The vacuum tube era

Die theoretischen und experimentellen Studien der Elektrizität während des 18. und 19. Jahrhunderts führten zur Entwicklung der ersten elektrischen Maschinen und zum Beginn der weit verbreiteten Nutzung der Elektrizität. Mit der Identifizierung des Elektrons durch den englischen Physiker Sir Joseph John Thomson und der Messung seiner elektrischen Ladung durch den amerikanischen Physiker Robert A. Millikan im Jahr 1909 begann sich die Geschichte der Elektronik unabhängig von der Geschichte der Elektrizität zu entwickeln.

Zur Zeit von Thomsons Arbeit hatte der amerikanische Erfinder Thomas A. Edison in einigen seiner frühen Glühbirnen unter bestimmten Bedingungen ein bläuliches Leuchten beobachtet und festgestellt, dass ein Strom von einer Elektrode in der Lampe zu einer anderen fließt, wenn die zweite (Anode) gegenüber der ersten (Kathode) positiv geladen wird. Die Arbeiten von Thomson und seinen Studenten sowie des englischen Ingenieurs John Ambrose Fleming ergaben, dass dieser so genannte Edison-Effekt auf die Emission von Elektronen aus der Kathode, dem heißen Glühfaden der Lampe, zurückzuführen ist. Die Bewegung der Elektronen zur Anode, einer Metallplatte, führte zu einem elektrischen Strom, den es nicht gäbe, wenn die Anode negativ geladen wäre.

Diese Entdeckung gab den Anstoß für die Entwicklung von Elektronenröhren, einschließlich einer verbesserten Röntgenröhre des amerikanischen Ingenieurs William D. Coolidge und Flemings thermionischem Ventil (einer Zwei-Elektroden-Vakuumröhre) für den Einsatz in Rundfunkempfängern. Die Erkennung eines Radiosignals, bei dem es sich um einen sehr hochfrequenten Wechselstrom handelt, erfordert eine Gleichrichtung des Signals, d. h. der Wechselstrom muss durch eine Vorrichtung in Gleichstrom umgewandelt werden, die nur dann leitet, wenn das Signal eine Polarität hat, nicht aber, wenn es die andere hat – genau das tat Flemings Röhre (1904 patentiert). Zuvor wurden Funksignale mit verschiedenen empirisch entwickelten Geräten wie dem „Katzenschnurrbart“-Detektor aufgespürt, der aus einem feinen Draht (dem Schnurrbart) in feinem Kontakt mit der Oberfläche eines natürlichen Kristalls aus Bleisulfid (Bleiglanz) oder einem anderen Halbleitermaterial bestand. Diese Geräte waren unzuverlässig, nicht empfindlich genug und erforderten eine ständige Justierung des Kontakts zwischen Whisker und Kristall, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dennoch waren dies die Vorläufer der heutigen Festkörpergeräte. Die Tatsache, dass Kristallgleichrichter überhaupt funktionierten, ermutigte die Wissenschaftler, sie weiter zu untersuchen und allmählich das grundlegende Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien zu erlangen, das für die Erfindung des Transistors notwendig war.

Im Jahr 1906 entwickelte Lee De Forest, ein amerikanischer Ingenieur, eine Art Vakuumröhre, die in der Lage war, Radiosignale zu verstärken. De Forest fügte ein Gitter aus feinem Draht zwischen die Kathode und die Anode des von Fleming konstruierten Zwei-Elektroden-Thermionik-Ventils. Das neue Gerät, das De Forest „Audion“ nannte (1907 patentiert), war also eine Vakuumröhre mit drei Elektroden. Im Betrieb erhält die Anode in einer solchen Vakuumröhre ein positives Potenzial (positive Vorspannung) gegenüber der Kathode, während das Gitter eine negative Vorspannung aufweist. Eine große negative Vorspannung des Gitters verhindert, dass von der Kathode emittierte Elektronen die Anode erreichen; da das Gitter jedoch größtenteils ein offener Raum ist, ermöglicht eine weniger negative Vorspannung, dass einige Elektronen durch ihn hindurchgehen und die Anode erreichen. Kleine Schwankungen des Gitterpotentials können somit große Mengen des Anodenstroms steuern.

Die Vakuumröhre ermöglichte die Entwicklung des Rundfunks, des Fernsprechwesens, des Fernsehens und der ersten elektronischen Digitalrechner. Diese frühen elektronischen Computer waren in der Tat die größten jemals gebauten Vakuumröhrensysteme. Der wohl bekannteste Vertreter ist der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), der 1946 fertiggestellt wurde.

Die besonderen Anforderungen der vielen verschiedenen Anwendungen von Vakuumröhren führten zu zahlreichen Verbesserungen, die es ihnen ermöglichten, große Leistungsmengen zu bewältigen, mit sehr hohen Frequenzen zu arbeiten, überdurchschnittlich zuverlässig zu sein oder sehr kompakt zu sein (die Größe eines Fingerhuts). Die Kathodenstrahlröhre, die ursprünglich für die Darstellung elektrischer Wellenformen auf einem Bildschirm für technische Messungen entwickelt wurde, entwickelte sich zur Fernsehbildröhre. Bei diesen Röhren werden die von der Kathode emittierten Elektronen zu einem dünnen Strahl geformt, der auf einen fluoreszierenden Bildschirm am Ende der Röhre auftrifft. Der Bildschirm gibt Licht ab, das von außerhalb der Röhre betrachtet werden kann. Durch Ablenkung des Elektronenstrahls werden auf dem Bildschirm Lichtmuster erzeugt, die die gewünschten optischen Bilder erzeugen.

Ungeachtet des bemerkenswerten Erfolgs von Festkörpergeräten in den meisten elektronischen Anwendungen gibt es bestimmte Spezialfunktionen, die nur von Vakuumröhren ausgeführt werden können. Dazu gehört in der Regel der Betrieb bei extremer Leistung oder Frequenz.

Vakuumröhren sind zerbrechlich und verschleißen schließlich im Betrieb. Bei normalem Gebrauch kommt es zu Ausfällen, entweder durch die Auswirkungen wiederholter Erwärmung und Abkühlung beim Ein- und Ausschalten der Geräte (thermische Ermüdung), was schließlich zu einem physischen Bruch in einem Teil der inneren Struktur der Röhre führt, oder durch eine Verschlechterung der Eigenschaften der Kathode durch Restgase in der Röhre. Außerdem brauchen Vakuumröhren eine gewisse Zeit (von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten), um auf Betriebstemperatur zu kommen – bestenfalls eine Unannehmlichkeit und in einigen Fällen eine ernsthafte Einschränkung für ihre Verwendung. Diese Unzulänglichkeiten veranlassten die Wissenschaftler der Bell Laboratories, eine Alternative zur Vakuumröhre zu suchen, und führten zur Entwicklung des Transistors.