电子元件符号:革命性的催化剂或晶体管

2019年8月8日

早期电子设备中的真空管

从20世纪初到1947年晶体管问世，电子管或真空管几乎是所有电子设备的基础。在20世纪50年代，工程文化仍然围绕着真空管建立，它推动了基于逻辑的设备的输出。真空管有主要的缺点:玻璃管易碎，需要加热，功耗高，小信号电路效率低，还有噪音问题。

晶体管的研究主要集中在材料的细节上——控制杂质，把金箔切得足够薄，氧化物层也要足够厚。晶体管的这些稳定的改进使得最终从脆弱的真空管向坚固的半导体晶体转变成为可能。

早期将晶体管取代真空管的倡导者之一是一位名叫诺曼·穆迪的英国电气工程师，他提出了革命性的想法，认为晶体管可能比真空管更可靠。穆迪强调，电路图纸上晶体管的艺术表现与它们的功能可靠性息息相关。他大胆地断言，要使晶体管可靠，就必须以不同的方式绘制它们。

电子元件符号帮助设计者思考电路逻辑

当时，许多关于晶体管和电子元件符号应该如何绘制的公共和私人建议在电子期刊、原理图和黑板上流传。电子学的独特之处在于，它是一门使用电子元件符号或图标来思考电路逻辑的学科。所以工程师和绘图员被这样的问题所困扰:符号应该体现什么知识?符号如何反映功能?

在功能上表示电子元件符号和在结构上绘制它们之间出现了冲突。正是在这里，第一个“电路语法”开始出现，原理图开始被视为电子工程师的通信设备。能够规范和标准化电子元件符号的原理图构成规则开始形成。

结晶体管，P-N结和符号语言

一种特殊形式的晶体管，结型晶体管，在原理图领域引起了争议，最终导致了电子元件符号系统的发展。在穆迪实验室工作的物理学家菲利普·汤普森(Phillip Thompson)意识到，晶体管作用的关键不在于半导体层，而在于不同材料相遇的微毫米边界结。

汤普森观察到，单个P-N*结就像整流器一样，限制电流向一个方向流动，允许电流向另一个方向流动。汤普森相信他可以通过晶体管组成结点的排列和作用来控制晶体管的工作。*[注:“P”表示掺杂铝或硼等3电子杂质，“N”表示掺杂磷或砷等5电子杂质。所以P-N电子比是3:5。]

n结和P-N结示意图

利用P-N结有助于提高我们的电子容量

汤普森决定，由于半导体由P-N结组成，他将寻求一种新的方法来绘制晶体管，以突出P-N结。在所有依赖P-N结的半导体器件中，最简单的是二极管——一个用于整流或维持电流方向的单一结。通过选择用于二极管的传统图标作为P-N结的新符号，汤普森可以将二极管符号组合起来，不仅表示晶体管中背靠背的结的排列，还可以表示半导体器件中使用的任何P-N结的排列。这样的天才!

汤普森系统的雄辩之处在于，它不仅描述了晶体管的内部工作原理，而且为一种由代表半导体的图形组成的语言奠定了基础。汤普森的系统有点像电子元件的象形文字，理论上是无限扩展的，因此任何由点、结或两者组成的半导体设备，在汤普森的系统中都有一个逻辑符号。通过强调P-N结，该符号告诉设计师该设备是什么，以及它与其他电子设备有什么连接。这是一种为现在和未来的半导体器件创造符号的系统方法。

真空管和晶体管符号的混淆在第一次世界大战中造成了生命损失

与汤普森在同一个实验室工作，穆迪的团队正在研究基于晶体管独特特性的新电路设计，而不是把晶体管当作另一个真空管来使用。穆迪从汤普森对二极管符号的使用中意识到，这个晶体管符号可以成为打破工程师思想中被误导和潜在危险联系的途径之间的符号用于真空管和晶体管。

穆迪和其他人注意到，当晶体管和真空管的符号在图纸上混淆时(因为一些工程师认为它们是可以互换的)，这种混淆导致了代价高昂甚至致命的错误。冷战初期的示意图出现了严重的错误，造成了灾难性的后果。后来，在朝鲜战争和第一次世界大战中，军事战术任务的灾难性失败部分归咎于电子设备的故障，雷达、瞄准和制导导弹的综合系统也出现了问题。

1957年，汤普森与无线电物理实验室的一位名叫杰克·贝特森的高级研究技术员合作，起草了一份备忘录，该备忘录涉及从功能方面绘制电子元件符号。Bateson认为符号对于设计师之间的清晰沟通至关重要。

在他们的备忘录中，汤普森和贝特森将基于二极管的符号扩展为一个成熟的符号电子元件系列1)汤普森对半导体“逻辑的、自一致的命名法”的渴望，基于二极管符号;2)贝特森希望符号和图表能够将设计师的意图传达给其他工程师和技术人员。他们的系统是聪明的，因为二极管符号可以扩展用于描述依赖于P-N结的任何电子元件。