Vakuumrörstiden

Toretiska och experimentella studier av elektricitet under 1700- och 1800-talen ledde till att de första elektriska maskinerna utvecklades och att elektricitet började användas i stor skala. Elektronikens historia började utvecklas separat från elektricitetens historia i slutet av 1800-talet med identifieringen av elektronen av den engelske fysikern Sir Joseph John Thomson och mätningen av dess elektriska laddning av den amerikanske fysikern Robert A. Millikan 1909.

Vid tiden för Thomsons arbete hade den amerikanske uppfinnaren Thomas A. Edison observerat ett blåaktigt sken i några av sina tidiga glödlampor under vissa förhållanden och funnit att en ström skulle flöda från en elektrod i lampan till en annan om den andra (anoden) gjordes positivt laddad i förhållande till den första (katoden). Arbete som utfördes av Thomson och hans studenter samt av den engelske ingenjören John Ambrose Fleming visade att denna så kallade Edison-effekt var resultatet av att elektroner avges från katoden, den heta glödtråden i lampan. Elektronernas rörelse till anoden, en metallplatta, utgjorde en elektrisk ström som inte skulle existera om anoden var negativt laddad.

Denna upptäckt gav impulser till utvecklingen av elektronrör, bland annat ett förbättrat röntgenrör av den amerikanske ingenjören William D. Coolidge och Flemings termioniska ventil (ett vakuumrör med två elektroder) för användning i radiomottagare. För att detektera en radiosignal, som är en mycket högfrekvent växelström (AC), måste signalen likriktas, dvs. växelströmmen måste omvandlas till likström (DC) med hjälp av en anordning som endast leder när signalen har en polaritet och inte när den har den andra – precis vad Flemings ventil (patenterad 1904) gjorde. Tidigare upptäcktes radiosignaler med hjälp av olika empiriskt utvecklade anordningar som t.ex. detektorn ”cat whisker”, som bestod av en fin tråd (whiskern) i känslig kontakt med ytan av en naturlig kristall av blysulfid (galena) eller något annat halvledarmaterial. Dessa anordningar var otillförlitliga, saknade tillräcklig känslighet och krävde ständig justering av kontakten mellan whiskern och kristallen för att ge önskat resultat. Ändå var de föregångare till dagens halvledaranordningar. Det faktum att kristalllikriktare överhuvudtaget fungerade uppmuntrade vetenskapsmännen att fortsätta att studera dem och gradvis få den grundläggande förståelse för de elektriska egenskaperna hos halvledande material som var nödvändig för att möjliggöra uppfinningen av transistorn.

År 1906 utvecklade Lee De Forest, en amerikansk ingenjör, en typ av vakuumrör som kunde förstärka radiosignaler. De Forest lade till ett nät av fin tråd mellan katoden och anoden i den termioniska ventil med två elektroder som konstruerats av Fleming. Den nya anordningen, som De Forest kallade Audion (patenterad 1907), var alltså ett vakuumrör med tre elektroder. I drift har anoden i ett sådant vakuumrör en positiv potential (positivt polariserad) i förhållande till katoden, medan gittret är negativt polariserat. En stor negativ förspänning på gallret hindrar alla elektroner som avges från katoden från att nå anoden, men eftersom gallret till stor del är ett öppet utrymme tillåter en mindre negativ förspänning att vissa elektroner passerar genom det och når anoden. Små variationer i gitterpotentialen kan således styra stora mängder anodström.

Vakuumröret möjliggjorde utvecklingen av radiosändningar, långdistanstelefoni, television och de första elektroniska digitala datorerna. Dessa tidiga elektroniska datorer var faktiskt de största vakuumrörssystem som någonsin byggts. Den kanske mest kända representanten är ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), som färdigställdes 1946.

De särskilda kraven för de många olika tillämpningarna av vakuumrör ledde till många förbättringar som gjorde det möjligt för dem att hantera stora mängder effekt, arbeta vid mycket höga frekvenser, vara mer tillförlitliga än genomsnittet eller göras mycket kompakta (i storlek som en fingerborg). Katodstråleröret, som ursprungligen utvecklades för att visa elektriska vågformer på en skärm för tekniska mätningar, utvecklades till tv-röret. Sådana rör fungerar genom att de elektroner som avges från katoden formas till en tunn stråle som träffar en fluorescerande skärm i slutet av röret. Skärmen avger ljus som kan ses från utsidan av röret. Genom att avleda elektronstrålen skapas ljusmönster på skärmen, vilket skapar de önskade optiska bilderna.

Trots den anmärkningsvärda framgången för halvledaranordningar i de flesta elektroniska tillämpningar finns det vissa specialiserade funktioner som endast vakuumrör kan utföra. Dessa innebär vanligtvis drift vid extrema effekter eller frekvenser.

Vakuumrör är ömtåliga och slits i slutändan ut i drift. Fel uppstår vid normal användning antingen på grund av effekterna av upprepad uppvärmning och nedkylning när utrustningen sätts på och stängs av (termisk utmattning), vilket i slutändan orsakar en fysisk fraktur i någon del av rörets inre struktur, eller på grund av nedbrytning av katodens egenskaper genom kvarvarande gaser i röret. Vakuumrör tar också tid (från några sekunder till flera minuter) för att ”värmas upp” till driftstemperatur, vilket i bästa fall är en olägenhet och i vissa fall en allvarlig begränsning av deras användning. Dessa brister motiverade forskarna vid Bell Laboratories att söka efter ett alternativ till vakuumröret och ledde till utvecklingen av transistorn.