谁终结了真空管的时代？

“ 真空管虽已退出历史舞台，但并不是因为性能问题，甚至可能也不是因为体积问题。本文转载自 lcamtuf 的博客，进行了转译和润色。”

苏联解体给东欧集团带来了深刻的社会经济变革。我的一段鲜活记忆是，在数月间目睹了数十年技术鸿沟的消弭。突然之间，每个波兰家庭都能憧憬那些曾经闻所未闻的神奇物件：烤面包机、随身听、个人电脑或录像机。由于过去只余苦涩，我们很少回望过往——当我十几岁初涉电子领域时，也秉持着同样的准则。真空管显然毫无可取之处，晶体管在各个方面都必然更胜一筹。如今我深知，真空管发展史蕴藏着深刻的启示：不仅关乎电路设计，更揭示出单凭产品优越性并不足以维系市场地位。

被加热线圈映亮的微型电子管
首先需要明确：在2022年，真空管的工作原理已成为冷门知识。因此我们或许应该从基础理论讲起。
最简单的真空管 -- 二极管 -- 由两个金属电极构成，中间隔以高真空环境。通常情况下，除非施加极强电场将电子从阴极剥离并穿越间隙，否则不会有任何电流通过。
但在19世纪末，几位研究者观察到有趣现象：若将带负电荷的金属加热至红热状态，其电荷会逐渐消失。加热提供的能量显然足以使部分受激电子逸出，并在弱电场作用下漂移。若在附近放置常温带正电的电极，电子便会向该方向移动形成微弱电流。
这种带有加热电极的简单管子可作为整流器，因为电子只能从加热的阴极流向常温阳极，逆向则不可行。但更令人兴奋的三极管可通过在阴阳极间加装栅格状元件实现。当栅极施加微弱负电荷时，能有效抵消较远阳极的强电场，阻止阴极电子逃逸。随着栅极电压升高，电子迁移得以恢复。
部分电子可能撞击栅极，但该元件截面积较小且通常保持与阴极相当或更低的电压。在此条件下，栅极电流近乎为零，使电子管成为电压控制型放大器——较之当时的双极结型晶体管（BJT），使用更简便且灵敏度更高。
为探究电子管特性，我绘制了这张实验曲线图。横轴表示控制栅极电压，纵轴显示阴阳极间电流：

6GM8 真空管，电压-电流特性曲线
几个关键点值得注意。首先，真空管在工作范围内（尤其是零伏附近）展现出卓越的线性特性，这对微小信号放大至关重要：这正是多数晶体管难以企及的。典型 BJT 在控制端施加0.6V前毫无反应；MOSFET可能需要2V才能启动。晶体管还具有陡峭且难以预测的响应曲线，其特性随温度变化且批次间存在差异。在纯粹主义者眼中，这可谓原罪。工程师们则通过堆砌固态元件构建负反馈来补偿温漂。另一有趣细节是，我采用低阳极电压（6V、12V和25V）绘制曲线。这与通常关联电子管的数百伏工作电压大相径庭。事实证明，多数电子管完全能在此电压区间工作；若今日欲造真空管计算器，完全不必使其成为致命危险源。
真空管电路采用高压通常是为受控设备提供更大功率：如高保真音响或业余无线电天线。问题在于热电子发射固有的低效性导致电子管"导通"电阻较高：在本例中，25V 下约 25mA 电流意味着 1kΩ 电阻值。欲提升输出功率（电压×电流），必须提高电压。
图中另有一处细节：在 6V 曲线中，当栅压接近 +1V 时出现非线性畸变。这正是前文提及的注意事项：仅当栅压低于或接近阴极电压时，电子管才是纯电压控制器件。超过此阈值，部分电子将被栅极吸引——当板压较低、阳极吸力不足时尤甚。为说明此现象，我们单独测量了栅极漏电流：

6GM8电子管，电压-电流特性曲线
尽管如此，固态半导体表现更糟！最终，真空管的淘汰并非源于分立晶体管的卓越电特性，甚至与体积无关（纽维斯特管已证明其竞争力）。究其根本，主要在于成本优势与能效提升。即便最小型真空管也需约 600mW 加热阴极，而晶体管开启了无需专用发电设备的便携电子时代。
电子管的优势深得技术极客青睐，却未能满足工业界核心需求。事实证明，那些极客特性无关紧要，或可轻易通过其他方式弥补。

RCA501分立晶体管计算机。选自RCA产品目录
当然，给予致命一击的是仙童半导体的平面工艺，该技术使单个芯片集成晶体管数量从千级、百万级直至如今的百亿级。但真空电子管的命运，早在此前便已注定。

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