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  胆 文  

 

            从电子管与晶体管的结构看胆机的地位

                               ——鲁润泽

1904年世界上产生了第一支真空二极管至今已经一个世纪,从1948年世界产生了第一支晶体二极管至今也已经半个多世纪,这样两种电子器件给人类生活带来了乐趣和变化。同时也带来了地位的讨论和争执。

有时很简单的回顾会明白很多东西,基础的理论始终是十分重要的,尤其在当今发烧圈内,人们更需要的是理论支持下的发烧,而不在是人云亦云的盲目发烧。

电子器件简单的分为两大类,电子真空器件和半导体器件。电子管器件是控制带电粒子在真空中运动,以电子作为电荷的搬运者,它被称为电子管,俗称“胆”。半导体器件是控制带电粒子在固体中运动,并且该运动是克服由两种不同型的半导体在交界面产生的电场力后产生的运动,它被称为晶体管。

从结构上看,电子管自由电子的产生是基于热逸出原理,即用灯丝加热含有大量自由电子的金属阴极,使自由电子脱离金属表面进入真空。晶体管是依赖于半导体的掺杂获得空间剩余载流子,并通过掺杂获得载流子的浓度。从器件的结构上可以看出电子管中电子的运动环境是真空腔,而晶体管的运动环境是固态的晶体点阵;从运动方式上看电子管中电子近乎是真空直线渡越,晶体管中载流子是在晶格点阵中摩擦、碰撞、折线式定向运动;从作用力看,电子管中的电子一旦热逸出在阴极表面后,便仅仅依赖于阳极电压的高低而形成不同的速度和数目,而晶体管中虽然掺杂获得了大量的载流子,但并不等于是具有很高自由度的自由电子,它受到PN结内电场、浓度场的制约,欲使载流子出现运动,外电场必须克服PN结内电。?缓蠖栽亓髯幼龉,所以说内电场是晶体管中特有的一种矛盾因素,正是由于固体中载流子的运动本质和内电场对载流子运动的阻碍特征,形成了晶体管所具有的优点和缺点。

从动能角度上看,热金属产生电子逸出后电子的动能是自身具有的,逸出后自由电子分布在金属附近的真空中。而在半导体中则不然,掺杂后获得的载流子仍在固体中,室温下其功能是微乎其微,在平衡PN结中近乎等于零。也就是说载流子运动受到了载流子浓度场与PN结内电场的制约。显而易见,外加电场必须克服PN结内电场方可使载流子获得动能,产生运动。然而这种运动由于在固体中进行,也只能碰撞、摩擦式的曲线运动方式,而每碰撞一次便会出现能量转移和消失。

电子管以独特的灯丝加热方式使阴极表面及附近真空管中出现大量的电子热逸出,逸出后电子在箫特基效应作用下,获得较大动能。使其在真空中出现了较宽松、无相持力的近乎直线的运动。此种状态下各种信号能量所建立的空间电场都易于在真空中找到相应的电子并去推动它产生定向运动,形成该频率下的电流频率分量, 然后各频率分量汇集成具有丰富频率的信号电流总量,反应到输出端。

从谐波量讲,根据各次谐波能量的差别,高次谐波的能量是微弱的,但从声音角度讲最微弱的谐波恰恰是音色最重要的,最好听的部分。设想在半导体中由于固体点阵的存在,无疑不利于微弱谐波能量的传导,而产生载流子运动能量的丢失。而电子管的真空腔中单从真空中电子运动方面讲,对各次微弱谐波能量的传导却表现出运动层次清晰,易于推动、易于小能量激发,不易丢失。这就是许多发烧友常常讲胆机表现人声、弦乐细腻具有轮廓感的缘故所在。

从力量上讲,当半导体加大了集电极的电场强度,提高了静态工作点等等手段后,会使得发射电流增大。但值得注意的是载流子碰撞也更加激烈,同时碰撞后的载流子,包括被碰撞的空间电荷区的离子层都会出现震动加剧,从而产生瞬态信号频谱的失真,出现金属性的碰撞效应。这也就是发烧友常常感到用石机听木管、铜管、打击乐时,可以听到过分强调的奇次谐波的声音,显得兴奋震撼。由于大信号碰撞的强烈和离子层的震动,阻塞了一些小能量信号的谐波,其中包括较大能量的偶次谐波均不能被完整传导和表达。所以对人声、弦乐中的泛音部分及交响乐中偶次含量的谐波丢失严重,这也正是通常有些石机仅管频响曲线是水平的,范围是很宽的,指标很高,但听感却上不去的原因。因为人类至今为止无法解决半导体中载流子在固体运动中的相互碰撞及碰撞引起的震动和PN结内电场对扩散的阻碍,以及结内离子层被穿越的载流子碰撞后的自振动,所以只要在半导体中传导丰富频谱的自然音,那么晶体点阵便是不可逾越的障碍,从而达不到预想的完美。在传输等能量或者单一能量信号方面,半导体器件是首当其冲,它具有体积小、重量轻便携的特点。尤其在数码领域里,做编码传导是十分擅长的。但做为声频传输显得勉强或者说不尽人意。从力量上讲电子管又如何呢?在真空状态下,当你提高了阳极电压后,在同样的逸出功下,电子数目和运动速度将大幅度增加,而且在某一范围内是线性增加,即真空中电子的运动更加趋于直线,速度更快(如果V=100伏电子的速度将达到6000千米/秒)。在“爱乐”系列胆机中我们曾经将穆特演绎的《流浪者之歌》的快板,表现的即有表现力量所需要的速度,又有丰富谐波的泛音表达,得到发烧人士的赞赏。其实真正速度快的应当说是真空中运动的电子,而不应是固体中的载流子。从理论上分析在晶体管中,由于PN结内电场对载流子扩散运动的阻碍使谐波传导时,内电场对谐波下的载流子具有一种“刹车”作用,使载流子运动惯性比真空管中自由电子的运动惯性小的多。在声音中音束的颗粒特征明显,致使谐波的音束短。?缘镁?梢恍。(也正是这种刹车作用,使得晶体管在高频谐波作用下不易饱和,传导频率可以做到很高。电子管在这点上却不易做到。)加之集电极反向偏置的强大引力,使颗粒性特征再加上离子、载流子自震的金属声综合弥补了载流子在碰撞、摩擦时所造成的听感上的速度损失。但无论怎样做都无法补偿由于半导体器件本身结构、性质,所丢失的小能量谐波和非金属特征的偶次谐波。而且集电极电压越高,这种特征越强烈,这就是大家常常感到石机的“闹”、“不耐听”和“不人性”。为了解决听感问题人们常常采用改变负反馈的方式,加大负反馈量等,不得已的方法来尽可能将石机做的“耐听”些、“人性”些。结果不免使得还原的声音表现的雾蒙蒙、没有音像的轮廓感、层次感。更重要的是附着了一层广播声。

电真空器件经久不衰的根本是电子的“真空渡越”,它犹如一名宇航员在失重中遨游时,对他略加一个定向作用力后,便会出现轻而易举的直线运动。同样可以想象一名宇航员在流星密布的大气层碰撞躲闪的效果又是如何,经过以上分析,你会不难得出真空管在当今声频领域的地位。这也正是因为如此,在每年一度的德国柏林国际音响展、美国拉斯维加斯的国际音响大展上,胆机占有相当大比重的原因。

最后要说一下关于电子器件的寿命。任何器件都有使用寿命问题,这主要来源于两个方面,一个是器件本身的材料寿命,一个是器件工作环境的可靠性形成的寿命问题。电子管属于阴极热激发式工作方式,那么阴极材料的质量、阴极的结构均是十分重要的因素,在这方面我国的设计和制造工艺仍处在世界的前列,这也正是曙光电子管厂目前的电子管大量出口的重要原因。目前在我们使用的音频、视频设备乃至军事装备仍大量的使用着电真空器件,有的使用寿命达十几年,有的甚至使用了几十年。笔者有一台公私合营年间的电子管收音机,依然放出耐人欣赏,令人回味的音色,除了机中几只电容的石腊封头老化以外,岁月的沧桑也未使它早年毙命。足以见得它的坚固、耐用。尤其是电子管及电子管机安全寿命,用老百姓的俗话讲:皮实,耐折腾。一旦机器出现故障,通常也只是个别电阻、电容损坏,不会出现大面积连锁反应,更不会因功率管击穿而烧掉音箱。它的维修成本低、快捷。另外从每一位用户来讲,除了刚买新机时,每天有聆听的欲望,当进入正常心态后,开机的次数和时间都会随之进入理性阶段,加之其他娱乐活动的时间占有,每周能够保证开机1-2次的人都不会太多,这样听下去,不知要使用多少年。所以大可不必为电子管的使用而计算它的天命。

还要说明的是电子管与晶体管搭机,对线材和器材的要求有较大的不同。电子管是电压控制元件,它与阻容元件组成机器时的另一重要的特征是,对电路的搭机线,包括焊点的要求,要比晶体机低的多,这是因为胆机工作时是处于低电流密度下的运行,即小电流状态;而晶体管则处于高电流密度,即大电流状态运行,因此晶体管机对线材的直径,电流密度,纯铜率反映灵敏,甚至于对阻容器件都有敏感反映,这是目前晶体机为什么难以实现最佳阻容搭配的重要原因所在。在这一方面如能进一步的深入研究摸索,晶体机会晋升一个等级。这方面就需要设计人员除了具备丰富的电子知识以外,要有较深的音乐造诣。准确的把握速度、力度、音色。这一点国外的开发者目前还是走在我们的前面,这也是由于综合国力和人员综合素质所致。随着社会的发展,学科之间相互依存的关系,日益显出其重要性,在音响领域中同样如此, 这一点必须引起我们的注意和强调。

真空管、晶体管如果针对性的使用在其相应的领域肯定是各具所长,因而在使用上的扬长避短是免去大家争论的一种方法,让我们大家回到振兴中国声频领域这样一个高度,把那个不愉快年代所耽误的时间追回来,为我国胆机事业的巩固,为晶体管机的探索共同奋斗。