Era tuburilor cu vid
Studiile teoretice și experimentale ale electricității din secolele al XVIII-lea și al XIX-lea au dus la dezvoltarea primelor mașini electrice și la începutul utilizării pe scară largă a electricității. Istoria electronicii a început să evolueze separat de cea a electricității la sfârșitul secolului al XIX-lea, odată cu identificarea electronului de către fizicianul englez Sir Joseph John Thomson și măsurarea sarcinii electrice a acestuia de către fizicianul american Robert A. Millikan în 1909.
În momentul lucrării lui Thomson, inventatorul american Thomas A. Edison observase o strălucire albăstruie în unele dintre primele sale becuri în anumite condiții și a constatat că un curent ar trece de la un electrod al lămpii la altul dacă cel de-al doilea (anodul) ar fi încărcat pozitiv față de primul (catodul). Lucrările lui Thomson și ale studenților săi, precum și ale inginerului englez John Ambrose Fleming au arătat că acest așa-numit efect Edison era rezultatul emisiei de electroni de la catod, filamentul fierbinte al lămpii. Mișcarea electronilor spre anod, o placă metalică, a constituit un curent electric care nu ar fi existat dacă anodul ar fi fost încărcat negativ.
Această descoperire a impulsionat dezvoltarea tuburilor electronice, inclusiv a unui tub cu raze X îmbunătățit de către inginerul american William D. Coolidge și a supapei termoionice a lui Fleming (un tub cu vid cu doi electrozi) pentru utilizare în receptoarele radio. Detectarea unui semnal radio, care este un curent alternativ (AC) de foarte înaltă frecvență, necesită ca semnalul să fie rectificat; adică, curentul alternativ trebuie transformat în curent continuu (DC) printr-un dispozitiv care conduce doar atunci când semnalul are o polaritate, dar nu și atunci când are cealaltă – exact ceea ce a făcut valva lui Fleming (brevetată în 1904). Anterior, semnalele radio erau detectate prin diverse dispozitive dezvoltate în mod empiric, cum ar fi detectorul „mustață de pisică”, care era compus dintr-un fir fin (mustața) în contact delicat cu suprafața unui cristal natural de sulfură de plumb (galena) sau a unui alt material semiconductor. Aceste dispozitive nu erau fiabile, nu aveau o sensibilitate suficientă și necesitau o ajustare constantă a contactului mustății cu cristalul pentru a produce rezultatul dorit. Cu toate acestea, acestea au fost precursoarele dispozitivelor cu semiconductori de astăzi. Faptul că redresoarele cu cristale funcționau i-a încurajat pe oamenii de știință să continue să le studieze și, treptat, să obțină înțelegerea fundamentală a proprietăților electrice ale materialelor semiconductoare, necesară pentru a permite inventarea tranzistorului.
În 1906, Lee De Forest, un inginer american, a dezvoltat un tip de tub cu vid care era capabil să amplifice semnalele radio. De Forest a adăugat o grilă de sârmă fină între catodul și anodul valvei termoionice cu doi electrozi construită de Fleming. Noul dispozitiv, pe care De Forest l-a numit Audion (brevetat în 1907), era astfel un tub cu vid cu trei electrozi. În timpul funcționării, anodul dintr-un astfel de tub cu vid are un potențial pozitiv (polarizat pozitiv) în raport cu catodul, în timp ce grila este polarizată negativ. O polarizare negativă mare a grilei împiedică electronii emiși de la catod să ajungă la anod; cu toate acestea, deoarece grila este în mare parte un spațiu deschis, o polarizare mai puțin negativă permite ca unii electroni să treacă prin ea și să ajungă la anod. Astfel, mici variații ale potențialului grilei pot controla cantități mari de curent anodic.
Tubul cu vid a permis dezvoltarea radiodifuziunii, a telefoniei la distanță, a televiziunii și a primelor calculatoare electronice digitale. Aceste prime calculatoare electronice au fost, de fapt, cele mai mari sisteme cu tuburi de vid construite vreodată. Poate că cel mai cunoscut reprezentant este ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), finalizat în 1946.
Exigențele speciale ale numeroaselor aplicații diferite ale tuburilor cu vid au condus la numeroase îmbunătățiri, permițându-le să gestioneze cantități mari de energie, să funcționeze la frecvențe foarte înalte, să aibă o fiabilitate mai mare decât media sau să fie făcute foarte compacte (de mărimea unui degetar). Tubul catodic, dezvoltat inițial pentru a afișa formele de undă electrice pe un ecran pentru măsurători tehnice, a evoluat în tubul de televiziune. Astfel de tuburi funcționează prin formarea electronilor emiși de catod într-un fascicul subțire care lovește un ecran fluorescent la capătul tubului. Ecranul emite lumină care poate fi vizualizată din afara tubului. Devierea fasciculului de electroni face ca modelele de lumină să fie produse pe ecran, creând imaginile optice dorite.
În ciuda succesului remarcabil al dispozitivelor cu semiconductori în majoritatea aplicațiilor electronice, există anumite funcții specializate pe care numai tuburile cu vid le pot îndeplini. Acestea implică, de obicei, funcționarea la puteri sau frecvențe extreme.
Tuburile cu vid sunt fragile și, în cele din urmă, se uzează în serviciu. Defecțiunea apare în condiții normale de utilizare, fie din cauza efectelor încălzirii și răcirii repetate pe măsură ce echipamentul este pornit și oprit (oboseală termică), care în cele din urmă provoacă o fractură fizică într-o parte a structurii interioare a tubului, fie din cauza degradării proprietăților catodului de către gazele reziduale din tub. De asemenea, tuburile cu vid au nevoie de timp (de la câteva secunde la câteva minute) pentru a se „încălzi” la temperatura de funcționare – un inconvenient în cel mai bun caz și, în unele cazuri, o limitare serioasă a utilizării lor. Aceste neajunsuri i-au motivat pe oamenii de știință de la Bell Laboratories să caute o alternativă la tubul cu vid și au dus la dezvoltarea tranzistorului.
.