真空管

真空管（英語：Vacuum Tube）是一種在電路中控制電子流動的電子元件。參與工作的電極被封裝在一個真空的容器內（管壁大多為玻璃），因而得名^[1]。在中國大陸，真空管則會被稱為「電子管」。電子工業早期年代，在香港和廣東省，真空管會被稱作「膽」。一般來說真空管內都是真空。但隨著發展也不一定：有充氣震盪管、充氣穩壓管及水銀整流管。

在二十世紀中期前，因半導體尚未普及，基本上當時所有的電子器材都使用真空管，形成了當時對真空管的需求。但在半導體技術的發展普及和平民化下，真空管因成本高、不耐用、體積大、效能低等原因，最後被半導體取代了。但是可以在音響擴大機、微波爐及人造衛星的高頻發射機看見真空管的身影；許多音響特別使用真空管是因為其特殊音質，在音響界、老舊的真空管常與最新的數位IC共存。另外，像是電視機與電腦陰極射線管顯示器內的陰極射線管以及X光機的X射線管等則是屬於特殊的真空管。

對於大功率放大（如百萬瓦電台）及衛星（微波大功率）而言，大功率真空管及行波管仍是唯一的選擇。對於高頻電焊機及X射線機，它仍是主流元件。

歷史

常用的6922雙三極真空管

真空管的歷史可溯自改良燈泡的商人湯瑪斯·愛迪生。1880年某日，他好奇地在燈泡中多放了一個電極，且灑了點箔片，結果發現了奇特的現象：第三極通正電時，箔片毫無反應；但通負電時，箔片隨即翻騰漂浮。當時愛迪生不知道此現象的起由，但由於他不經意的發現，這個現象後來被稱為愛迪生效應。一直到1901年，歐文·理查森提出定律，說明電子的激發態引起箔片漂浮，後更以此拿到1928年的諾貝爾物理獎。接著約翰·弗萊明在1904年發展出二極管，李·德佛瑞斯特更在1907年作出第一個三極管。

結構

真空管具有發射電子的陰極（K）和工作時通常加上高壓的陽極或稱屏極（P）。燈絲(F)是一種極細的金屬絲，而電流通過其中，使金屬絲產生光和熱，而去激發陰極來放射電子。柵極（G）它一定置於陰極與屏極之間。柵極加電壓是抑制電子通過柵極的量，所以能夠在陰極和陽極之間對電流起到控制作用。

三極真空管之主要結構
真空管之底座結構

為保持管內的真空狀態，真空管中設有一物件，稱為除氣劑。一般由鋇、鋁、鎂等活潑金屬合金製成。在抽出管中空氣後，將管中各元件及除氣劑加熱至紅熱，這樣就可以吸收管內電極所含之氣體^[2]。利用一圍繞管子之高頻電磁場而使除氣劑迅速升華，除氣劑就吸收管子中的氣體。在反應過後，玻璃管內壁積存銀色的除氣劑披覆層。若把管體的玻璃管打破或漏氣時，玻璃管內壁積存銀色的除氣劑便會退色，同時也表示該真空管不能被使用。

玻璃管內壁除氣劑退色之過程
除氣環

運作原理

多極的真空管（如：三、四、五...極管）由二極管演變而來，它們的基本結構和原理是相同的。

二極管

真空二極管運作原理

如圖中所示，

將加熱電壓加於真空二極管的燈絲之上，將陰極加熱至紅熱，從而使陰極的電子被激發（因此燈絲和陰極發出紅光）。
相較於陽極，陰極有更多的電子處於較高能量的激發態。因此，電子更容易被從陰極發射。
當陰極接在電源的負極，陽極接在電源的正極時，兩極間的電位差形成電場，使得陰極的電子跳躍至陽極。與之相反，若電位差的方向逆轉，電子無法輕易地離開陽極跳躍至陰極。
移動的電子形成電流。因為電子只能從陰極移至陽極，所以工作中的真空二極管具有單向導電性。

三極管

三極管運作原理

在真空二極管的基礎上，三極管在陰極和陽極之間添加了一個閘極。通過在閘極和陽極間加上閘極電壓，可以使閘極帶上負電荷。由於電荷同性相斥，通過改變閘極的電場強度，就可以改變電子通過閘極的流量，從而起到放大作用。

抽真空

管內有空氣之示意圖

電子在於其放射過程中，因會與空氣中之組成分子相撞而產生阻力，因此電子經由如空氣之類的介質來移動的話，將會比在真空狀態來的困難，所以若想輕鬆的達成電子放射之移動過程，需將產生電子放射及電子收集之各項元件，也就是燈絲、陰極、柵極、屏極等封裝於玻璃管內，且將其內部成為真空狀態，才能使電子之放射動作達成最高效率。若然真空度不足，會因為被陰極射出的電子擊打管中的空氣，令空氣的原子被激發至激態發出紅光，並嚴重影響真空管之工作表現^[2]。另一方面電子打到玻璃也會產生藍光並產生二次電子反射噪音。

分類

直熱式及旁熱式構造比較

依加熱方式

真空管可被分為2大類別，分別是直熱式和旁熱式。直熱式真空管是較早誕生的。它有一個致命的缺點，就是陰極容易受到燈絲的溫度而改變特性。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。旁熱式真空管作工相對較穩定。由於金屬套筒的體積與儲熱量遠遠大於傳統的燈絲，因此即使燈絲暫時的溫度變動，甚至暫時幾秒鐘的停止加熱，金屬板的溫度變化改變有限，這也就是為什麼某些擴大機關機之後，它還能唱十多秒的主要原因，是因為燈絲未冷卻且電源供應部分有大容量電容器內部餘電未放完^[3]。