电子管的原理（电子管的作用,说简单点）

翻译几段德国的实验物理教材（Bergmann Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik 第二卷，电磁学），讲解了电子管的原理第四章 4.3.5节 交流电到直流电的转换。

使用电子管（第 11.2 节）创建了一种新的整流方法根据熔入玻璃灯泡中的 2、3 或 5 个金属电极的数量，这些管子被称为二极管、三极管或五极管具有加热阴极和非加热阳极的二极管只允许电子从阴极流到阳极，因此是非常好的整流器。

“二极管”这个名字已经成为“整流器”的同义词现代半导体整流器也称为二极管第五章 5.1.2节 无衰减振荡在实验物理中，你常常无需理解设备的运行原理就能使用设备，但是这样是不能令人满足的不过如果你通过一个例子了解一点点它内部的样子，就更容易接受一个“黑盒”。

因此，这里就来讲解电子三极管放大器，这是很容易理解的，也是历史上非常重要的电子管放大器在20世纪上半叶通信技术的快速发展主要是基于放大管的发展（图5.7a）放大管由真空的玻璃管和（最简单的情况下）三个电极构成，玻璃管中熔有电引线：。

图 5.7 三极管：(a) 内部结构，(b) 符号，上面-直接加热，下面-间接加热 K = 阴极，A = 阳极，G = 栅极，F =（加热）线（灯丝）玻璃灯泡的底座包含电引线三极管在电路中符号如图 5.7b。

所有电压都是相对于阴极而言的阳极是正电压， UaU_a 是100-200V；栅极是负电压，UgU_g 是负的几个伏特只要 UgU_g 大约在-1 V甚至更多，阴极逸出的电子（发射电流 IeI_e ）就不能靠它们的热能逆着栅极电势通过（ 。

IgI_g =0）但是如果 UgU_g 负得不是太多，阴极的电子可以通过栅网的间隔，达到阳极，因为栅网间隔中的电势比 UgU_g 要正一些（负得少一些）栅极电压对于电势分布的影响，可以用一个二维的橡胶模模型

来演示电极之间的势能分布 φe(x,y)\varphi_e(x,y) 位于水平xy平面，可以表示如下：构造一个电极的放大了的模型，其竖直z方向的高度对应于势能负的程度；阴极因此比阳极要更高然后一个橡胶模在电极上绷紧（图5.8）。

膜的倾斜程度对应于局部的电场强度一个很小的钢球，其重量不会使膜凹陷，从阴极以零速度释放球在膜上的滚动轨迹对应于电子在电子管中的运动轨迹我们忽略空间电荷

图 5.8 三种不同栅极电势的三极管的平面橡胶膜模型：（a）明显更负，（b）稍微更负，（c）比没有栅极点的电位更正栅极区域的电势分布对于放大器的运行很重要，这分布对应于图5.8a所示：栅网的网条比阴极更负一些，因此那些从阴极出来的热能小于0.5eV的电子无法达到栅网。

另一方面，网条之间间隔处的电势比阴极更正一些，因此部分电子可以通过，并流向阳极，而另一部分被推回到阴极到达阳极的电子电流可以通过改变栅极电势来控制如果 UgU_g 负得更多，电子能通过的栅网间隔之前的区域就缩小了；大部分电子被推回去，在阴极前形成一个负的空间电荷区域，这减少了电子的逸出。

阳极电流 IaI_a 就变小了，它总是等于逸出电流 IeI_e 的只有当 UgU_g 是正的时候，大部分的电子才能通过栅极如果一个微小的交流电压叠加在负的栅极直流电压上，在阳极电流中就会产生很大的变化，这变化的波形形状几乎和栅极电压的变化相同（图5.9）。

为了放大时尽可能地不产生扭曲，我们在栅极负电压低于-1V的线性特征区域工作这就是所谓的空间电荷范围，这个范围中阴极前面的负空间电荷限制了发射电流在正栅极电压的情况下，发射电流 IeI_e 会很快达到饱和区域，这时电流就只依赖于阴极的大小和温度了。

图5.9 阳极电流（上方波形，时间轴方向向右）作为栅极电压（下方波形，时间轴方向向下）改变的函数，由三极管特征而得到……整流二极管早在 1904 年就存在了，发明放大器三极管的决定性步骤是引入了栅极 1906 年，奥地利的 Robert von Lieben (1878-1913) 和美国的 Lee de Forest (1873-1961) 几乎同时进行了这方面的第一次尝试。

1911 年，德律风根 (Telefunken，西门子的合资公司) 的奥托·冯·布朗克 (Otto von Bronk) (1872-1951)发明了电子管的高频放大技术A. Meissner (1883-1958)，也与 Telefunken 合作，于 1913 年实现了反馈和自激励（self-excitation）；英国和美国也有类似的独立发展。

……在20世纪下半叶，具有可控电导率的半导体（晶体管，第 9.3.2 节）几乎完全取代了电子管晶体管的主要优点是不需要进行阴极加热和相应的冷却（！）、具有抗断裂性、尺寸小和大规模生产廉价今天，电子管仅用于需要非常高的输出的场景。