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收音机为什么叫“半导体”?

发布人:qiushiyuan时间:2021-10-08来源:工程师

在我国不少地方,“半导体”和收音机,说的是一个东西。

 半导体(Semi-conductor)不是集成电路(ICIntegrated Circuits)所用的材料吗?为什么收音机会叫“半导体”呢?
 

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收音机的发明

电报机的发明

早在1835年,摩尔斯在美国发明了最早的电报机,摩尔斯用电流的“通”“断”和“长短”来代替文字进行文字的电传送,这种编码也是鼎鼎大名的摩尔斯电码。虽然电报机可以实现远地相互通信,但还是必须依赖“导线”来连接,非常不方便。

无线电的发明

1887年,德国物理学家赫兹,用实验证明了电磁波的存在。电磁波的发现为无线传输找到了传播途径,也开启了无线通信的新纪元。为了纪念赫兹的伟大贡献,电磁波频率的国际制单位也以赫兹的名字来命名。 在随后的几十年时间里,电磁波被应用到无线通信中:-1894年,意大利电气工程师马可尼开始进行实验,并于1899年实现跨越英吉利海峡传输。-1906年,美国33岁发明家德福雷斯特设计了历史上第一个收音机。这个收音机将真空电子管放大器与马可尼的无线电发明相结合,利用无线电传送人的声音。-1919年,被誉为美国广播通讯业之父的大卫·萨尔诺夫,参与创立美国无线电公司(Radio Corporation of America, RCA),RCA是商用无线电和广播电视的起源。而RCA公司的收音机产品也成为当时最为流行的无线接收设备。 

真空电子管收音机

 在早期的收音机中,采用真空电子管进行收音机的设计。 

真空电子管及工作原理
电子管(Electron Tube),又被称为真空管(Vacuum Tube ),是一种被广泛用于信号放大器设计的重要器件。真空电子管由外部的玻璃壳体、内部的电极及连接电极的管脚构成。由于为了有利于游离电子的流动,玻璃壳体内部被抽为真空,所以电子管也被称为真空管。下图为一些真空电子管的图片。


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图:一些典型真空电子管图片 

二极管是最简单的电子管器件。电子管二极管由阴极Cathode和阳极Anode构成。电子管工作时,位于阴极的灯丝上有电流通过就会发热,当阴极到达一定温度后,就会有电子获得足够的能量而从上面****出来,这些电子将被在阳极的屏极(Plate)吸收。而由于在阴极的灯丝只能****电子而不吸收电子,所以这个方向不能被反过来,这个单向导电特性使此电子管形成了二极管。

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图:电子管二极管原理 

三极管是在二极管的阴极和阳极之间增加了一个栅极(Control grid),以控制电子的运动,而正是栅极的控制作用,使得电子管拥有了放大电压信号的能力。同时,还有四极管、五极管等,是在三极管的基础上增加第二栅极(帘栅极)以及第三栅极(抑制栅极)。

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图:电子管二极管、三极管、四极管、五极管结构 

利用电子管形成的不同器件,就可以设计成不同的电路。采用电子管设计的放大器如下图所示: 

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图:RCA公司采用电子管设计的放大器


真空电子管收音机

利用真空电子管,可以设计实现检波、变频、放大等电路,通过以上电路的搭配,就可以实现收音机功能。

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图:采用电子管实现的收音机电路 20世纪2030年代,RCA公司正是利用电子管,设计实现了如下图所示的电子管收音机,利用无线广播的方式将音乐、信息等无线传输到全球各个地方。 

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图:RCA公司设计的收音机

型号 Model T10-1 Tombstone Radio (1935)

 采用电子管可以实现无线通信和放大功能,并且有良好的大功率及线性度特性。但电子管的缺点也显而易见:体积大、功耗大、发热厉害、寿命短,并且需要高压电源。所以,电子管收音机只应用在政府、军事部门以及无线电爱好者中。 


半导体的横空出世

为了克服电子管的局限性,第二次世界大战结束后,贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料,探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。 1945年秋天,贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组,成员有布拉顿、巴丁等人。他们经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现,在锗片的底面接上电极,在另一面插上细针并通上电流,然后让另一根细针靠近及接触它,并通上微弱的电流,这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化会对另外的电流产生很大的影响,这就是“放大” 作用。这种“放大”作用,也使得半导体器件可以被用于制作放大器。 在为这种器件命名时,布拉顿想到它的电阻变换特性,于是取名为Trans-resistor(转换电阻),后来缩写为Transistor,中文译名就是晶体管这个小小的半导体晶体管,也成为日后集成电路发展的基础。 1956年,肖克莱、巴丁、布拉顿三人,因发明半导体晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

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图:半导体晶体管的发明者

左起:布拉顿,肖克莱,巴丁

半导体晶体管对真空半导体的取代

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图:采用半导体技术实现的晶体管(左)

与采用真空管技术实现的电子管(右)对比

 由于晶体管尺寸小、所需电压低,所以晶体管出现之后,就开始对电子管进行取代。 半导体晶体管第一个实现商品化应用的产品,就是收音机。 1954年,Regency 公司发布TR-1,成为首个商用的半导体晶体管收音机(TRTransistor,晶体管缩写)。半导体晶体管收音机的发明,使原来只能摆放在家中的笨重真空电子管收音机可以装进口袋,一时间“Pocket Radio”(可装进口袋的收音机)成为当时时尚之选。 不过半导体晶体管收音机在刚刚推出来的前几年,依然只是一个小众产品,主流的收音机还是采用真空电子管实现。为了区分采用半导体晶体管制作的收音机和主流电子管制作的收音机之间的区别,半导体晶体管收音机被直接称为“晶体管”或者“半导体”。这也是现代收音机被称之为“半导体”的原因。 

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图:1954年,Regency推出TR-1,主打为:

首个可装进口袋的收音机

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图:典型的晶体管收音机内部构造

主要核心器件为晶体管(Transistor

一个小小的半导体收音机,也改变了很多公司的命运。1957年,东京通信工业公司发布Sony系列半导体收音机。之后的Sony TR-6320世纪50-60年代最受欢迎的消费类电子产品之一。Sony TR-63在当时实在太成功,也使得东京通信工业公司在1958直接将公司更名为SonySony也成为日后称霸50年的日本消费类电子产品供应商,公司也变得家喻户晓。 SonyRegency公司产品为代表的便携晶体管收音机,改变了人们听取音乐的习惯,人们开始可以在任何时间和地点,都能听到音乐。人们因为便携收音机养成的随时随地欣赏音乐的习惯,也促使了80年代WalkmanCD,乃至21世纪iPod的发明。 

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图:Sony20世纪50-60年代推出的晶体管收音机

晶体管(Transistor)被直接印在了壳体上

 虽然近年来中国在集成电路领域不断在追赶世界先进水平,但在上个世纪中期,中国无线通信的发展并不落后。 新中国成立以来,电子工业就是被高度重视的行业。1958年,上海宏音无线电器材厂等9个工厂及上海无线电子技术研究所联合研制成功了我国第一台基于晶体管的收音机。此后,上海、北京、南京等地的一些无线电工厂,先后生产出“上海牌”、 “春蕾”、 “飞乐”、 “红灯”等晶体管收音机。 在上海无线电博物馆,展出了大量中国人自己的收音机。包括经典的电子管收音系列:中国成立10周年献礼之作的上海牌132型电子管收音机,70年代中国爆款的711型六灯两波段电子管收音机;也有珍贵的早期半导体晶体管收音机:中国第一台简单半导体收音机卫星牌636半导体收音机,生产于1962年的第一台全部采用国产元器件收音机--美多28A型便携式半导体晶体管收音机等。 

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图:上海无线电三厂在1962年生产的美多28A-1

半导体收音机(展出于上海无线电博物馆)

 上海无线电博物馆位于上海市徐汇区田林路200A5栋,是一家以无线电为主要展示内容的博物馆,由上海仪电(集团)有限公司投建,藏品约2300件。主要展品由沪上知名收藏家张明律先生捐赠,免费向公众开放。欢迎大家前往,一起感受无线通信发展给生活带来的改变。 

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图:上海无线电博物馆,位于上海市徐汇区田林路200

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图:上海无线电博物馆部分展品

人类对品质生活的需求为技术指明方向,技术的发展改变了人类的生活方式。集成电路、半导体的发明到现在还不到一个世纪,在这几十年中,世界发生了本质的变化,我们的生活方式也在不断受到影响。

你认为还有哪些技术的出现,改变了我们的生活方式呢?欢迎在留言区讨论。

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关键词: 半导体 收音机

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