由半導體制成的固體電子元件。金、銀、銅、鐵等金屬。具有良好的導電性，被稱為導體。木材、玻璃、陶瓷、雲母等。不容易導電，被稱為絕緣體。在導體和絕緣體之間具有導電性的物質叫做半導體。晶體管是由半導體材料制成的。最常見的材料是鍺和矽。
半導體是19年底發現的壹種材料。當時人們沒有發現半導體的價值，所以沒有重視半導體的研究。直到第二次世界大戰，由於雷達技術的發展，半導體器件——微波礦石探測儀的應用日趨成熟，並在軍事上發揮了重要作用，引起了人們對半導體的興趣。許多科學家致力於半導體的深入研究。經過緊張的研究工作，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓捷足先登，共同發明了晶體管，壹種有三個支點的半導體固體元件。晶體管被稱為“三條腿的魔術師”。它的發明是電子技術史上具有劃時代意義的壹件大事，開啟了壹個全新的時代——固態電子技術時代。他們三個也因為研究半導體，發現晶體管效應，獲得了10。
肖克利集團和晶體管美國人威廉·肖克利，1910年2月3日出生於倫敦，在麻省理工學院學習量子物理。1936在這所學校獲得博士學位後，他進入了久負盛名的貝爾實驗室，該實驗室由電話發明者貝爾創立。貝爾實驗室是電子領域，尤其是通信領域最著名的研究所。號稱“研究王國”，早在1936年，時任研究部主任、後來擔任貝爾實驗室總裁的默文·凱利(Mervyn Kelly)就告訴肖克利，為了滿足日益增長的通信需求，未來電話系統的機械轉換將被電子交換機取代。這段話給肖克利留下了不可磨滅的印象，激起了他的熱情。把他的壹生都獻給了推動電子技術進步的事業。沃爾特·布拉頓也是美國人。他於2月1902日出生在廈門，壹個美麗的中國南方城市。那時，他的父親受雇在中國教書。布拉頓是實驗專家。巴丁1929在明尼蘇達大學獲得博士學位後，1908年出生於美國威斯康星州麥迪遜。先後在威斯康星大學獲得1928和1929兩個學位。後來，他轉到普林斯頓大學學習固體物理學。1936獲得博士學位。1945來到貝爾實驗室工作。默文·凱利是壹位富有遠見的科技經理。自20世紀30年代以來，他壹直註意尋找和采用新材料和根據新原理工作的電子放大裝置。第二次世界大戰前後，他敏銳的科學洞察力促使他毅然決定加強半導體的基礎研究，以開拓電子技術的新領域。1945年夏天，貝爾實驗室正式決定將固態物理作為主要研究方向，並為此制定了龐大的研究計劃。發明晶體管是這個計劃的重要部分。1946年夏天，貝爾實驗室固態物理研究組正式成立。這個小組是由肖克利為首，並在其管轄下的幾個小組。其中壹個是半導體集團，包括布拉頓和巴丁。這個群體中不乏理論物理學家、實驗專家、物理化學家、電路專家、冶金專家、工程師等多個領域的人才。他們壹起工作，他們善於借鑒前人的有益經驗，同時也註意借鑒同時代人的研究成果，吸取許多人的長處。有益的學術討論在群內廣泛開展。"如果有新的想法和新的問題，他們將被召集."
起初，布拉頓和巴丁在研究晶體管時，采用了肖克利提出的場效應概念。場效應的想法是人們提出的第壹個固態放大器的具體方案。根據這個方案，他們試圖模仿真空三極管的原理，用外加電場控制半導體中電子的運動。然而事與願違，實驗屢屢失敗。
人們得到的效果遠小於預期。讓人百思不解。為什麽理論總是和實踐相矛盾？
有什麽問題？經過許多不眠之夜的苦苦思索，巴丁提出了壹個新的理論——表面態理論。該理論認為表面現象會引起信號放大效應。表面態概念的引入，使人們對半導體結構和性質的認識向前邁進了壹大步。布拉頓等人乘勝追擊，小心翼翼地進行了壹系列實驗。結果，他們意外地發現，當樣品和參比電極被置於電解液中時，半導體表面內部出現了電荷層和電力。這個發現讓大家都很興奮。在極大的興奮中，他們利用場效應加速了他們的研究和重復實驗。沒想到，在繼續進行的實驗中突然出現了完全不同的效果。隨之而來的新情況大大超出了實驗者的預期。
人們的思維被打斷，原本制作實用裝置的計劃不得不改變，越來越清晰的局面再次變得撲朔迷離。然而，肖克利的團隊並沒有放棄。他們緊緊跟隨茫茫迷霧中的壹絲光亮，改變思路，繼續探索。經過多次分析、計算和實驗，人們終於得到了期待已久的”。巴丁和布拉頓將兩根接觸線放在鍺半導體晶片的表面。當兩根接觸線非常接近時，放大就發生了。世界上第壹個固態放大器晶體管也誕生了。在這個值得慶祝的時刻，布拉頓忍住內心的激動，依然壹絲不茍地在實驗筆記中寫道:“電壓增益100，功率增益40。目前的損失是1/2.5...親眼目睹和聽到音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和鮑文。“在布拉頓的筆記中，皮爾森、摩爾和肖克利分別簽上了日期和名字，以示認可。
巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管是金屬接觸線和半導體之間的點接觸，所以被稱為點接觸晶體管。這個晶體管可以放大電流和電壓。
基於晶體管發明後嚴謹的科學態度，貝爾實驗室沒有立即公布肖克利小組的研究成果。他們認為，為了寫論文和申請專利，需要花時間來理解晶體管的作用。之後，肖克利等人在極度緊張的狀態下忙於工作。他們心中有壹絲擔憂。如果別人也發明了晶體管，先公布了，那他們的努力就白費了。他們的擔心壹點也不過分。那時，許多科學家都在集中精力研究這個課題。0948年初，在美國物理學會的壹次會議上，百度大學的Bray和Benzer報告了他們關於鍺的點接觸的實驗和發現。當時，貝爾實驗室發明晶體管的秘密還沒有公開。它的發明者之壹布拉頓此刻正坐在觀眾席上。布拉頓清楚地意識到，布雷等人的實驗離晶體管的發明只差壹小步。因此，當布雷和布拉頓在會後談到他們的實驗時，布拉頓立刻變得緊張起來。他不敢多說話，只讓對方說，怕把秘密泄露給對方，然後就匆匆走開了。後來，布雷曾遺憾地說:“如果我把電極放在本澤的電極附近，我會後悔的。”實力強大的貝爾實驗室，在這場智慧和技能的比拼中，只是略勝壹籌。
晶體管發明半年後，1948年6月30日，貝爾實驗室在紐約首次向公眾展示了晶體管。這項偉大的發明讓許多專家感到驚訝。然而，大多數人對它的實用價值表示懷疑。當年7月30日，《紐約時報》僅以8句201字的形式報道了這個本該震驚世界的消息。
的確，當時的點接觸晶體管和礦石探測儀壹樣，不穩定，噪音大，頻率低，放大倍數低，性能趕不上電子管，制作難度大。難怪人們對此漠不關心。然而，物理學家肖克利和其他人堅信晶體管有光明的未來，它的巨大潛力還沒有被認識到。所以在點接觸晶體管發明之後，他們還是不遺余力。繼續學習。經過壹個多月的反復思考，肖克利瘦了，眼睛布滿血絲。但是，壹個想法在他的腦海裏越來越清晰，那就是以前的研究失敗的根本原因是人們不顧壹切地盲目模仿真空三極管。這其實走進了研究的誤區。晶體管和電子管產生於完全不同的物理現象，這意味著晶體管效應有其獨特性。了解到這壹點，肖克利立即決定放棄原來的場效應晶體管，專心於另壹個想法——晶體管的放大。正確的想法最終開出了最美的花。10月，肖克利構想了壹種新型晶體管，其結構就像壹個三明治面包，兩層P型半導體中間夾著壹層N型半導體。好壹個！遺憾的是，由於當時技術條件的限制，研究和實驗都非常困難。直到1950，人們才成功制造出第壹個PN結晶體管。
電子技術發展史上具有裏程碑意義的晶體管的出現，是電子技術之樹上的壹朵奇葩。與電子管相比，晶體管有很多優點:①晶體管的元器件不消耗。再好的電子管，也會因為陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸變質。由於技術原因，晶體管生產之初也存在同樣的問題。隨著材料生產的進步和各種改進，壹般來說，晶體管的壽命比電子管長65，438+000到65，438+0000倍，可以稱之為永久器件。②晶體管消耗的電子很少，只有電子管的十分之壹或十分之壹。它不需要像電子管壹樣加熱燈絲產生自由電子。壹臺晶體管收音機只用幾節幹電池就能聽半年。對於電子管收音機來說，很難做到這壹點。③晶體管壹打開就工作。例如，晶體管收音機壹打開就響，晶體管電視機壹打開就顯示圖像。電子管設備做不到這壹點。開機後，要等壹段時間才能聽到聲音，看到畫面。很明顯，晶體管在軍事、測量、記錄方面非常有優勢。④晶體管堅固可靠，比電子管可靠65，438+。這是電子管無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之壹到百分之壹，放熱很少，可以用來設計小型、復雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工藝簡單，有利於提高元器件的安裝密度。由於晶體管的優越性能，晶體管誕生後，廣泛應用於工農業生產、國防建設和人們的日常生活中。1953年，第壹批電池供電的晶體管收音機壹投放市場就受到人們的熱烈歡迎，人們爭相購買。然後，制造商之間舉行了壹場制造短波晶體管的競賽。不久之後，沒有交流電源的袖珍“晶體管收音機”開始在世界各地銷售，引發了新的消費熱潮。
矽晶體管是電子工業領域最受歡迎的產品之壹，因為它適合在高溫下工作，並能抵抗大氣的影響。從1967開始，如果電子測量儀器或者電視攝像機沒有晶體管化，那麽妳壹個也賣不出去。便攜式收發器，甚至車輛中的大型發射器都采用晶體管。
另外，晶體管特別適合做開關。它們也是第二代計算機的基本組件。人們經常用矽晶體管制作紅外探測器。甚至可以將太陽能轉化為電能的太陽能電池也可以由晶體管制成。這種電池是在太空旅行的衛星不可缺少的電源。晶體管是壹種小而簡單的半導體元件，也用於縫紉機。電鉆和熒光燈開辟了電子控制的道路。從1950到1960這十年間，世界主要工業國家都投入了巨額資金用於晶體管和半導體器件的研發和生產。比如純鍺或矽半導體，導電性很差，但加入少量其他元素(稱為雜質)後，導電性會提高很多。然而，如果要正確熔化定量雜質。必須在壹定溫度下加熱才能實現。壹旦溫度高於75攝氏度，晶體管就會開始失效。為了攻克這壹技術難關，美國政府在工業上投入了數百萬美元開發這壹新技術。有了這麽強大的資金支持，用不了多久。人們已經掌握了這種高熔點物質的提純、熔化和擴散技術。尤其是晶體管的威力在軍事規劃和太空航行中日益顯露出來後，世界各國為爭奪電子領域的主導地位展開了激烈的競爭。為了實現電子設備的小型化，人們不惜壹切代價對電子工業給予了巨大的資金支持。
自從1904年Fleming發明真空二極管，1906年deforest發明真空三極管以來，電子學作為壹門新興學科發展迅速。但電子學真正的快速進步還應該從晶體管發明之後開始，尤其是PN結晶體管的出現，開啟了電子器件的新時代，引起了電子技術的壹場革命。在短短十幾年的時間裏，新興的晶體管產業以不可戰勝的野心和年輕人不計後果的沖勁，迅速取代了電子管產業通過多年奮鬥取得的地位，成為電子技術領域的排頭兵。現代電子技術的基礎是真實的，電子管的發明使電子設備發生了革命性的變化。但是，電子管管體易碎，不可靠。因此，晶體管的問世被認為是本世紀最偉大的發明之壹。它解決了電子管存在的大部分問題。但是，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普及和電子產品的日益復雜發展，電子設備中使用的電子器件越來越多。比如二戰末期出現的B29轟炸機，裝備了1，000個電子管，1，000多個無線電元件，更不用說電子計算機了。65，438+0，960中列出的通用計算機有65，438+0，000個二極管和25，000個晶體管。壹個晶體管只能代替壹個電子管。數以百萬計的晶體管可以用在極其復雜的電子設備中。壹個晶體管有三條腿，壹些復雜的設備可能有上百萬個焊點。如果不小心，極有可能出現故障。為了保證設備的可靠性，減少其重量和體積，人們迫切需要在電子技術領域有新的突破。1957年，蘇聯成功發射第壹顆人造衛星。這壹震驚世界的消息在美國政府和公眾中引起了極大的震動，嚴重挫傷了美國人的自尊心和優越感。發達的空間技術是以先進的電子技術為基礎的。為了贏得航天技術的領先地位，美國政府於1958成立了國家航空航天局，專門負責軍事和航天研究。為了實現電子設備的小型化和輕量化，投入了天文數字的資金。正是在這種激烈的軍備競賽的刺激下，在現有的晶體管技術基礎上誕生了壹種新的技術，那就是集成電路，它在今天大放異彩。有了集成電路，計算機、電視等與人類社會生活密切相關的設備不僅體積小，而且體積小。集成電路是幾平方毫米的微小半導體芯片，集成了成千上萬的晶體管、電阻、電容，包括連接線。真的是千軍萬馬部署的地方。它是材料、元件和晶體管的有機結合。
集成電路的出現離不開晶體管技術。沒有晶體管，就沒有集成電路。本質上，集成電路是最先進的晶體管外延平面晶體制造工藝的延續。集成電路的概念與晶體管密切相關。1952，英國皇家雷達研究所著名科學家達默在壹次會議上指出:“隨著晶體管的出現和半導體的全面研究，現在似乎可以想象，未來的電子設備是沒有連接線的固體元件。”Dahmer的想法雖然沒有付諸實踐，但卻為人們的深入研究指明了方向。
後來，美國人kilby追隨Dammer的腳步，走上了研究固體元件的崎嶇之路。kilby畢業於伊利諾伊大學電氣工程系。壹次偶然的機會，基爾比參加了貝爾實驗室壹個關於晶體管的講座。極富創造力的基爾比壹下子就被晶體管迷住了。
當時他在壹家公司負責壹個助聽器研究項目。關註晶體管的基爾比忍不住想把晶體管用在助聽器上，而且真的成功了。他開發了壹種簡單的方法，將晶體管直接安裝在塑料片上，並用陶瓷密封。最初的成功使他對晶體管的興趣與日俱增。為了尋求更大的發展，kilby於5月1958進入德州儀器。當時，該公司正在參與美國通信部隊的壹個微型組件項目。kilby渴望在這個項目中展示他的技能。他強烈的自尊心促使他以自己的智慧和努力投入這個項目。所以他經常把自己埋在工廠裏，思考用半導體制作整個電路的方法。我記不清自己努力思考了多少次，嘗試了多少次，遭受了多少次挫折。單槍匹馬很久之後，在1959整合。
同年3月，該產品在無線電工程師協會展出。時任德州公司副總裁的謝潑德自豪地宣布，這是“德州儀器繼矽晶體管之後最重要的發展成果”。以晶體管技術為基礎的集成電路的迅速發展帶來了微電子技術的飛速進步。
微電子技術的不斷進步大大降低了晶體管的成本。在1960年，生產1晶體管需要花費10美元，而今天，集成電路中嵌入1晶體管的成本不到1美分，這使得晶體管的應用更加廣泛。
而且微電子技術將通過小型化、自動化、計算機化、機器人化從根本上改變人類生活。它影響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。