柵極迴路

由金屬細絲組成的篩網狀或螺旋狀電極。多極電子管中排列在陽極和陰極之間的一個或多個具有細絲網或螺旋線形狀的電極，起控制陰極表面電場強度從而改變陰極發射電子或捕獲二次放射電子的作用。

場效應管柵極（gate）

場效應管根據三極管的原理開發出的新一代放大元件，有3個極性，柵極，漏極，源極，它的特點是柵極的內阻極高，採用二氧化硅材料的可以達到幾百兆歐，屬於電壓控制型器件。場效應晶體管（FieldEffectTransistor縮寫(FET)）簡稱場效應管。由多數載流子參與導電，也稱為單極型晶體管。它屬於電壓控制型半導體器件。

一個n型MOSFET的橫截面

所有的FET都有柵極（gate）、漏極（drain）、源極（source）三個端，分別大致對應雙極性晶體管的基極（base）、集電極（collector）和發射極（emitter）。除了結型場效應管外，所有的FET也有第四端，被稱為體（body）、基（base）、塊體（bulk）或襯底（substrate）。這個第四端可以將晶體管調製至運行；在電路設計中，很少讓體端發揮大的作用，但是當物理設計一個集成電路的時候，它的存在就是重要的。柵極的長度（length）L，是指源極和漏極的距離。寬度（width）是指晶體管的範圍，和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的柵極限制最高頻率約為5GHz，0.2微米則是約30GHz。

這些端的名稱和它們的功能有關。柵極可以被認為是控制一個物理柵的開關。這個柵極可以通過製造或者消除源極和漏極之間的溝道，從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個外加的電壓影響，電子流將從源極流向漏極。體很簡單的就是指柵極、漏極、源極所在的半導體的塊體。通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連，根據類型不同而不同。體端和源極有時連在一起，因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET並沒有這樣的結構，比如級聯傳輸電路和串疊式電路。

計算機仿真展現的納米線MOSFET中反型溝道的形成

顯示的是電子密度的變化。閾值電壓在0.45V左右。

FET通過影響導電溝道的尺寸和形狀，控制從源到漏的電子流（或者空穴流）。溝道是由（是否）加在柵極和源極的電壓而創造和影響的（為了討論的簡便，這默認體和源極是相連的）。導電溝道是從源極到漏極的電子流。

在一個n溝道"耗盡模式"器件，一個負的柵源電壓將造成一個耗盡區去拓展寬度，自邊界侵佔溝道，使溝道變窄。如果耗盡區擴展至完全關閉溝道，源極和漏極之間溝道的電阻將會變得很大，FET就會像開關一樣有效的關閉（當柵極電壓很低時，導電溝道幾乎不存在）。類似的，一個正的柵源電壓將增大溝道尺寸，而使電子更易流過（當柵極電壓足夠高時，溝道導通）。

相反的，在一個n溝道"增強模式"器件中，一個正的柵源電壓是製造導電溝道所必需的，因為它不可能在晶體管中自然的存在。正電壓吸引了體中的自由移動的電子向柵極運動，形成了導電溝道。但是首先，充足的電子需要被吸引到柵極的附近區域去對抗加在FET中的摻雜離子；這形成了一個沒有運動載流子的被稱為耗盡區的區域，這種現象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過柵極，則會製造一個從源極到漏極的導電溝道；這個過程叫做"反型"[1]。

電子元件本來就是一項專精的電子物理學，利用材質以及結構上的特性，對電形成不同的反應。例如，利用兩片緊貼但不接觸的金屬薄板，就可以形成電容；利用以矽為主的材質，經過適當的製程，就可以變成半導體如二極體、電晶體以及IC等；將銅線以絕緣漆封裝形成漆包線，將漆包線捲起來就形成電感、加入鐵芯則成為變壓器、並接在一起就是李玆線。還有其他諸多電子元件，其實都是架構在基礎物理現象上的精巧設計。

真空管的發明就與盤尼西林以及輪胎的發現一樣具有戲劇性：在實驗室中靠近窗户幾個未清洗的實驗皿，不經意從窗外飄來一些黴菌落在實驗皿上，科學家驚訝的發現某些落入實驗皿中的黴菌，可以抑制壞菌的擴散與成長，加以實驗分析之後這種黴菌就成為了有效且使用廣泛的抗生素之一；同樣也發生在實驗室中的情景，正在研究橡膠的實驗中，不經意打破裝在玻璃杯裏的硫黃，倒入融化的橡膠液體中，凝固後橡膠變成了堅硬且頗富韌性的材質。真空管當然不是無緣無故做幾片金屬板封裝在抽真空的玻璃瓶裏進行實驗的，它的發展與發明大王愛迪生有着一段故事。

在此之前試問一個小問題：電路分析上“電流”的方向與實際上“電子”流動的方向是否相同？答案是否定的，電流與電子流的方向是恰巧相反的。過去的科學家無法觀察電子流動的方向，於是統一説法，將電池的某一極設定為正極，其電壓為正電壓，電流由正極流至負極而形成一個封閉的迴路。由於大家統一説法與作法，因此多年來並沒有發生任何衝突之事，直到了近代科學家有了更精良的設備，觀察之後遂推翻了之前的説法：“原來電子是由電池的負端流出來的”！（換言之，電子是從擴大機的喇叭負端流出，而從喇叭正端迴流的）

身為使用者並不需要在意何者為真，只要按照科學家的結論行事就可以了。説這一段就是因為當初愛迪生髮明燈泡之後，發現他生產的燈泡燈絲老是從正極端燒斷，於是進一步實驗在燈泡中加入一塊小金屬板，點燈之後將金屬板連接電錶，分別施以正電壓以及負電壓，觀察電流的情形。

對於當時的科學而言，位於真空狀態下且不連接的金屬板，不論如何連接是不可能產生電流的，但怪事發生了，愛迪生髮現某種物質（其實就是電子）會透過金屬板，會從電池的負極騰空“跳”到正極，此發現當然激起更大的實驗動機，此現象便稱為“愛迪生效應”。這也是科學家首次質疑電流流動的方向，以及自由電子在空間中流動的現象。

金屬之所以能導電，就是因為金屬的自由電子較多，便於電子的相互流動，因此電子材料必須由導電性佳的材質製成。電子還有個特性，帶負電的電子容易受到正電壓的吸引，所謂同性相斥、異性相吸。又從愛迪生效應中得知，當加熱金屬物質時，活躍於質子外圍的自由電子容易產生遊離現象，温度高導致電子活性增強，此時若空間中有一正電壓強力吸引，遊離的電子就會在空間中流動。基於這幾個當時已被瞭解的知識，佛來明（J.A.Fleming）於1904年製造出第一支二極真空管，李德科士（DeForestLee）將二極管加以改良，於1907年製造出第一支三極管，既然成功研發了三極管，真空管的應用開始實現，真空管的發展從此一日千里。

“真空管”（VacuumTube），代表玻璃瓶內部抽真空，以利於遊離電子的流動，也可有效降低其絲的氧化損耗。二極管、三極管、五極管，從字面意義代表真空管內部基本“極”的數量。真空管擁有三個最基本的極，第一是“陰極”（Cathode，以K代表）：陰極當然是陰性的，它是釋放出電子流的地方，它可以是一塊金屬板或是燈絲本身，當燈絲加熱金屬板時，電子就會遊離而出，散佈在小小的真空玻璃瓶裏。第二個極是“屏極”（Plate，以P代表），基本上它是真空管最外圍的金屬板，眼睛見到真空管最外層深灰色或黑色的金屬板，通常就是屏極。屏極連接正電壓，它負責吸引從陰極散發出來的電子（還記得嗎？利用異性相吸的原理），作為電子游離旅行的終點。第三個極為“柵極”（Gird，以G代表），從構造看來，它猶如一圈圈的細線圈，就如同柵欄一般，固定在陰極與屏極之間，電子流必須通過柵極而到其，在柵極之間通電壓，可以控制電子的流量，它的作用就如同一個水龍頭一般，具有流通與阻擋的功能。

真空管光有三個極當然還不算完美，也因此後來的真空管不斷改進，在結構上也有了許多的改進之道，以配合不同的放大方式（如超線性接法等），但該部份的內容已經脱離本文，暫不詳述。

引擎運轉必須要有燃料，真空管的動作動力為電能。真空管的電極當中，最重要的應屬陰極，它負責將電子釋放出來，作為一切動作的基本。最早的真空管由於構造及理論簡單，直接將燈絲充當陰極使用，換句話説，當燈絲點亮時，由於燈絲温度提高，電子就從燈絲釋放出來，經過柵極直奔屏極。這種真空管就叫做“直熱式真空管”，這次專題的主角300B，就是屬於這類型的真空管，相較於其他現代化的五極真空管，300B的構造簡單，性能陽春，輸出功率也低。

燈絲（Filament）可以使用不同的材質製成，由於直熱式三極管直接將燈絲當作陰極，因此燈絲的特性直接影響着直熱式真空管的性能。基本上，真空管的燈絲主要可分成三種材質構成，第一種當然是耐高温的鎢絲。將純度高的鎢絲抽成細絲，卷繞成狀在真空管的最內層，通電之後即可發出温度。但鎢絲的必須加温到兩千餘度時，電子才能發散，因此以鎢絲製成燈絲的真空管點燃時，會發出光輝耀眼的亮度，同時温度高得嚇人。別意外，不是真空管要燒掉了，而是它本如此！但將鎢絲點亮需要消耗較大的電力，唯優點是鎢絲甚為耐用，普遍運用於較大功率或長壽命的真空管上。筆者經常聽到人説：“那支真空管點起來那麼亮，一定兩三下就掛點了”。其實並不然，在某些情況下這種真空管的壽命可達數萬小時，拿來當作家裏的燈泡，既耐用又有裝飾的作用，一舉數得！

另一種燈絲採用釷鎢合金，它只須將燈絲加温至千餘度即可工作，相較之下較省電力。最常使用的應為氧化鹼土燈絲，它的作法是在燈絲外，塗上一層厚厚的氧化鹼土，看起來接近白灰色的物質，它只需要加温至約700度（看起來約暗紅色），即可獲得足量的電子，因此工作温度最低、也最節省電力，一般而言只須供應6.3V左右的直流，就可以正常工作。

直熱式真空管當然有它天生的優點，但卻有一個致命的缺點，那就是陰極容易受到燈絲的温度而改變特性。當燈絲電壓變動時，或以交流電供應燈絲時，陰極呈現在不穩定的狀態下。因此有人主張直熱式真空管應採用直流供電，也有人強調必須以交流供電以免損傷陰極，這種爭論過去在音響界早已成為一個爭論不休的話題。筆者無意在此引起話題，反正各方堅持各有道理，只要聽起來沒問題，管子耐用好聽就行了。如果您有研究上的心得，筆者相當樂於接受 ^[1]  。