李·弗雷德斯特

　　1906年，一位窮困潦倒的美國發(fā)明家李·德福雷斯特，在嘗試研制一種用于無線電檢波的電管時(shí)，突發(fā)奇想，在管中加了一根導(dǎo)線。

　　很少有人能夠想到，這根小小的導(dǎo)線，竟影響到20世紀(jì)電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，因?yàn)樗�，德福雷特斯發(fā)現(xiàn)了電子管的放大作用，此即真空三極管的發(fā)明。真空三極管使人類第一實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的放大，為無線電話通信奠定了基礎(chǔ)。它的誕生，是人類通向信息時(shí)代之路上劃時(shí)代的大事。當(dāng)年，德福雷特斯曾自豪地宣稱：“我發(fā)明了空中帝國的王冠。”德福雷特斯所說的“空中國”指的是無線電，而王冠就是真空三極管。

愛迪生的燈絲

　　1888年，德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，在科學(xué)界引起了轟動(dòng)。一些有遠(yuǎn)見的科學(xué)家意識(shí)到，電磁波有可能成為傳遞信息的無形信使，于是紛紛投入到電磁波通信的研究中。

　　1894年，意大利的馬可尼讀了赫茲寫的一篇關(guān)于電磁波實(shí)驗(yàn)的文章，大受啟發(fā)，他用銀粉末和鎳粉末制成了金屬屑檢波器，經(jīng)過數(shù)月的實(shí)驗(yàn)，成功發(fā)明了無線電接收機(jī)，接收到了140米之外發(fā)出的無線電信號(hào)。此后，馬可尼又陸續(xù)對(duì)無線電接收機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，擴(kuò)展了電磁波的傳送距離。1901年，馬可尼成功地進(jìn)行了橫跨大西洋的無線電通信實(shí)驗(yàn)，振奮了全世界，而無線電通信公司也紛紛在各國成立，開始了商業(yè)應(yīng)用。

　　馬可尼的無線電接受設(shè)備雖然取得了巨大的成功，但在實(shí)際應(yīng)用中，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很大的問題，就是金屬屑檢波器的故障頻率很高，性能也不穩(wěn)定。因此，如何改進(jìn)金屬屑檢波器，提高其接受電信號(hào)的能力，就成了擺在科學(xué)家面前的一道難題。

　　這時(shí)，曾經(jīng)在馬可尼無線電公司擔(dān)任過顧問的英國電氣工程師弗萊明，想到了十多年前美國發(fā)明家愛迪生做出的一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

　　1883年，為了尋找電燈炮的最佳燈絲材料，愛迪生做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他在真空燈泡內(nèi)的碳絲附近放置了一塊金屬銅薄片，希望它能阻止碳絲的蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果使愛迪生大失所望。但在實(shí)驗(yàn)過程中，愛迪生無意中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象：當(dāng)電流通過碳絲時(shí)，沒有連接在電路里的金屬薄片中也有電流通過�？上У氖牵瑦鄣仙�并沒有重視這個(gè)現(xiàn)象，只是把它記錄在案，申報(bào)了一個(gè)未找到任何用途的專利。后來，人們將這一發(fā)現(xiàn)命名為“愛迪生效應(yīng)”。

　　不過，在太平洋彼岸，弗萊明卻對(duì)這個(gè)被愛迪生本人忽略的“愛迪生效應(yīng)”發(fā)生了興趣。他堅(jiān)信，一定可以為愛迪生效應(yīng)找到實(shí)際用途。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，1904年，弗萊明發(fā)明了一個(gè)他稱之為“熱離子閥”的裝置。它其實(shí)是一個(gè)特殊的燈泡，燈泡中放置了一塊金屬片，如果給金屬片加上高頻的交變電壓，交流電在通過這個(gè)裝置后就會(huì)變成直流電。

　　這個(gè)能夠充當(dāng)交流電整流和無線電檢波的裝置，就是世界上第一個(gè)電子管——真空二極管。

“最平庸的學(xué)生”

　　無獨(dú)有偶，就在弗萊明利用愛迪生效應(yīng)研制真空二極管的同時(shí)，在美國本土，也有一位發(fā)明家在做著幾乎相同的事情。他的名字是李·德福雷特斯。

　　1873年8月26日，德福雷特斯出生于美國南部阿拉巴馬州的一個(gè)黑人家庭，父親是一名教師，曾任一所黑人學(xué)校的校長。當(dāng)時(shí)種族歧視比較嚴(yán)重，德福萊斯特童年時(shí)飽受欺凌，這使他養(yǎng)成了一種孤獨(dú)怪癖的性格。童年時(shí)期的德雷萊斯特并不出眾，學(xué)習(xí)成績一般，被老師認(rèn)為是個(gè)平庸的孩子。但他心靈手巧，非常喜歡拆穿各種機(jī)械小玩意。小時(shí)候，德雷萊斯特的理想是長大后做一名機(jī)械技師。但很快，他就被19世紀(jì)末科技的飛速發(fā)展所激勵(lì)，雖然父親希望兒子將來成為一位牧師，但他卻暗自決定，以科學(xué)研究作為自己一生的奮斗目標(biāo)。

　　1893年，德雷萊斯特獲得了耶魯大學(xué)謝菲爾德理學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金，進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)。在學(xué)校里，班上的同學(xué)都把他看成是“學(xué)校里最平庸、最神經(jīng)質(zhì)的學(xué)生”。由于獎(jiǎng)學(xué)金很少，德福雷斯特不得不經(jīng)常打工賺錢。

　　就在這一年，他參觀了芝加哥世界博覽會(huì)。當(dāng)時(shí)，在大名鼎鼎的愛迪生和初出茅廬的青年電學(xué)工程師特斯拉之間，爆發(fā)了一場(chǎng)關(guān)于交流電和直流電優(yōu)劣之爭的論戰(zhàn)。在這屆博覽會(huì)上，特斯拉只用了12臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，就使會(huì)場(chǎng)上9萬只五顏六色的電燈大放異彩。這場(chǎng)競(jìng)賽最后以交流電的勝利而告終，它也給德福雷斯特留下了深刻的印象，使他對(duì)電學(xué)，尤其是電磁波傳播，產(chǎn)生了超乎尋常的興趣。

　　1899年，德福雷斯獲得了物理學(xué)博士學(xué)位。本來，德福雷斯特應(yīng)該留在大學(xué)任教，但就在這時(shí)發(fā)生了一件事，永遠(yuǎn)地改變了他的人生軌跡。

一次改變?nèi)松�的�?huì)面

　　事情發(fā)生在1899年秋天。當(dāng)時(shí)，德福雷斯特正在撰寫他的博士論文——這可能是當(dāng)時(shí)美國所有大學(xué)里涉及無線電的第一篇博士論文。在此期間，紐約正要舉行一年一度的國際快艇比賽。更讓人激動(dòng)的是，著名的無線電發(fā)明家馬可尼應(yīng)邀來到美國，準(zhǔn)備表演用她的無線電裝置報(bào)道比賽的實(shí)況《紐約先驅(qū)論壇報(bào)》連篇累牘的宣傳報(bào)道，把馬可尼無線電表演的消息攪得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，甚至連賽事本身也因此顯得黯然失色。

　　那天清晨，馬可尼準(zhǔn)時(shí)登上了停泊在港口的一艘軍艦，及時(shí)地把比賽消息用無線電報(bào)發(fā)給設(shè)立在海岸上的無線電站，再從陸地上電臺(tái)將消息用電報(bào)線傳給《紐約先驅(qū)論壇報(bào)》總部。在整整5個(gè)小時(shí)里，報(bào)社總共收到馬可尼發(fā)來的四千多字的新聞報(bào)道。這種迅速及時(shí)的報(bào)道在新聞界尚屬首次，令美國的記者大開眼界，驚嘆不止。

　　為了滿足觀眾的好奇，馬可尼又在港口為公眾做了一次現(xiàn)場(chǎng)表演。對(duì)馬可尼的無線電裝置十分著迷的德雷福斯特，自然也在圍觀的人群中。等馬可尼表演結(jié)束，德福雷斯特拼命擠到前面，在收?qǐng)?bào)機(jī)前面停下來，仔細(xì)研究起來。他不同尋常的神態(tài)引起了馬可尼的注意，就同德福雷斯特進(jìn)行了短暫的交談。德福雷斯特向馬可尼請(qǐng)教了無線電技術(shù)中的一些難題，馬可尼向他作了解答。他還告訴德福雷斯特，要提高接收機(jī)的靈敏度，關(guān)鍵是革新現(xiàn)在用的金屬屑檢波器。但究竟應(yīng)該怎樣改，馬可尼也沒有什么好辦法。

　　馬可尼的一番話，給德雷福斯特留下了深刻的印象，使他立下了發(fā)明創(chuàng)新的宏圖大志。

從打擊中奮起

　　1899年冬，就在馬可尼離開美國不到兩個(gè)月，已在芝加哥西方電器公司任職的德福雷斯特毅然辭職，專心致志地投身到研究如何改進(jìn)檢波器的工作中。1902年，他在紐約泰晤士街租了間破舊的小屋，買來一些最簡陋的的器材，創(chuàng)辦了德福雷斯特?zé)o線電公司，一心一意想要發(fā)明出更先進(jìn)的無線電檢裝置。他決心以自己的發(fā)明，向美國公眾展示無線電的應(yīng)用前景。

　　這段日子是非常艱苦的，失去了生活保障的德福雷斯特花了兩三年時(shí)間，發(fā)明了一種氣體檢波器。但由于檢波效率不高，他被迫放棄了這個(gè)方法。

　　在經(jīng)歷了無數(shù)次失敗后，德福雷斯特最后想到了利用真空管來進(jìn)行檢波�？删驮谒�的研究步步深入時(shí)，卻傳來了弗萊明已經(jīng)發(fā)明真空二極管的消息。弗萊明的捷足先登，對(duì)德福雷斯特?zé)o疑是當(dāng)頭一棒，一連幾天，他都處于極度的苦悶與彷徨之中。下一步該怎么走呢?

　　可貴的是，德福雷斯特很快就從失意的陰影中走了出來。經(jīng)過思想斗爭，他決定繼續(xù)沿著這一方向探索下去。他找來介紹弗萊明發(fā)明真空二極管的報(bào)刊和文章，一遍遍研讀，終于找到了突破口。

　　原來，德福雷斯特發(fā)現(xiàn)，弗萊明的二極管雖比金屬屑檢波器前進(jìn)了一步，但它只能用于整波和檢波，還不能放大電信號(hào)。德福雷斯特決心通過改進(jìn)弗萊明的真空二極管，做出新的發(fā)明。

不經(jīng)意間的靈感

　　德福雷斯特首先重復(fù)了弗萊明的實(shí)驗(yàn)。他找到了一個(gè)燈泡廠技師幫忙，制作了幾個(gè)真空管，用白金絲做燈絲，在燈絲(即絲極)附近裝了一小塊金屬屏(即屏極)。德福雷斯特把它裝在無線電接收機(jī)上代替老式的金屬屑檢波器，果然效果很好。

　　就在實(shí)驗(yàn)過程中，德福雷斯特突然靈機(jī)一動(dòng)：他把一根導(dǎo)線彎成“Z”型，然后小心翼翼地把它安裝到燈絲與金屬屏極之間的位置，形成電子管的第三個(gè)極。

　　德福雷斯特極其驚訝地發(fā)現(xiàn)：“Z”型導(dǎo)線裝入真空管內(nèi)之后，只要把一個(gè)微小的變化電壓加到它的身上，就能在金屬屏極上接收到一個(gè)與輸入信號(hào)變化規(guī)律完全相同，但強(qiáng)度大大增強(qiáng)的電流!

　　德福雷斯特馬上意識(shí)到，這表明第三個(gè)電極對(duì)屏極電流有控制作用。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非比尋常，因?yàn)橹灰�屏極電流的變化比信號(hào)的變化大，就意味著信號(hào)被放大了。這真是許多發(fā)明家夢(mèng)寐以求的目標(biāo)!

　　但是，德福雷斯特并沒有急于公開他的發(fā)明，而是繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。為了提高靈敏度，他把導(dǎo)線改成像柵欄一樣的金屬網(wǎng)，于是，他的電子管就有了三個(gè)“極”——絲極(陰極)、屏極(陽極)和柵極，其中柵極承擔(dān)著控制放大電信號(hào)的任務(wù)，它是一個(gè)非常靈敏的控制閘，就像百葉窗一樣，具有快速開、關(guān)和放大的作用，能接收微弱信號(hào)。如果給柵極加上負(fù)電壓，從絲極飛出的電子將受到柵極的排斥，電子就被截住，不能飛到屏極;如果給柵極加上正電壓，從絲極飛出的電子，就會(huì)受到柵極正電壓的吸引而加速，通過柵極到達(dá)屏極。這樣一來，柵極上的電壓，對(duì)從絲極飛出的電子就具有截止和加速的作用。

　　一種具有劃時(shí)代意義的電子管——世界上第一個(gè)真空三極管，就這樣誕生了。1970年，德福雷斯特向美國專利局申報(bào)了真空三極管的發(fā)明專利。

坎坷的命運(yùn)

　　雖然發(fā)明了真空三極管，但德福雷斯特的命運(yùn)卻非�？部�。由于合伙人的欺騙，德福雷斯特的公司曾兩度倒閉。1912年，美國紐約聯(lián)邦法院的傳訊，因?yàn)橛腥丝馗嫠�的公司推銷積壓產(chǎn)品，進(jìn)行商業(yè)詐騙。法官在判決中說，德福雷斯特發(fā)明的電子管是一個(gè)“毫無價(jià)值的玻璃管”。

　　1912年，頂著隨時(shí)可能入獄的壓力，德福雷斯特來到加利福尼亞舊金山附近的小鎮(zhèn)洛阿爾托，堅(jiān)持不懈地改進(jìn)真空三極管，希望能找到一種加快電報(bào)訊號(hào)傳送速度的方法。在愛默生大街913號(hào)的小木屋里，德福雷斯特進(jìn)行了三極管的連接實(shí)驗(yàn)——把幾個(gè)三極管連接起來使用，是一個(gè)三極管的輸出，成為下一個(gè)三極管的輸入，最后再與電話機(jī)話筒、耳機(jī)連接起來。德福雷斯特把他那塊走時(shí)相當(dāng)準(zhǔn)確的英格索爾手表放在話筒前方，結(jié)果居然出現(xiàn)了一件意想不到的事：手表的“滴答”聲震耳欲聾。

　　如今，在帕洛阿爾托市的德福雷斯特舊居，矗立著一塊小小的紀(jì)念牌，上面以市政府名譽(yù)書寫著一行文字：“李·德福雷斯特在此發(fā)明了電子管的放大作用”，以紀(jì)念這項(xiàng)偉大發(fā)明為新興電子工業(yè)所奠定的基礎(chǔ)。正是德福雷斯特生活過的這個(gè)地方，如今成為全球聞名的硅谷。

　　1915年，在舊金山國際博覽會(huì)上，德福雷斯特公司的展臺(tái)與美國電話電報(bào)公司的展臺(tái)相隔不遠(yuǎn)。美國電話電報(bào)公司的參展人員，通過頭戴式耳機(jī)，與紐約進(jìn)行長途電話的演示，吸引了大批觀眾。第二天，德福雷斯特公司在展臺(tái)前懸掛了一條3米長的橫幅，上面寫著：“經(jīng)許可，美國電話電報(bào)公司采用德福雷斯特的三極管放大器制成了電話中繼器，使橫貫大陸的電話通訊成為可能!”

電子時(shí)代的開始

　　與真空二極管相比，德福雷斯特的真空三極管后來居上，對(duì)無線電發(fā)展的影響更為深遠(yuǎn)。二極管只有檢波和整流(將交流電轉(zhuǎn)換成直流電)兩種功能。而三極管還有放大信號(hào)這第三種功能，正是這種功能，將電子技術(shù)帶入了一個(gè)新時(shí)代。如果使用幾個(gè)三極管，可以將所接收的微弱電流放大幾萬倍甚至幾十萬倍，這就使得通訊距離大大增加。

　　不久，人們還發(fā)現(xiàn)，真空三極管除了可以處于放大狀態(tài)外，還可以充當(dāng)開關(guān)器件，其速度要比繼電器快成千上萬倍。于是，它很快就收到計(jì)算機(jī)研究者的青睞。歷史上的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，就是用真空三極管研制成功的。

　　真空三極管的誕生，使電子技術(shù)發(fā)生了根本的變革，日本的一位科技傳記作家指出：“真空三極管的發(fā)明，像升起了一顆信號(hào)彈，使全世界科學(xué)家都爭先恐后地朝這個(gè)方向去研究。因此，在一個(gè)不長的時(shí)期里，電子器件獲得了驚人的發(fā)展。”從三極管發(fā)展到四極管、五級(jí)管、大功率發(fā)射管等，形成了一個(gè)龐大的電子器件家族。在以后的幾十年中，隨著電子管的不斷完善，電子技術(shù)在人類社會(huì)的各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

　　現(xiàn)在，隨著晶體管和集成電路的廣泛運(yùn)用，包括真空三極管在內(nèi)的各種電子管漸漸退出了歷史舞臺(tái)，但誰也無法抹殺他們?cè)?1世紀(jì)電子科技發(fā)展史中的重大作用。