真空管的原理
現代的電腦很小,因為採用的電子材料是以矽晶片為材質的半導體,晶圓廠可以把很多電子元件通通做在一片 IC 矽晶片上,因此我們的手機或 iPad 等「攜帶型電腦」才能做得那麼小。
但是、在半導體之前,電腦所採用的主要元件是「真空管」,「真空管」就像燈泡一樣大,因此做出來的電腦,當然也是又大又笨重。
不過、雖然如此,對歷史好奇的「科技人」,還是會希望瞭解一下真空管的運作原理,本文將會介紹「真空管的運作原理」。
話說《愛迪生》(Thomas Alva Edison) 在 1880年的某日,他好奇地在燈泡中多放了一個電極,且灑了點箔片,結果發現了奇特的現象:第三極通正電時,箔片毫無反應;但通負電時,箔片隨即翻騰漂浮。當時愛迪生不知道此現象的起由,但由於他不經意的發現,這個現象後來被稱為愛迪生效應。
到了 1901 年,《歐文·理查森》 (Owen Richardson) 提出定律,說明電子的激發態引起箔片漂浮,後更以此拿到1928年的諾貝爾物理獎。接著《約翰·弗萊明》 (John Fleming) 在1904年發展出二極管,《李·德佛瑞斯特》(Lee De Forest)更在1907年作出第一個三極管。
真空管可以分為「二極管」與「三極管」兩種,二極管的運作原理如下圖所示:
但是、二極管是否導通全看電壓的大小,因此並不適合用來做為電腦的基本元件,因為缺乏控制極。
三極管解決了這個問題,以下是三極管的基本結構圖。
在三極管的結構中,只要能恰當的控制柵極的電壓,就能決定該真空管是否導通,這種結構和後來的半導體原理幾乎相同,只是所需的電壓通常較大而已。
有了上述的三極管,我們就可以做出電腦的最基本的 NAND 元件,然後就能利用這樣的元件組合出千變萬化的數位電路。
至於怎麼樣用 NAND 元件做出數位電路,還有怎麼用 NAND 元件做出處理器,則又是一個很長的故事,且讓我們先賣個關子,在下期的「少年科技人」雜誌再來探討了。