真空管的發明
當艾狄生在研究電燈泡時，他做了管壁的防塵防煙實驗，1880年無意間發現下燈泡管內插入獨立電極的地方與燈絲之間，在某種條件下會產生電流。這個現象被稱為「艾狄生效應」，艾狄生本人沒有繼續探討，J.W. Swan(Swan燈泡公司創始
人)等人則開始研究此一現象的奧祕。1904年英國佛萊明在橫越大西洋無線電通信發報機中，才首次利用「艾狄生效應」發明了佛萊明管（二極檢波管）。佛萊明出生于英格蘭的蘭卡斯特，在倫敦大學與皇家化學學院畢業后，1892年到1898年間先后擔任了艾狄生、Swan、
Ferranti電力公司的工程師與顧問。佛萊明在白熱燈、電表、發電機等方面有許多改良，並且發明了佛萊明左手定律。1899年起擔任馬可尼無線電電報公司顧問，1901年馬可尼首次進行橫越大西洋傳送，當時所使用的器材大部份都是佛萊明製作的。1904年他尋找一個可靠的無線電偵測器，想到「艾狄生效應」，于是製作了一個在燈絲與真空管四周有金屬圓筒的製品，這是真空管的原型。當時的佛萊明管只有檢波與整流的功用，而且並不穩定。<圖1> 耶魯大學畢業后即進入西屋公司WE服務的美國年輕工程師Le de Forest，對「艾
狄生效應」同樣感興趣，1899年他的畢業論文是「由並行線終端赫茲波的反射」，而在1900年就開始著手研究真空管，1906年申請到二極體的專利（使用電池）。同時他提出許多新的構想，例如在燈絲兩邊加入白金側翼，燈絲材料指定用白金、鉭和碳絲，因為鎢絲當時還未上市，他認為佛萊明管可用在整流，而自己的真空管可作為繼電器。1906年底，他在二極體中多加入一個閘極極，讓真空管具有放大與振蕩的功能，他同時委托燈泡工廠生產，稱為 Audion。此專利在1908年2月18日透過，但我們通常認定1906年是真空管元年，而
Le de Forest就成了「真空管之父」。

真空管的改良最早的真空管都是採用直流電，只能在業務與及少數業餘玩家間流通，因此真空管的第一次改良就是讓它省電。不過電池實在不方面，而且價格也高，所以第一次大戰后就有人嘗試讓真空管以交流電來工作。為了解決哼聲問題，包括使用鎢氬燈管、燈絲DC點火，用大型管如210發射射線以高周波點火等，都被拿出來實驗。GE公司為了提升電話線安定性，從1913年起著手研究交流真空管，終于在1923年獲得專利。西屋公司也在1921年獲得不同樣式的專利，並由McCullough在1925年推出第一號成品。之后兩年，有許多改良式收音機推出，但基本上還是電池式，只是加上旁熱式變壓器與線路，方便直接使用AC插頭而已。西屋公司早于1913年開始研究旁熱管，並在1915年提出申請，不過一直到1927年，RCA才推出旁熱管UY-277（成為美國旁熱真空管的標準規格）；英國MOV也在同年推出Cosmos AC/R（建立
世界旁熱式真空管的標準製造模式），使交流器材得以普及化。最早GE從事電燈泡製造，藉此之便，他們將鎢絲混入少量的二氧化釷。有一次，這個配方被誤用在真空管中，結果卻使放射能力大增。1921年Irvin Langmuir開發出釷鎢燈絲，
大大的提升了電子發射能力，但是用了這種燈絲，如果管內有殘餘氧氣，效果立即打折，最後又研究出各種收氧劑來改良真空效果。當時西屋推出的UX-245、250與245，都已經不是球型燈泡管了，而是氣泡狀的玻璃管，之后再改良才變成后來所看到的可樂瓶型形狀ST管。多極管陸續出現另一波改良是多極管的出現。德國西門子很早就開始動作，希望推出電壓更低、動作更有效率的空間電荷閘極極管(Space Charge Grid)，西
門子的蕭特基博士發明雙閘極極管，一次大戰后1923年正式推出作為手提收音機的檢波管。馬可尼公司則為了減低閘極極與屏極間容量，提升放大率，開發了廉閘極極(Screen Grid)高頻放大用四極管。四極管可用于高
周波放大，卻無法用在低周波上，荷蘭Philips在1927年實驗將廉閘極極和陽極中間插入另一條閘極極，成功開發五極管。第一號產品是B443，為電池式收音機的輸出管，和該公司的2502型收音機一起銷售。得力于B443的成功，Philips在1929年推出AC電源用的C443直熱管，鞏固了其輸出管的領導地位。<圖2>1926年德國Loewe發表了2HF與3NF的複合管，成為複合管的鼻祖。所謂複合管是把兩個或兩個以上的真空管裝入一個管子內，同時各自有其獨立的功能。由於德國使用收音機必須課稅，課稅標準以真空管數量為標準，為減低管數，所以有了複合管的誕生。此外英國的Ediswan、美國愛默生的Multi Value也都生產複合管。一次大戰
后英國的MOV開始開發金屬管，希望改善玻璃管易碎的缺點，第一支發信管CAT的推出是一項重大突破，美國RCA從 CAT偷學技術，1935年也推出金屬管，之后還有GE與許多小廠加入，但
金屬管複雜且昂貴，所以很快就消失了。

英國真空管發展

1838年，英國法拉第對1mm/Hg低壓空氣放電、發光、電導度等加以研究，可以說開啟了真空管技術的序幕。二極體的發明人佛萊明也是英國人，他在馬可尼公司從事橫越大西洋傳訊實驗時，收信裝置相當原始。他試製作磁石收信機，但無法使用︰佛萊明的聽覺不佳，所以還開發了把收信機訊號記錄，用眼睛解讀的裝置。當時感度最高的電流指示計為德遜保指示計，為了利用它，必須有能將高頻率電流轉換成直流的整流機，但他嘗試過各種低周用整流器都沒有用。1904年他把艾狄生實驗用裝有電極的電燈泡拿來改裝，發明了二極體（他稱為振蕩管），現下英國以Valve稱呼真空管，即引用佛萊明的命名。當時已經知道管內的真空度越高，整流作用越佳，但只能以加熱模式排出管內空氣。<圖3>最初佛萊明檢波器與礦石檢波器一樣沒有陽極，不久就加入電陽極，可惜提出專利的時間比Le de Forest稍晚，把真空管之父的美譽拱手讓人。由於英國不像美國那么迫切需要長
途電話，所以真空管的開發腳步並不急。1911年馬可尼公司的蘭尼首度開發出三極管，多用于軍方的無線電收信機，但由於管內真空無法長期保存，工作很不穩定，后來從美國引進球型真空管的排氣，才改良了安定性。1916年BTH 推出Type R管，
與法蘭西的TM管幾乎一樣。一次大戰中，英國海軍致力開發發信管，生產大型真空管，1917年Marconi-Osram Valve所生產的Type T1，是最早的大型發信管。1937年，與RCA有關係
的馬可尼與GEC兩家公司，發表了International Octal系列真空管，以KT（Kinkless
Tetrode）這個型號加入束射功率管的行列，也為英國真空管開辟了另一片天空。不論與6V6同級的KT61，或者與6L6相近的KT66，都獲得許多人的喜愛。稍后所開發的KT88，成為與RCA 6550鼎足而立的產品。

法蘭西的真空管

1908年，Le de Forest到法蘭西宣傳他的新球型管Audion，會見當時法蘭西通信部隊負責人菲力上校，爭取到在巴黎艾菲爾鐵塔上展示發射機的機會。菲力上校對三極管很感興趣，但示範並不成功，所以沒有採用。不過法蘭西本身沒有設計真空管的經驗，而德國軍力擴充迅速，隨時有爆發歐戰的可能，通信部隊的需求迫在眉睫。 1914年大戰前夕，一位美國人保羅皮森，受德律
風根的指派在美國收集最新通信器材情報，當他準備返回德國而在倫敦過境時，德國已經對法宣戰。保羅潛入法蘭西被捕，他被引見菲力將軍，並從口袋拿出Audion真空管詳述其優點，菲力將軍立刻安排他在通信部隊成立真空管緊急開發項目，這是法蘭西真空管的起源。保羅找到裡昂一家燈泡廠Grammont合作，推出原筒型的三極管，成品稱為Fotos。雖然法蘭西很晚才加入，但Fotos中的設計精巧，充分發會法蘭西人的創意天分，所以推出后訂單如雪。另一家曾試做過佛萊明管的Generale des Lampes公司也緊急加入生產，產品命名為Metal，而產品編號就以負責
開發的法軍通信隊的縮寫-TM(Telegraph Military)命名。TM管是一次大戰中公認最好的三極管，英國馬可尼公司戰后買下專利生產。它所採用的管座/插座設計，可輕易的分離開來，也是真空管的一大突破，四腳架構也在歐洲被長期採用。

德國真空管的起源
1903年，德國人威奈特將放電管上面涂以鋇鈣等鹼性金屬氧化物，開發出氧化膜熱陰極的原型，這項發明對后來的佛萊明二極體有很大的啟示。1906年利班由Braun管得到靈感，以陰極射線Relay的名稱申請專利，日后經過多次改良，在1911年8月發表了新的真空管。新真空管在柏林大學舉行發表會，結果AEG/德律風根、西門子等公司愿一起合作進行改良，他們的完成品叫LRS Relay。LRS Relay易受溫度等外在環境與
電源電壓的影響，雜音多，燈絲氧化膜也容易剝落，但一次大戰前卻是長距離電話線的主角。<圖4>德國在 1914年決定為民間電話線路開發新真空管，克服LRS Relay的缺點，最後西門
子的Type A獲選。Type A師承球型三極真空管，1916年開始發售，一部份用于戰場上竊聽敵軍通信用的手提放大器。之后德國真空管就由西門子與德律風根兩家公司為主導，陸續推出許多真空管。

美國西屋公司的貢獻

美國由於幅員廣闊，對長距離電話特別需要，國營的AT&T與他的製造商西屋電器WH(Westinghouse)，也因此很早就投入相關研究，甚至將觸角延伸到歐洲。西屋公司曾是家電大廠也參與最早的有聲電影開發，並積極介入電話相關製造業。Le de Forest嘗試
把他的三極管用在低周波放大而沒有成功，直到1912年終于有些成果，他立刻把中繼放大器權利賣給AT&T/WE，並向西屋公司展示其Audion。當時Audion訊號增強會有失真，管內殘留氣體，陽極電壓提升后容易失控，燈絲壽命極短，物理特性不易維持，每個Audion規格都不固定。這個情況對電話中繼放大器並不合適，曾經在芝加哥大學研究真空技術，同時在西屋公司從事水銀弧光燈中繼器研究的阿諾博士，卻看出Audion的潛力。阿諾博士首先強化Audion電極的架構，再採用氧化皮膜燈絲，降低工作溫度，提升真空度，結果使Audion壽命提升到一千小時。1918年10 月，這項成果實際用于費城、紐約、華盛頓
間的電話線上，這是世界首度將真空管運用于商用通信電路中，真空管的編號為Type
 A。之后西屋繼續研究，推出廣為收音機使用的UV管(Unit Vacuum Tube)，比歐洲的四腳管早一年。第一個附有管座的Type M，用于1915年開放的紐約-舊金山大陸橫斷電話線路中，壽命約400小
時。1915年推出的Type L燈絲為Type M的兩倍長，壽命則延長為4500小時。一次大戰期間，美國政府責成西屋優先投入軍用真空管開發。軍用管需承受嚴酷的溫度變化、震動、電壓不穩等考驗，西屋公司最有名的軍用管為VT-1與VT-2。最初西屋的電話真空管稱為Telephono
Repeater Element，軍用管則稱Vacuum Tube。1920年匹茲堡成立了世界第一家無線廣播局，在KDKA開播，引起很大回響，西屋以Aeriola的品牌投入家用收音機製造。不過以西屋為名所開發的真空管數量並不多，美國主要的直熱式三極管都是Radiotron的產品，有人認為是RCA製造，實際上像112、171、250、245等都是出自西屋手中，西屋在低周波功率管方面技術領先。

通用電器與真空管

通用電器以製造直流發電機、電動機、汽車引擎等而聞名，他們介入無線電通信也是從高周波發電機開始。初期無線電公司為得到高周波連續功率而煞費苦心，最初使用電弧式發信機，但工作不穩定。后來想到利用電力交流發電機，並委托通用電器生產，1906年完成的產品只能達到10KHz頻率。不過通用預見此后的發展，于是積極投入，1913年完成200KHz，數KW出力的發電機。另一方面，通用的研究室也很快開發出真空管，Pliotron(希臘語，多的意思) 與
Kenotron（希臘語，真空之意）為通用早期真空管的名字。Pliotron很快朝大型化發展，1914年使用于67KM長距離小型高周波發電機調變實驗成功；而通用也發展出200KW的大規模調變發電機。一次世界大戰期間，通用把技術加以活用，以克裡夫蘭的工廠為中心，生產了多種真空管，大戰中約生產了20多萬個，而西屋責生產了50多萬個，對軍方貢獻良多。

后來居上的美國RCA

一次大戰期間，美國海軍徵收了大西洋橫斷無限電信局（原隸屬于美國馬可尼無線電信公司），並致力擴充規模，將原來50W高周波發射機改為GE製造的200KW機器。這部機器由GE免費提供，對當時戰爭起了很大的作用。戰爭結束后，英國馬可尼等待軍方歸還電信局，並計畫在美國、歐洲設立多處據點大展鴻圖。美國海軍得知馬可尼的企圖，于是說服GE公司，干脆買下美國馬可尼，于1919年10月先成立Radio Corporation
America(RCA)，第二年正式並購美國馬可尼。由於這層特殊關係，RCA順利取得GE真空管銷售權，同時積極投入無線廣播業務，開發家庭用的機器。1921年RCA推出純鎢燈絲的UV-216，成為一般收音機、留聲機所用的整流專用真空管鼻祖。<圖5>1920年RCA/GE聯合與 AT&T/WE締
結互相使用專利權的契約，次年WE加入這個Radio集團，以Radiotron的品牌銷售真空管，並努力擴展真空管的用途，使得美國成為真空管的大本營。GE製造由RCA負責銷售的Radiotron，最初型號為UV-200、UV-201，外型和GE軍用管類似，內部電極則完全更新，這些GE改良版，成為后來直熱式真空管的標準形狀。由於上述複雜的協議關係，當西屋以自有品牌銷售真空管時，引起RCA強烈不滿，經過長期協調， 1925年決定AT&T與WE只能局
限于民生用無線電收信機的製造和銷售，西屋則另外成立一家格雷堡公司經營一般消費用的家電。至於廣播用發信設備、錄音室用機器、電影音響系統、航空船舶的無線電器材，西屋另外成立Non-Associate公司來銷售真空管。1930年美國實施反市場壟斷法律，這幾家公司組成的「Radio Group」宣佈解體，有先見之明的RCA則早一步成立Radiotron
Manufacturing公司，買下GE的哈裡遜工廠，開始自己生產收信管。在Group解體時大家有共識，RCA在1935年以前可生產真空管，而 GE與西屋在1935年后才能投入生產。RCA為避免獨佔地位遭非議，
1929年起開始授權給中小廠商參與製造真空管，這使得美國製真空管互換性良好，插座種類降到最低，比起歐洲真空管流通性更佳。1936年，RCA發表了最早的束射管6L6，為業界帶來一陣鼓舞。束射管新增陰極同電位之束射形成電極，同時控制閘極極與廉閘極極的結合，雖然是從四極管發展而來，但它比五極管有更低的陽極特性、更高的效率，以及廉閘極極電流低等特性，可以算是真空管發展史上的大躍進。最早的6L6是黑色金屬管，后來才變成玻璃管，被許多大型電唱機和擴大機所採用，輸出規格為6.5瓦。1937年底RCA同時發表輸出4.5瓦的小型 6L6，型號為6V6與6V6G，用于一般的
收音機中。

以民生為導向的Philips

1891年在荷蘭安特奧芬鄉下由父子共同創業的Philips，到1903年已經成為歐洲第四大燈泡廠。由於荷蘭並未參加一次大戰，所以並未投入軍用管開發。戰后一位無線電工程師Idzerda要求替Philips製造第一號真空管，並以其名字IDZ命名，此人日后成立了無線電台而相當著名。IDZ也是根據Audion改造而來，得到許多業餘玩家的青睞，Philips在1919年改良為A、B、C三種型號，正式介入真空管製造與發展。

只做專業用真空管的WE

由於WE(Western Electric)是世界最大電話公司AT&T的製造部門，所以他們製造的真空管都以專業用途為主，幾乎沒有民生用管。九０代興起的300B熱潮，把WE的300B捧上天空，這大概也是WE始料未及的。WE很早就因應市場需求，推出104、205、211、212等三極管，同時還把205D、
211D等運用在當時幾乎獨佔市場的電影院擴大機上（Type 42、43、46等型號）。WE早期的直熱式三極管，陽極為金屬網（后改為黑色金屬板）、氧化膜燈絲，電極頂部有陶瓷的支撐板，製作非常堅固。1937年發表最早的超短波用真空管316A，戲劇性的將300MHz的道統界線一舉提升到UHF頻帶，此真空管用于飛機的敵我識別系統，可見得WE在這方面的實力。1938年，WE的300B問世，比RCA的2A3晚了幾年。這時已接近三極管的末期，但因累積了過去的技能，所以產生平衡性極佳的傑作。300B和同廠的252A相比，只用6W的燈絲電力，陽極最大定格（450V/80mA）時可得到將近18瓦的功率（252A輸出8瓦）。比300B稍早的300A 在1933年推出，300A的接腳
是刺刀式的，為了與2A3競爭因此改成四腳的300B，它們構造、尺寸、特性完全相同。由於300A/300B的優良性能與高信賴性，還有長壽命，不僅是用在WE Type 86、91、92等擴大機上，定電壓電源等工業用、軍用
器材也都有使用，直到六０年代美國太空總署內的儀器都還用300B做電源穩壓，它是美國直熱式三極管告別世間珍存的一顆耀眼巨星。1996年WE重開坎薩斯城的生產線，重整旗鼓讓300B複出，但350美元一支的定價早已今非昔比。