[科普中国]-栅极回路

电子元件本来就是一项专精的电子物理学、利用材质以及结构上的特性，对电形式不同的反应。直热式真空管当然有它天生的优点，但却有一个致命的缺点，那就是阴极容易受到灯丝的温度而改变特性。

栅极由金属细丝组成的筛网状或螺旋状电极。多极电子管中排列在阳极和阴极之间的一个或多个具有细丝网或螺旋线形状的电极，起控制阴极表面电场强度从而改变阴极发射电子或捕获二次放射电子的作用。

简介编辑

场效应管栅极（gate）

场效应管根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写(FET)）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。

场效应管电极编辑

图1 一个n型MOSFET的横截面

所有的FET都有栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）三个端，分别大致对应双极性晶体管的基极（base）、集电极（collector）和发射极（emitter）。除了结型场效应管外，所有的FET也有第四端，被称为体（body）、基（base）、块体（bulk）或衬底（substrate）。这个第四端可以将晶体管调制至运行；在电路设计中，很少让体端发挥大的作用，但是当物理设计一个集成电路的时候，它的存在就是重要的。在图中栅极的长度（length）L，是指源极和漏极的距离。宽度（width）是指晶体管的范围，在图中和横截面垂直。通常情况下宽度比长度大得多。长度1微米的栅极限制最高频率约为5GHz，0.2微米则是约30GHz。

这些端的名称和它们的功能有关。栅极可以被认为是控制一个物理栅的开关。这个栅极可以通过制造或者消除源极和漏极之间的沟道，从而允许或者阻碍电子流过。如果受一个外加的电压影响，电子流将从源极流向漏极。体很简单的就是指栅极、漏极、源极所在的半导体的块体。通常体端和一个电路中最高或最低的电压相连，根据类型不同而不同。体端和源极有时连在一起，因为有时源也连在电路中最高或最低的电压上。当然有时一些电路中FET并没有这样的结构，比如级联传输电路和串叠式电路。

栅极电压对电流的影响编辑

图2 计算机仿真展现的纳米线MOSFET中反型沟道的形成

图2 中显示的是电子密度的变化。阈值电压在0.45V左右。

FET通过影响导电沟道的尺寸和形状，控制从源到漏的电子流（或者空穴流）。沟道是由（是否）加在栅极和源极的电压而创造和影响的（为了讨论的简便，这默认体和源极是相连的）。导电沟道是从源极到漏极的电子流。

耗尽模式在一个n沟道"耗尽模式"器件，一个负的栅源电压将造成一个耗尽区去拓展宽度，自边界侵占沟道，使沟道变窄。如果耗尽区扩展至完全关闭沟道，源极和漏极之间沟道的电阻将会变得很大，FET就会像开关一样有效的关闭（如右图所示，当栅极电压很低时，导电沟道几乎不存在）。类似的，一个正的栅源电压将增大沟道尺寸，而使电子更易流过（如右图所示，当栅极电压足够高时，沟道导通）。

增强模式相反的，在一个n沟道"增强模式"器件中，一个正的栅源电压是制造导电沟道所必需的，因为它不可能在晶体管中自然的存在。正电压吸引了体中的自由移动的电子向栅极运动，形成了导电沟道。但是首先，充足的电子需要被吸引到栅极的附近区域去对抗加在FET中的掺杂离子；这形成了一个没有运动载流子的被称为耗尽区的区域，这种现象被称为FET的阈值电压。更高的栅源电压将会吸引更多的电子通过栅极，则会制造一个从源极到漏极的导电沟道；这个过程叫做"反型"[1]。

简介电子元件本来就是一项专精的电子物理学，利用材质以及结构上的特性，对电形成不同的反应。例如，利用两片紧贴但不接触的金属薄板，就可以形成电容；利用以矽为主的材质，经过适当的制程，就可以变成半导体如二极体、电晶体以及IC等；将铜线以绝缘漆封装形成漆包线，将漆包线卷起来就形成电感、加入铁芯则成为变压器、并接在一起就是李玆线。还有其他诸多电子元件，其实都是架构在基础物理现象上的精巧设计。
真空管的发明就与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性：在实验室中靠近窗户几个未清洗的实验皿，不经意从窗外飘来一些霉菌落在实验皿上，科学家惊讶的发现某些落入实验皿中的霉菌，可以抑制坏菌的扩散与成长，加以实验分析之后这种霉菌就成为了有效且使用广泛的抗生素之一；同样也发生在实验室中的情景，正在研究橡胶的实验中，不经意打破装在玻璃杯里的硫黄，倒入融化的橡胶液体中，凝固后橡胶变成了坚硬且颇富韧性的材质。真空管当然不是无缘无故做几片金属板封装在抽真空的玻璃瓶里进行实验的，它的发展与发明大王爱迪生有着一段故事。

电流与电子流动的方向恰巧相反在此之前试问一个小问题：电路分析上“电流”的方向与实际上“电子”流动的方向是否相同？答案是否定的，电流与电子流的方向是恰巧相反的。过去的科学家无法观察电子流动的方向，于是统一说法，将电池的某一极设定为正极，其电压为正电压，电流由正极流至负极而形成一个封闭的回路。由于大家统一说法与作法，因此多年来并没有发生任何冲突之事，直到了近代科学家有了更精良的设备，观察之后遂推翻了之前的说法：“原来电子是由电池的负端流出来的”！（换言之，电子是从扩大机的喇叭负端流出，而从喇叭正端回流的）
身为使用者并不需要在意何者为真，只要按照科学家的结论行事就可以了。说这一段就是因为当初爱迪生发明灯泡之后，发现他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断，于是进一步实验在灯泡中加入一块小金属板，点灯之后将金属板连接电表，分别施以正电压以及负电压，观察电流的情形。
对于当时的科学而言，位于真空状态下且不连接的金属板，不论如何连接是不可能产生电流的，但怪事发生了，爱迪生发现某种物质（其实就是电子）会透过金属板，会从电池的负极腾空“跳”到正极，此发现当然激起更大的实验动机，此现象便称为“爱迪生效应”。这也是科学家首次质疑电流流动的方向，以及自由电子在空间中流动的现象。
金属之所以能导电，就是因为金属的自由电子较多，便于电子的相互流动，因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。电子还有个特性，带负电的电子容易受到正电压的吸引，所谓同性相斥、异性相吸。又从爱迪生效应中得知，当加热金属物质时，活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象，温度高导致电子活性增强，此时若空间中有一正电压强力吸引，游离的电子就会在空间中流动。基于这几个当时已被了解的知识，佛来明（J.A.Fleming）于1904年制造出第一支二极真空管，李德科士（DeForestLee）将二极管加以改良，于1907年制造出第一支三极管，既然成功研发了三极管，真空管的应用开始实现，真空管的发展从此一日千里。

三极管是最基本的真空管“真空管”（VacuumTube），代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的流动，也可有效降低其丝的氧化损耗。二极管、三极管、五极管，从字面意义代表真空管内部基本“极”的数量。真空管拥有三个最基本的极，第一是“阴极”（Cathode，以K代表）：阴极当然是阴性的，它是释放出电子流的地方，它可以是一块金属板或是灯丝本身，当灯丝加热金属板时，电子就会游离而出，散布在小小的真空玻璃瓶里。第二个极是“屏极”（Plate，以P代表），基本上它是真空管最外围的金属板，眼睛见到真空管最外层深灰色或黑色的金属板，通常就是屏极。屏极连接正电压，它负责吸引从阴极散发出来的电子（还记得吗？利用异性相吸的原理），作为电子游离旅行的终点。第三个极为“栅极”（Gird，以G代表），从构造看来，它犹如一圈圈的细线圈，就如同栅栏一般，固定在阴极与屏极之间，电子流必须通过栅极而到其，在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，它的作用就如同一个水龙头一般，具有流通与阻挡的功能。
真空管光有三个极当然还不算完美，也因此后来的真空管不断改进，在结构上也有了许多的改进之道，以配合不同的放大方式（如超线性接法等），但该部份的内容已经脱离本文，暂不详述。
引擎运转必须要有燃料，真空管的动作动力为电能。真空管的电极当中，最重要的应属阴极，它负责将电子释放出来，作为一切动作的基本。最早的真空管由于构造及理论简单，直接将灯丝充当阴极使用，换句话说，当灯丝点亮时，由于灯丝温度提高，电子就从灯丝释放出来，经过栅极直奔屏极。这种真空管就叫做“直热式真空管”，这次专题的主角300B，就是属于这类型的真空管，相较于其他现代化的五极真空管，300B的构造简单，性能阳春，输出功率也低。
灯丝（Filament）可以使用不同的材质制成，由于直热式三极管直接将灯丝当作阴极，因此灯丝的特性直接影响着直热式真空管的性能。基本上，真空管的灯丝主要可分成三种材质构成，第一种当然是耐高温的钨丝。将纯度高的钨丝抽成细丝，卷绕成状在真空管的最内层，通电之后即可发出温度。但钨丝的必须加温到两千余度时，电子才能发散，因此以钨丝制成灯丝的真空管点燃时，会发出光辉耀眼的亮度，同时温度高得吓人。别意外，不是真空管要烧掉了，而是它本如此！但将钨丝点亮需要消耗较大的电力，唯优点是钨丝甚为耐用，普遍运用于较大功率或长寿命的真空管上。笔者经常听到人说：“那支真空管点起来那么亮，一定两三下就挂点了”。其实并不然，在某些情况下这种真空管的寿命可达数万小时，拿来当作家里的灯泡，既耐用又有装饰的作用，一举数得！
另一种灯丝采用钍钨合金，它只须将灯丝加温至千余度即可工作，相较之下较省电力。最常使用的应为氧化碱土灯丝，它的作法是在灯丝外，涂上一层厚厚的氧化碱土，看起来接近白灰色的物质，它只需要加温至约700度（看起来约暗红色），即可获得足量的电子，因此工作温度最低、也最节省电力，一般而言只须供应6.3V左右的直流，就可以正常工作。
直热式真空管当然有它天生的优点，但却有一个致命的缺点，那就是阴极容易受到灯丝的温度而改变特性。当灯丝电压变动时，或以交流电供应灯丝时，阴极呈现在不稳定的状态下。因此有人主张直热式真空管应采用直流供电，也有人强调必须以交流供电以免损伤阴极，这种争论过去在音响界早已成为一个争论不休的话题。笔者无意在此引起话题，反正各方坚持各有道理，只要听起来没问题，管子耐用好听就行了。如果您有研究上的心得，笔者相当乐于接受1。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学