Warum wird dieser DIY-Transistorversuch nicht leiten?

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Ich habe versucht, zu Hause ein grobes Transistorgerät herzustellen. Bisher war ich nicht erfolgreich. Mein elektrisches Verständnis ist so gut wie nicht vorhanden, abgesehen von dem, was ich in den letzten 3 Monaten gelernt habe, seit ich einen wilden Artikel über tintenstrahlgedruckte Transistoren gelesen habe.

Ich versuche, eine Methode zu verwenden, die keine giftigen Materialien oder hohen Temperaturen erfordert.

Dieses Experiment scheint vielversprechend zu sein, daher habe ich versucht, das Gerät basierend auf einer Zinkoxid-Halbleiterschicht und Drahtklebekontakten wie hier beschrieben zu emulieren.

https://www.andaquartergetsyoucoffee.com/wp/wp-content/uploads/2009/05/zinc-oxide-experiments-i.pdf

Gemäß der Veröffentlichung wird mit diesem Gerät ein Transistor/Feldeffekt erzielt, indem 96 Volt angelegt werden, wobei die negative Leitung der Stromversorgung an das Gate und die positive Leitung entweder an Source oder Drain angeschlossen ist.

Der Grund für die hohe erforderliche Spannung scheint die Dicke des Gate-Dielektrikums zu sein, bei dem es sich um ein Mikroskop-Deckglas mit einer Dicke von etwa 0,12 mm bis 0,16 mm handelt. Ich hatte gehofft, dass mein Gate-Dielektrikum mit einer Dicke von ~ 0,01 mm es dem Gerät ermöglichen würde, bei ~ 9 Volt am Gate zu leiten.

Meine Versuche mit einigen Änderungen:

Verwendete Materialien:

  • halbleitende "Tinte/Farbe": organisches Nicht-Nano-Zinkoxidpulver + Isopropylalkohol
  • Source, Drain und Gate: leitfähiger Stift (gemahlener Kohlenstoff und ungiftiger Binder)
  • Source, Drain und Gate: Drahtkleber (Silberpaste)
  • Gate-Dielektrikum: Frischhaltefolie in Küchenqualität (laut Websuche ~ 0,01 mm)
  • Substrat: Mikroskop-Deckgläser aus Glas
  • 24 Gauge unbeschichteter Kupferdraht
  • Drahtkleber (gemahlener Kohlenstoff und ungiftiges Bindemittel)
  • Benchtop-DC-Netzteil 0-5 Ampere 0-30 Volt

Versuch Nr. 1:

https://i.imgur.com/52jjQoP.jpg

  • benutzte einen leitfähigen Kohlestift, um eine Glasfolie als Tor zu zeichnen, und benutzte Drahtkleber, um Kupferdraht mit einem Ende zu verbinden. Dann im Ofen bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten trocknen lassen

  • Glasobjektträger mit 1 Schicht Frischhaltefolie fest einwickeln und bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten in einen Ofen legen, um zu versuchen, Falten in der Frischhaltefolie zu glätten. (nur kleiner Erfolg)

  • Lösung aus Zinkoxid und 91 %igem Isopropoylalkohol auf den bedeckten Objektträger tropfen und im Ofen bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten trocknen lassen. Es entstand eine spröde Schicht von ca. 1 mm Dicke

    • zog Source und Drain ~ 2 mm auseinander auf einen neuen Glasträger und verband Kupferdraht mit Drahtkleber. Im Ofen bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten trocknen lassen

    • platzierte eine zweite Glasscheibe oben auf der ersten, wobei Source- und Drain-Kontakt nach unten die Zinkoxidschicht berührten, wobei das Gate zwischen Source und Drain zentriert war

    • Wickeln Sie das Klebeband fest um die 2 Objektträger, um einen engen Kontakt zwischen allen Schichten zu ermöglichen.

    • verbundene negative Leitung der Gleichstromversorgung mit dem Gate und die positive Leitung mit einer Seite, die als Drain bezeichnet ist. Angeschlossenes Multimeter an Source und Drain.

    • Netzteil auf niedrigste Stufe geschaltet und Stromstärke und Spannung langsam auf max. 5 Ampere & 30 Volt

    • Zwischen Source und Drain konnte keine Spannung oder Kontinuität gemessen werden

    • Die gleichen Schritte wurden unter Verwendung von Silberdrahtkleber als Source-Drain und Gate ebenfalls mit negativem Ergebnis wiederholt.

Versuch Nr. 2

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Ähnlich wie beim ersten Versuch mit nur 1 Objektträger. Ich dachte, die Verbindung zwischen dem Source-Drain und der Zinkoxidschicht ist möglicherweise nicht eng / sauber genug.

  • verwendete leitfähigen Kohlestift, um eine ~ 5 mm breite Linie auf dem Glasobjektträger als Tor zu zeichnen, und verwendete Drahtkleber, um Kupferdraht mit einem Ende zu verbinden. Dann im Ofen bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten trocknen lassen

    • Glasobjektträger mit 1 Schicht Frischhaltefolie fest einwickeln und bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten in einen Ofen legen, um zu versuchen, Falten in der Frischhaltefolie zu glätten. (nur kleiner Erfolg)

    • Träufeln Sie eine Lösung aus Zinkoxid und 91 % Isopropoylalkohol auf den abgedeckten Objektträger und lassen Sie sie im Ofen bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten trocknen. Es entstand eine spröde Schicht von ca. 1 mm Dicke

    • benutzte Spritze, um Source- und Drain-Leitungen mit Drahtkleber direkt auf die Zinkoxidschicht zu ziehen und dann mit Kupferdraht zu verbinden. Im Ofen bei ~ 100 Grad Fahrenheit für ~ 15 Minuten trocknen lassen

    • Oberseite mit Sekundenkleber beschichtet, um zu vermeiden, dass Source und Drain die Zinkoxidschicht während der Handhabung abziehen. über Nacht trocknen lassen

    • verbundene negative Leitung der Gleichstromversorgung mit dem Gate und die positive Leitung mit einer Seite, die als Drain bezeichnet ist. Angeschlossenes Multimeter an Source und Drain.

    • Netzteil auf niedrigste Stufe geschaltet und Stromstärke und Spannung langsam auf max. 5 Ampere & 30 Volt

    • Zwischen Source und Drain konnte keine Spannung oder Kontinuität gemessen werden

Hier sind ein paar Bilder der Schritte: https://imgur.com/a/jXAoOS0

Im Moment kann ich nicht überprüfen, ob die von mir verwendeten Materialien in genau demselben Aufbau funktionieren würden, wie in dem Experiment beschrieben, das ich zu emulieren versuchte. Im Moment fehlen mir Zinknitrat, 2-Propanol und ein Gleichstromnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 96 Volt.

Was sind die Hauptfehler in meinem Experiment?

Ich habe folgende Annahmen, die im Moment schwer zu überprüfen sind:

  • Meine Zinkoxidschicht ist möglicherweise zu inkonsistent/spröde und bildet keine gleichmäßige Oberfläche.

  • Mein Gate-Dielektrikum/Substrat ist nicht flach genug oder besteht aus dem falschen Material

  • Meine Lücken sind zu groß / Gate-Dielektrikum ist zu dick und Source und Drain sind zu weit voneinander entfernt

  • meine Materialien sind nicht rein genug und weisen daher nicht die erwarteten Eigenschaften auf

  • Ich habe festgestellt, dass Silber als Dotierstoff vom n-Typ verwendet wird, und da ich erwarte, dass meine Zinkoxidschicht vom n-Typ ist, wird ein Dotierstoff vom p-Typ benötigt

  • Während das Experiment, das ich zu emulieren versuche, Drahtkleber verwendet, gibt es wenig Erklärung dafür, was das Material ist, außer der Aussage, dass jeder leitfähige Kleber funktionieren sollte. Mein Drahtkleber basiert auf gemahlenem Kohlenstoff, genau wie der leitfähige Stift, den ich verwendet habe. Ich habe keine Informationen gefunden, ob Kohlenstoff vom n- oder p-Typ ist. vielleicht kann Kohlenstoff auch nicht verwendet werden. https://www.andaquartergetsyoucoffee.com/wp/wp-content/uploads/2009/05/zinc-oxide-experiments-i.pdf

  • Ich kann nicht genug Spannung an das Gate anlegen, da meine Versorgung bei 30 Volt maximal ist.

  • meine Verkabelung ist falsch

Ich denke, die Mängel hier sind wahrscheinlich für jeden mit Erfahrung auf diesem Gebiet einfach aufzuzeigen. Irgendwelche Tipps und Ideen würden sehr geschätzt. Ich frage mich, ob ich irgendwo in der Nähe eines funktionierenden Geräts bin.

Wow, nettes Experiment! Ich frage mich, wie viele Leute hier wissen, wie man einen Transistor baut ...
Nächster Schritt: selbstgezogene Drähte :) Aber im Ernst, ich bin nicht derjenige, der genug weiß, um einen zu machen. Mitleid...
Ich habe das noch nie versucht, aber ich frage mich, ob es einfacher wäre, mit der Herstellung einer Diode zu beginnen und dann von dort aus vorwärts zu arbeiten.
@Ahorn. Sie können mit einem Bleistift Linien auf Papier zeichnen und sie werden dirigieren. Das ist ein gezogener Draht, nicht wahr? youtube.com/watch?v=BwKQ9Idq9FM
@Annie du hast wahrscheinlich recht. Ich denke, dass ähnliche Fragen auch dafür gelten würden.
Beschwörung und Zauberstab waren der Aufgabe offensichtlich nicht gewachsen.
@user287001 Glaub mir, das habe ich auch probiert! ;)
Ein Fehler in Ihrem 2. Experiment ist, dass Sie versucht haben, die Spannung zwischen 'Source' und 'Drain' zu messen. Sie sollten versucht haben, den Widerstand zu messen oder Ihr Messgerät in den Diodentestmodus zu versetzen. Wenn nichts als Ihr Messgerät an die „Quelle“ angeschlossen ist, fließt niemals Strom oder ein Spannungsabfall über Ihrem „FET“.
@brhans Danke für den Hinweis! Ich habe auch den Widerstand gemessen, ohne Ergebnis. Ich werde meinen Beitrag aktualisieren, um das klarzustellen.
Ich habe ein bisschen Schwierigkeiten, Ihrem Herstellungsprozess zu folgen. Können Sie einen Querschnitt dessen skizzieren, was Sie Ihrer Meinung nach gemacht haben?
Ich sehe nichts Aufregendes in Experimenten auf Makroskalen mit Dingen, die für Mikroskalen entwickelt wurden. Das Ergebnis aus dem zitierten Artikel ist, dass das Anlegen von +/-48 V an das Gate zu einer Stromänderung von 30 nA führt. Ich wage zu vermuten, dass ein einfaches Übersprechen zwischen offenen, nicht abgeschirmten Drähten 100-mal größer ist.
@AliChen Sie können Mosfets im Millimeterbereich absolut herstellen. Mit besseren Materialien könnten sie eigentlich ganz gut funktionieren.
For now I'm missing [...] 2­propanol, [...]Isopropylalkohol ist 2-Propanol. Nach Ihren früheren Beschreibungen klingt es so, als hätten Sie dies. Oder hast du bereits in Isopropylalkohol gelöstes Zinkoxid gekauft?
@Matt Ich wusste nicht, dass Isopropylalkohol und 2Propanol dasselbe sind, danke! Ich kaufte Non-Nono-Zinkoxidpulver und 91%igen Isopropylalkohol aus der Apotheke.
@Matt Ich habe eine Skizze von dem hinzugefügt, was ich glaube ich gemacht habe :) i.imgur.com/BfTvbYC.png
Ich würde Ihnen empfehlen, „DOI: 10.1049/esej:19980509“ gefolgt von Lilienfelds Patent: 1900018 und dann Bret Crawfords MS-Thesis zu lesen, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie schwierig Ihre Messungen sein können, selbst wenn sie funktionieren. (Nur eine Anmerkung: Ich habe das gemacht, als ich viel jünger war: Energy from the Sun . Ich habe auch mein erstes Computerprogramm mit einem anderen Bell Labs-Kit, CARDIAC , geschrieben [und ausgeführt] .)
Tolles Experiment!
Ich stimme dafür, diese Frage als nicht zum Thema gehörend zu schließen, da sie für diese Site nicht relevant ist.

Antworten (2)

ZnO zu dick für ein Backgate

Angesichts Ihrer geschätzten ZnO-Dicke von 1 mm wäre ich überrascht, wenn ein Gerät mit dem von Ihnen gezeichneten Querschnitt funktionieren würde. Sie müssten Ladungsträger auf der gegenüberliegenden Seite des ZnO bewirken. Beachten Sie, dass die Dicke eines typischen Siliziumwafers, der für normale elektronische Geräte verwendet wird, etwa 0,4 bis 0,8 mm beträgt und alles Interessante in den oberen ~1% passiert.

Mögliches Backproblem

Es scheint auch, dass Sie nach dem Ablegen nicht annähernd so intensiv backen wie das Papier, auf das Sie sich beziehen. Es sieht so aus, als hätten sie 30 Minuten lang auf einer Kochplatte 540 ° C erhitzt, während Sie in einem Ofen nur 15 Minuten lang 100 ° F erhitzt haben. Abgesehen von den offensichtlichen Temperaturunterschieden muss ein Backen im Ofen in der Regel deutlich länger dauern als ein Backen auf einer Herdplatte, um den gleichen Effekt zu erzielen.

Negative Gate-Vorspannung

Aus Ihrer Beschreibung geht hervor, dass Sie relativ zur Quelle eine negative Gate-Spannung angelegt haben. Haben Sie eine positive Gate-Vorspannung versucht? Das Papier schien darauf hinzudeuten, dass der MOSFET mit einer positiven Gate-Vorspannung leitete und bei einer negativen Vorspannung etwas weniger leitete (etwa 3% weniger). Bei einem dünneren Gate-Dielektrikum, wie Sie es verwenden, würde ich jedoch eine stärkere Stromänderung erwarten.

Andere Dinge zum Ausprobieren

Ich sehe jedoch nichts anderes falsch mit dem Rest des Designs. Ich würde erwarten, dass es eine vernünftige Chance hat, zu funktionieren, wenn Sie ein ähnliches Gerät mit dem Gate oben herstellen. Dies ist jedoch bei Ihrem Prozess nicht trivial.

Alternativ könnten Sie versuchen, eine dünnere ZnO-Schicht herzustellen. Ein übliches Verfahren in der Halbleiterherstellung zum Abscheiden von in Lösungsmitteln gelösten Materialien ist das "Spin-Casting". Geben Sie etwas Material in die Mitte Ihres Substrats und drehen Sie es bei 500-10000 U/min (je nach gewünschter Dicke) für 30-120 Sekunden. Folgen Sie diesem mit einem Backen. Ich weiß nicht, wie gut das mit ZnO in IPA funktionieren würde, aber wenn Sie einen Ersatzmixer herumliegen haben, könnten Sie wahrscheinlich einen für diesen Zweck anpassen. Möglicherweise müssen Sie auch mit Ihrem ZnO:IPA-Verhältnis spielen, um gute Ergebnisse zu erzielen. Ich kann nicht sagen, wie dick ein auf diese Weise abgeschiedener ZnO-Film sein muss, um sicherzustellen, dass er durchgehend ist. Obwohl es nach dem erneuten Lesen Ihres Beitrags so aussieht, als hätten Sie dies bereits mit einem PC-Gehäuselüfter getan. Versuchen Sie vielleicht, Ihr ZnO weiter zu verdünnen, um einen dünneren Film zu erhalten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, zu versuchen, einen Fotowiderstand in ZnO zu erstellen / zu messen, um sich selbst zu beweisen, dass das ZnO kontinuierlich ist und Strom leiten kann. Bei einer schnellen Suche hat ZnO eine direkte Bandlücke von 3,3 eV, was bedeutet, dass Sie Licht mit einer Wellenlänge von etwa 375 nm oder kürzer benötigen würden, um Photoleitfähigkeit zu sehen. Dies liegt genau an der Grenze zwischen sichtbarem und UV-Licht. Das macht die Sache etwas schwieriger, aber das Papier zeigte, dass Photoleitfähigkeit beobachtet wurde, sodass Sie diese Ergebnisse wahrscheinlich reproduzieren könnten. Es ist ein viel einfacheres Gerät als die MOSFETs, die Sie herzustellen versuchten. Tatsächlich sollte der von Ihnen gezeichnete Querschnitt bereits funktionieren. Beleuchten Sie Ihre Probe von oben mit der hellsten UV-Lichtquelle, die Sie finden können (die Sonne ist eine ziemlich helle UV-Lichtquelle). Legen Sie eine Spannung an und messen Sie den Strom durch Ihr Gerät (oder verwenden Sie die Widerstandseinstellung auf einem Multimeter). Aufgrund der großen Bandlücke von ZnO kann es einige Zeit dauern, bis die Leitfähigkeit nach dem Entfernen des Lichts wieder auf den "dunklen" Wert zurückfällt, wie in der Arbeit beobachtet. Obwohl ich an dieser Stelle sicher bin, dass Sie gerne überhaupt einen Strom messen würden.

Es tut mir leid für die späte Antwort und ich bin sehr dankbar für deine ausführlichen Antworten @Matt. Ich habe mehrere Versionen des Top-Gate-Ansatzes versucht. Bisher konnte ich beim Anlegen von Spannung an das Gate keinen Widerstandsabfall beobachten. Die Geräte wirken immer noch als offener Stromkreis. Ich konnte jedoch einen erheblichen Widerstandsabfall beobachten, als ich alle versuchten Geräte UV-Licht aussetzte (künstlich und natürlich). Die Verwendung des Kohlenstoffdrahtklebers als Gate auf der Frischhaltefolie "Gate-Dielektrikum" erwies sich als schwierig, also griff ich auf einige einfache Versuche zurück Berühren des Drahtkontakts mit dem Dielektrikum.
Schließlich habe ich auch mit mehreren Versionen versucht, die Gate-Elektrode direkt mit der Zinkoxidschicht zwischen Source und Drain zu berühren, ohne Ergebnisse. Zur Erinnerung: - Bestätigte Lichtempfindlichkeit / halbleitendes Verhalten mit ~ 20 Versuchen. – Versuch eines Top-Gate-Ansatzes mit und ohne Gate-Dielektrikum-Material. - Versucht mit beiden Optionen von negativem und positivem Lead in Bezug auf das Gate. - Es konnten keine Widerstandsänderungen beobachtet werden. Kann ich davon ausgehen, dass ich dem Gate nicht genug Spannung gebe, oder welche anderen Gründe könnte es geben?
@ user695695 Es ist schwer zu sagen, was das Problem ist, aber die Verwendung einer höheren Gate-Spannung kann wahrscheinlich nicht schaden. Messen Sie alle im Dunkeln? Wenn nicht, versuchen Sie es. Vielleicht überwältigen photogenerierte Träger jede Gate-Steuerung, die Sie vielleicht beobachten können.
Ich messe tatsächlich im Dunkeln. Ich baue das Gerät und die elektrischen Leitungen auf und decke es dann vor dem Licht ab, bis das Ohmmeter keine Leitfähigkeit anzeigt. Nach wirkungslosem Anlegen der Spannung und Entfernen der Abdeckung zeigen die Geräte innerhalb von Sekunden Leitfähigkeit bei sehr geringer UV-Belastung.
Leider habe ich mein Netzteil bei 5 Ampere und 30 Volt ausgereizt.

Um eine "FET"-Funktion herzustellen, benötigen Sie 6 Erfolge 1) einen Kanal 2) Source- und Drain-Bereiche 3) einen nicht gleichrichtenden ohmschen Kontakt von (2) nach (1) 4) ein Gate 5) eine geringe Dichte von Oberflächenladungen an der Gate-Kanal-Schnittstelle 6) genügend Spannung am Gate, um den oberen Teil des Kanals zu invertieren, sodass (1) und (2) als Widerstandspfad fungieren.

Bitte seien Sie vorsichtig mit diesen 6 Anforderungen; Meine Eltern waren keine Gerätephysiker.

Nummer 5 brauchst du nicht. Eine große Oberflächenladungsdichte verschiebt nur Ihre Schwellenspannung. Technisch gesehen brauchen Sie # 6 auch nicht, wenn Sie ein Gerät im Verarmungsmodus hergestellt haben. (aber dann brauchen Sie eine ausreichend hohe Gate-Spannung, um die Oberfläche zu erschöpfen)
Danke dir. Können Sie diese Aussagen in einer Antwort skizzieren, die die unzähligen Gedanken des OP anspricht?
Warum wird dieser DIY-Transistorversuch nicht leiten?
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