硫化カドミウムフォトセルで作る自作トランジスタ (2009)

硫化カドミウムフォトセルから自作されたFETトランジスタ。検索語を入力し、検索フォームを送信してください。 硫化カドミウムフォトセルから自作されたFETトランジスタ。 Nyle Steiner K7NS 2009年5月7日 2009年5月10日更新 CDSフォトセルをFETトランジスタに変換 上の写真は、硫化カドミウム光抵抗器に絶縁ゲートを工夫することでトランジスタ動作が観察された様子を示しています。写真は通常の光の下で撮影されましたが、実験は暗闇で行う必要がありました。使用されたフォトセルは上の写真に示されています。これは私が何年も前にラジオシャックで購入したごく一般的なタイプです。 光抵抗器が電界効果トランジスタに変換される もし自作トランジスタが成功するならば、それはFETの形をとる可能性が高いと私は長い間考えていました。1970年6月のScientific American Amateur Scientistコラムに掲載されたRoger Bakerの自作FETについて何度も読み、FETを可能にするシンプルなアーキテクチャについて考えてきました。この記事は、適切な種類の半導体の薄膜に電流を流すだけでFETが簡単に作れることを示しています。もし平らな導体が半導体膜のすぐ近くに置かれ、そこから絶縁されていれば、平らな導体と膜の間の電圧変化が、膜を流れる電流の量に変化を引き起こします。 最近、もしそうであるならば、硫化カドミウムフォトセル（実際には光感応抵抗器）を通じてトランジスタ動作を作り出せるかもしれないとひらめきました。なぜなら、それらは基本的に2つの電極の間に薄い半導体膜で構成されているからです。この簡単な実験は、独自の薄い半導体膜を作成しようとする前に論理的な最初の一歩となるでしょう。もしこのフォトセルの近くに絶縁ゲートを置いたら、トランジスタとして機能するでしょうか？ 最初の試みは、帯電した櫛やPVCパイプを近くで動かしながら、フォトセルを流れる電流に変化があるかどうかを単純に観察することでした。電流の変化が見られた興奮は、フォトセルに当たる光も動く櫛の影響を受けていることに気づくとすぐに消え去りました。メーターを見るためには部屋にいくらかの光が必要でした。数年前にも、帯電した櫛をいくつかのキャットウィスカーデバイスの近くで動かして、電流が変化するかどうかを試しました。その時もいくらかの電流変化を見て興奮しましたが、帯電した櫛からの静電引力が物理的にキャットウィスカーを引っ張っていることに気づくと、興奮は消え去りました。 帯電した物体を半導体や他の種類の膜の近くに置くだけで、その膜を流れる電流に影響を与えることができるのかどうか、私は長い間疑問に思っていました。今のところ、その疑問は未解決のままです。 フォトセルの表面近くに何らかの導電性ゲートを工夫する時が来ました。私はスコッチテープをフォトセルの表面に貼り、絶縁体として機能させました。密着した導電層を作るために、スコッチテープの上に水滴を置き、フォトセル領域のほとんどを覆うのに十分な大きさにしました。水をH2Oはテープの表面に密着する能力があるため使用しました。通常の水の抵抗は、この即席のゲートのほぼ無限の抵抗と比較して非常に低いため、水に何も加える必要はありませんでした。水滴に触れるワイヤー片がゲート電極として機能しました。 私の観察によると、上記のセットアップは間違いなくトランジスタ動作を生み出します。この実験は明白な理由から暗闇で行う必要がありましたが、フォトセルにわずかな光が当たると、時には性能が向上することを発見しました。通常の光の下ではトランジスタ動作はほとんど、あるいはまったくありませんでした。なぜならフォトセルが飽和していたからです。このトランジスタはかなりの電力利得を持っていますが、フォトセルを流れる電流に significant な変化を生み出すためにゲートで必要とされる電圧変化が広いため、電圧利得は非常に低いです。直感的にはゲートを近づけることで感度を上げることができると言えますが、スコッチテープの厚さとフォトセルの前面にある透明なコーティングがこれを妨げました。ゲート入力抵抗は、ほとんどの実際的な目的のために無限大です。ゲートを流れる唯一の電流は、スコッチテープを通過して漏れる電流です。 バッテリーBはフォトセルとR2を通して電流を供給します。フォトセルを流れる電流はI2で測定されます。バッテリーBは9 VDCから175 VDCの間で変化させました。バッテリーAは75 VDCと175 VDCの間で変化させ、ゲートに印加される電圧の極性を反転できるようにスイッチを通して接続しました。スイッチを変更するたびに、ゲートにかかる電圧の極性が反転し、I2を流れる電流の変化が生じました。R1とR2は主に電流を制限し、高電流の場合に電流計を保護するために使用されました。ゲートインピーダンスが非常に高いため、R1はゼロから10 MΩの範囲で大きな違いは発生しませんでした。このデバイスはエンハンスメント・デプレッション型絶縁ゲートFETとして機能しました。ゲートに正電圧を印加するとI2を流れる電流が増加し、負電圧を印加するとI2を流れる電流が減少しました。ゲートのインピーダンスが非常に高いため、このデバイスの電力利得は非常に高くなります。ゲートに数百ボルトの変化があっても、通常は最大で数マイクロアンペアのわずかな変化しか生じません。これは50 uAフルスケール電流計I1ではほとんど認識できない針の動きです。これはゲート回路で消費される電力の非常に小さな変化に相当します。ゲートでのこの電圧変化は、フォトセルを流れる多くのマイクロアンペアの電流変化を引き起こす可能性があります。これはR2を介した出力回路で消費される電力の significant な変化に相当します。このデバイスの応答も動的な特性を持っているように見えました。つまり、反転スイッチが作動するたびに、R2を流れる電流は突然変化し、その後ゆっくりと以前の値に戻っていきました。しかし、ゲートにのこぎり波形を入力することで、実際に出力電流が入力電圧に応答していることを満足できる形で確認できました。R2を介した出力ののこぎり波形は反転していました。これは、この実験が実際に真のトランジスタ動作を生み出しているという追加の確証を与えてくれました。入出力波形は下の写真で見ることができます。出力波形は下の写真では同じように見えますが、はるかに低い振幅でした。低い出力を補償するためにオシロスコープのゲインが上げられました。 入力のこぎり波形 出力は反転のこぎり波形 波形の下部の小さなスパイクは、浮遊容量を介して出力に直接供給される少量の入力信号です。 自作FETトランジスタを使ったパワーアンプ メーターの読み取り値とオシロスコープの信号は、この自作トランジスタのようなデバイスを評価するのに優れていますが、実際の増幅回路を構築し、増幅された信号を聞いてみなければ評価は完了しません。私はそれに成功しました。この粗製のトランジスタのゲートを駆動するには、大きな電圧スイングが必要です。そのため、小さな電圧レベルの信号を増幅するには不向きです。弱いが大きな電圧スイング（非常に高いインピーダンス）の信号は、この自作トランジスタアンプを駆動するのに適しています。幸いなことに、このタイプの信号は非常に身近にあります。家の中で私たちの体が拾う60 HZのブーンという音は、まさにそのような信号であり、このアンプのテストに最適です。増幅されていない信号と増幅された信号を比較するために、図1に示す回路を使用しました。図1の「Touch」ポイントに触れると、スピーカーに耳を直接当てれば60 HZのブーンという音がかすかに聞こえます。アンプ回路の「Touch」ポイントに触れると、スピーカーの近くに座っているだけでブーンという音が簡単に聞こえます。スピーカーからの信号はまだ小さいですが、音量の増加ははっきりと聞こえます。通常、このような信号を増幅することにはあまり関心がありませんが、この状況で増幅された音を聞くのは非常にエキサイティングです。自作トランジスタは非常に小さい