电子元器件发展历程回顾

如果说理论的突破给计算机设计注入了灵魂，元器件的发展则提供了血肉。

1830 年，美国科学家约瑟夫·亨利（Joseph Henry，1797-1878）发明了继电器，比法拉第更早发现了电磁感应现象，但却没有及时去申请专利。亨利的电磁铁为电报机的发明做出了贡献，实用电报的发明者莫尔斯和惠斯通都采用了亨利发明的继电器。 电磁铁是电报机的基础。在线路的一端闭合或断开开关，可以使线路另一端的电磁铁有所动作。萨缪尔·摩尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872)在接近同一时间同时发明了电报，并在 1837 年在美国取得专利。摩尔斯还发展出一套将字母及数字编码以便拍发的方法，称为摩尔斯电码。

继电器很简单，比如关或者开，可以表示数字世界里的0 或者1，虽然早年的计算机并未一定采用二进制，但继电器以及它后续的继任者如真空管、晶体管，都具有类似的特征，让二进制的运算更加适合计算机的设计。如果我们把开闭一次继电器，看成是元器件的速度，继电器的缺点是速度不够快。在 40 年代，一个好的继电器一秒钟翻转 50 次左右，如果用这个速度去驱动计算机，就决定了它的“主频”太低了。

1883 年，托马斯·爱迪生在寻找电灯泡最佳灯丝材料时，曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了，他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统，没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利，并命名为“爱迪生效应”。一直到 1901 年，英国物理学家欧文·理查森（Sir Owen Richardson ，1879-1959年）提出定律，说明电子的激发态引起箔片漂浮，后更以此拿到1928 年的诺贝尔物理奖。接着英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming，1849-1945 年）在 1904 年发展出真空二极管，美国工程师李·德佛瑞斯特（LeeDeForest，1873-1961 年）在 1907 年在二极管的基础上增加了一个栅极，做出了第一个三极管。

二极管和三极管的出现后，贝尔实验室发现了它可以解决通信信号的远距离传输问题。1927 年，哈罗德·布莱克（Harold Stephen Black，1898-1983 年）有了一个通过反复放大来减少电话传输失真的想法。其概念是负反馈放大器——利用一小部分信号输出和信号输入来提高性能，降低对环境变化的敏感性。这种看似不可能的解决方案是当今许多放大器和控制系统的组成部分。1936 年，负反馈放大器应用到了电话机的放大线路中，它减少了通信信号的失真，最终推动了长途电话、无线电、收音机、电视机的发展。 下图是 1927 年，美国首次公开展示远距离电视传输，赫伯特·胡佛（1929-1933任美国总统）的实时图像通过电话线从华盛顿传送到了纽约市。

20 世纪 30 年代后期，电话用户开始进入到了高增长期，一方面度过了大萧条（1929-1933 年）后经济开始恢复，另一方面电路质量有了明显地提升。

尽管马可尼很早地发明了收音机（也有人说是集成了诸多人的技术），但是那时由于二极管与三极管还没有发明，所以音质、清晰度、可传送距离均无法使得收音机规模化。 李·德佛瑞斯特发明了三极管之后，得益于二极管的滤波作用与三极管的放大作用，1910 年左右，李德·福里斯特将信号传输到一个早期的电弧发射器中。两个电话话筒并联在一起，形成一个双按钮碳话筒。电弧室安装在变送器机柜的右侧。右边是一个音频接收器。1920 年，他就将 2XG 发射机搬到了曼哈顿的世界塔大楼的顶部，从而提高了覆盖范围，并方便了该市剧院区的表演者。1921 年，美国商务部开始担心太多的业余和实验性电台播放面向公众的节目，开始专门为广播设立了许可证牌照制度，所以从 1922 年开始，收音机开始快速发展起来。

电视机的发展则更为曲折一些。 第一个半机械式模拟电视系统在 1925 年被苏格兰人约翰·洛吉·贝尔德(JohnLogie Baird)在伦敦的一次实验中“扫描”出木偶的图像看作是电视诞生的标志，他被称做“电视之父”。后来，他的这个系统被英国广播公司（BBC）所采用，但是由于机械电视机图像太不清晰，后在 1937 年，英国广播公司终止使用这种技术。

1928 年，美国俄裔科学家弗拉基米尔·兹沃里金（Vladimir Zworykin，1889-1982）取得了有关电子电视的专利权，1929 年成为美国无线电公司（RCA）的研究室主任，1933 年研制成功可供电视摄像用的摄像管和显像管。完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程，至此，现代电视系统基本成型。今天电视摄影机和电视接收的成像原理与器具，就是根据他的发明改进而来。二战的爆发使得刚发展起来的电视的发展停滞了 10 年。战争结束后，1946年英国广播公司恢复了固定电视节目，美国政府也解除了禁止制造新电视的禁令；电视工业便飞速发展起来。在美国，从 1949 年到 1951 年，不仅电视节目已在全国普遍播出，电视机的数目从 1 百万台升至 1 千多万台，成立了许多家电视台。幽默剧、轻歌舞、卡通片、娱乐节目和好莱坞电影常在电视中播出。此外，与继电器相比，电子管的开关速度大为提升，它每秒钟可以开闭数千次（相较于继电器的每秒几十次），这为计算机从继电器到电子管的转变，奠定了坚实的基础，有关计算机的演进，我们后边再讨论。

电子管的出现给技术带来的巨大的推动作用，然而它也有一些显而易见的缺点。就像我们看到的，电子管更像是“灯泡”，它功率大，发热高，放大倍数小，综合成本高。尤其是当如果把众多的电子管放在一起，组装成复杂的电子设备（如电子计算机）时，这种弊端就变得明显起来。 在 1947 年，由贝尔实验室的约翰·巴丁（John Bardeen，1908-1991 年）、沃尔特·布拉顿（Walter Houser Brattain,1902-1987 年）和威廉·肖克利（WilliamShockley，1910-1989 年）发明了晶体管，其中巴丁、布拉顿主要发明半导体三极管；肖克利则是发明 PN 二极管，他们因为半导体及晶体管效应的研究获得1956年诺贝尔物理奖。 晶体管由半导体材料组成，至少有三个对外端点称之为极。以双极性接面晶体管为例，有基极(B)、集电极(C)、发射极(E)，其中基极(B)是控制极，另外两个端点之间的伏安特性关系是受到控制极的非线性电阻关系。晶体管受控极输入的电流或电压，改变输出端的阻抗，从而控制通过输出端的电流，因此晶体管可以作为电流开关，而因为晶体管输出信号的功率可以大于输入信号的功率，因此晶体管可以作为电子放大器。

与电子管相比，晶体管有明显的优势： 1、寿命更长。电子管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，晶体管制作之初也存在同样的问题，但随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长 100 到 1000 倍；2、体积更小。晶体管消耗电子极少，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。一台晶体管收音机只要几节干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、反应更快。晶体管不需预热，一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面．电子管设备就做不到这一点；4、结实可靠。它耐冲击、耐振动，都是电子管所无法比拟的。晶体管每秒钟可以开闭一万次，大约是电子管的 10 倍，是继电器的2000倍。晶体管的成本，灵活性和可靠性使得其成为电子任务的通用器件，例如数字计算。晶体管电路在控制电器和机械的应用上，也正在取代电机设备，因为它通常是更便宜而有效，使用电子控制时，可以使用标准集成电路并编写计算机程序来完成一个机械控制同样的任务。 因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。因为晶体管和后来的电子计算机的低成本，开始了数字化信息的浪潮。它让收音机、计算器、电脑、以及相关电子产品变得更小、更便宜，晶体管被认为是二十世纪最重要的发明。