The vacuum tube era

Theoretische en experimentele studies van elektriciteit gedurende de 18e en 19e eeuw leidden tot de ontwikkeling van de eerste elektrische machines en het begin van het wijdverbreide gebruik van elektriciteit. De geschiedenis van de elektronica begon zich laat in de 19e eeuw los van die van de elektriciteit te ontwikkelen met de identificatie van het elektron door de Engelse natuurkundige Sir Joseph John Thomson en de meting van zijn elektrische lading door de Amerikaanse natuurkundige Robert A. Millikan in 1909.

Ten tijde van Thomsons werk had de Amerikaanse uitvinder Thomas A. Edison een blauwachtige gloed waargenomen in enkele van zijn vroege gloeilampen onder bepaalde omstandigheden en ontdekte dat er een stroom zou vloeien van de ene elektrode in de lamp naar de andere als de tweede (anode) positief geladen werd ten opzichte van de eerste (kathode). Uit het werk van Thomson en zijn studenten en van de Engelse ingenieur John Ambrose Fleming bleek dat dit zogenaamde Edison-effect het resultaat was van de emissie van elektronen uit de kathode, de hete gloeidraad in de lamp. De beweging van de elektronen naar de anode, een metalen plaat, vormde een elektrische stroom die niet zou bestaan als de anode negatief geladen was.

Deze ontdekking gaf een impuls aan de ontwikkeling van elektronenbuizen, waaronder een verbeterde röntgenbuis door de Amerikaanse ingenieur William D. Coolidge en Fleming’s thermionische klep (een twee-elektrode vacuümbuis) voor gebruik in radio-ontvangers. De detectie van een radiosignaal, dat een wisselstroom (AC) met een zeer hoge frequentie is, vereist dat het signaal wordt gelijkgericht; d.w.z. de wisselstroom moet worden omgezet in een gelijkstroom (DC) door een apparaat dat alleen geleidt wanneer het signaal de ene polariteit heeft en niet wanneer het de andere heeft – precies wat de klep van Fleming (gepatenteerd in 1904) deed. Voorheen werden radiosignalen gedetecteerd met verschillende empirisch ontwikkelde apparaten zoals de “cat whisker” detector, die bestond uit een fijne draad (de whisker) die in delicaat contact stond met het oppervlak van een natuurlijk kristal van loodsulfide (galena) of een ander halfgeleidermateriaal. Deze toestellen waren onbetrouwbaar, onvoldoende gevoelig en moesten voortdurend worden bijgesteld om het gewenste resultaat te bereiken. Toch waren dit de voorlopers van de huidige halfgeleiderelementen. Het feit dat kristalgelijkrichters überhaupt werkten, moedigde wetenschappers aan om ze te blijven bestuderen en geleidelijk het fundamentele inzicht te verwerven in de elektrische eigenschappen van halfgeleidende materialen die nodig waren om de uitvinding van de transistor mogelijk te maken.

In 1906 ontwikkelde Lee De Forest, een Amerikaans ingenieur, een type vacuümbuis dat in staat was radiosignalen te versterken. De Forest voegde een raster van fijne draad toe tussen de kathode en de anode van de thermionische klep met twee elektroden die door Fleming was geconstrueerd. Het nieuwe toestel, dat De Forest de Audion noemde (gepatenteerd in 1907), was dus een vacuümbuis met drie elektroden. In een dergelijke vacuümbuis heeft de anode een positief potentiaal (positief voorspanning) ten opzichte van de kathode, terwijl het rooster negatief gespannen is. Een grote negatieve voorspanning op het rooster verhindert om het even welke elektronen die van de kathode worden uitgezonden de anode te bereiken; nochtans, omdat het rooster grotendeels open ruimte is, staat een minder negatieve voorspanning sommige elektronen toe om door het over te gaan en de anode te bereiken. Kleine variaties in de roosterpotentiaal kunnen dus grote hoeveelheden anode-stroom regelen.

De vacuümbuis maakte de ontwikkeling mogelijk van radio-omroep, lange-afstandstelefonie, televisie, en de eerste elektronische digitale computers. Deze vroege elektronische computers waren in feite de grootste vacuümbuissystemen die ooit zijn gebouwd. De bekendste vertegenwoordiger is wellicht de ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), voltooid in 1946.

De speciale eisen van de vele verschillende toepassingen van vacuümbuizen leidden tot talrijke verbeteringen, waardoor zij grote hoeveelheden vermogen aankonden, bij zeer hoge frequenties konden werken, een meer dan gemiddelde betrouwbaarheid hadden, of zeer compact konden worden gemaakt (ter grootte van een vingerhoed). De kathodestraalbuis, oorspronkelijk ontwikkeld voor de weergave van elektrische golfvormen op een scherm voor technische metingen, ontwikkelde zich tot de televisiebeeldbuis. Dergelijke buizen werken door de door de kathode uitgezonden elektronen te vormen tot een dunne straal die op een fluorescerend scherm aan het uiteinde van de buis valt. Het scherm zendt licht uit dat van buiten de buis kan worden bekeken. Het afbuigen van de elektronenbundel veroorzaakt patronen van licht die op het scherm worden geproduceerd, waardoor de gewenste optische beelden worden gecreëerd.

Niettegenstaande het opmerkelijke succes van halfgeleiderelementen in de meeste elektronische toepassingen, zijn er bepaalde gespecialiseerde functies die alleen vacuümbuizen kunnen uitvoeren. Deze impliceren gewoonlijk verrichting bij uitersten van macht of frequentie.

Vacuümbuizen zijn breekbaar en verslijten uiteindelijk in dienst. Defecten treden bij normaal gebruik op, hetzij door de gevolgen van herhaalde verwarming en afkoeling bij het in- en uitschakelen van apparatuur (thermische vermoeidheid), die uiteindelijk een fysieke breuk in een of ander deel van de inwendige structuur van de buis veroorzaakt, hetzij door degradatie van de eigenschappen van de kathode door restgassen in de buis. Vacuümbuizen hebben ook tijd nodig (van enkele seconden tot enkele minuten) om “op te warmen” tot bedrijfstemperatuur – op zijn best een ongemak en in sommige gevallen een ernstige beperking voor hun gebruik. Deze tekortkomingen motiveerden wetenschappers van Bell Laboratories om een alternatief te zoeken voor de vacuümbuis en leidden tot de ontwikkeling van de transistor.