Perché questo transistor DIY non tenta di condurre

Ho cercato di realizzare un dispositivo a transistor grezzo a casa. Finora non ho avuto successo. La mia comprensione elettrica è quasi inesistente oltre a quello che ho imparato negli ultimi 3 mesi da quando ho letto un articolo selvaggio sui transistor stampati a getto d'inchiostro.

Sto cercando di utilizzare un metodo che non richiede materiali tossici o alte temperature.

Questo esperimento sembra promettente, quindi ho cercato di emulare il dispositivo basato su uno strato di semiconduttore di ossido di zinco e sui contatti filo-colla come descritto qui.

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

Secondo la carta, con questo dispositivo si ottiene un effetto transistor / campo applicando 96 volt con il conduttore negativo dell'alimentatore collegato al gate e il positivo attaccato alla sorgente o allo drain.

la ragione dell'alta tensione richiesta sembra essere lo spessore del dielettrico del gate, che è un vetrino da microscopio di circa 0,12 mm - 0,16 mm di spessore. Speravo che il mio dielettrico del gate con uno spessore di ~ 0,01 mm consentisse al dispositivo di condurre a ~ 9 volt al gate.

I miei tentativi con alcune modifiche:

Materiali usati:

• "inchiostro / vernice" semiconduttivo: polvere organica di ossido di zinco non nano + alcool isopropilico
• sorgente, drenaggio e gate: penna conduttiva (carbonio macinato e legante non tossico)
• fonte, scarico e cancello: colla a filo (pasta d'argento)
• gate dielettrico: pellicola trasparente per cucina (secondo la ricerca web ~ 0,01mm)
• substrato: vetrini per vetrini per microscopio
• Filo di rame non rivestito calibro 24
• colla per filo (carbonio macinato e legante non tossico)
• alimentatore CC da banco 0-5 Amp 0-30 Volt

Tentativo n. 1:

• ha usato la penna conduttiva in carbonio per disegnare un vetrino di linea come cancello e ha usato la colla per fili per collegare il filo di rame a un'estremità. Quindi lasciare asciugare in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti

• vetrino avvolto con 1 strato di pellicola trasparente e messo in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti nel tentativo di appiattire eventuali rughe nella pellicola trasparente. (solo un successo minore)

• Soluzione gocciolata di ossido di zinco e alcool isopropoilico al 91% sulla parte superiore del vetrino coperto e lasciare asciugare in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti. È stato creato uno strato fragile ~ 1 mm di spessore

  • ha disegnato la fonte e drenato a circa 2 mm di distanza su un nuovo scivolo di vetro e ha collegato il filo di rame con la colla per filo. Lasciare asciugare in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti

  • posto secondo vetrino sopra il primo con contatto sorgente e drenaggio verso il basso toccando lo strato di ossido di zinco con il cancello centrato tra sorgente e drenaggio

  • nastro adesivo avvolto strettamente attorno alle 2 diapositive in vetro per facilitare il contatto ravvicinato tra tutti gli strati.

  • cavo negativo collegato dell'alimentazione CC al cancello e cavo positivo a un lato designato drenaggio. Multimetro collegato alla sorgente e allo scarico.

  • acceso alimentatore alle impostazioni più basse e lentamente aumentato amperaggio e tensione fino a max. 5 amp e 30 volt

  • Nessuna tensione o continuità può essere misurata tra sorgente e drain

  • gli stessi passaggi sono stati ripetuti utilizzando la colla a filo d'argento come drenaggio della sorgente e gate anche con risultato negativo.

Tentativo n. 2

Simile al primo tentativo con solo 1 vetrino. Ho pensato che la connessione tra il drenaggio della sorgente e lo strato di ossido di zinco potrebbe non essere abbastanza stretta / pulita.

• ha usato la penna conduttiva in carbonio per tracciare una linea larga ~ 5mm sul vetrino come cancello e ha usato la colla per filo per collegare il filo di rame a un'estremità. Quindi lasciare asciugare in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti

  • vetrino avvolto con 1 strato di pellicola trasparente e messo in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti nel tentativo di appiattire eventuali rughe nella pellicola trasparente. (solo un successo minore)

  • soluzione gocciolante di ossido di zinco e alcool isopropilico al 91% sulla parte superiore del vetrino coperto e lasciare asciugare in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti. È stato creato uno strato fragile ~ 1 mm di spessore

  • ha usato la siringa per disegnare le linee di source e drain direttamente sullo strato di ossido di zinco con colla per filo e quindi collegare il filo di rame. Lasciare asciugare in forno a ~ 100 gradi Fahrenheit per ~ 15 minuti

  • parte superiore rivestita con supercolla per evitare che la sorgente e lo scarico rimuovano lo strato di ossido di zinco durante la manipolazione. lasciare asciugare per tutta la notte

  • cavo negativo collegato dell'alimentazione CC al cancello e cavo positivo a un lato designato drenaggio. Multimetro collegato alla sorgente e allo scarico.

  • acceso alimentatore alle impostazioni più basse e lentamente aumentato amperaggio e tensione fino a max. 5 amp e 30 volt

  • Nessuna tensione o continuità può essere misurata tra sorgente e drain

Ecco alcune immagini dei passaggi: https://imgur.com/a/jXAoOS0

Al momento non sono in grado di verificare se i materiali che ho usato funzionerebbero esattamente nella stessa configurazione descritta nell'esperimento che ho cercato di emulare. Per ora mi manca nitrato di zinco, 2propanolo e un alimentatore CC in grado di fornire un'uscita di 96 volt.

Quali sono i principali difetti del mio esperimento?

Ho i seguenti presupposti che al momento sono difficili da verificare:

• il mio strato di ossido di zinco potrebbe essere troppo incoerente / fragile e non sta creando una superficie uniforme.

• il mio dielettrico / substrato di gate non è abbastanza piatto o realizzato con materiale errato

• i miei spazi sono troppo grandi / il gate dielettrico è troppo spesso e la sorgente e lo scarico sono troppo distanti

• i miei materiali non sono abbastanza puri e quindi non mostrano le proprietà attese

• Ho scoperto che l'argento è usato come drogante di tipo n e poiché mi aspetto che il mio strato di ossido di zinco sia di tipo n, è necessario un drogante di tipo p

• Mentre l'esperimento che sto cercando di emulare usa la colla per filo, ci sono poche spiegazioni su cosa sia il materiale oltre all'affermazione che qualsiasi colla conduttiva dovrebbe funzionare. La mia colla per fili è a base di carbonio macinato proprio come la penna conduttiva che ho usato. Non ho trovato alcuna informazione se il carbonio è di tipo n o p. forse neanche il carbonio può essere usato. https://www.andaquartergetsyoucoffee.com/wp/wp-content/uploads/2009/05/zinc-oxide-experiments-i.pdf

• Non riesco ad applicare abbastanza tensione al gate poiché la mia alimentazione raggiunge il massimo a 30 volt.

• il mio cablaggio è sbagliato

Penso che i difetti qui siano probabilmente semplici da segnalare per chiunque abbia esperienza in questo campo. Eventuali suggerimenti e idee sarebbero molto apprezzati. Mi chiedo se sono vicino a un dispositivo funzionante.

ZnO troppo spesso per un cancello posteriore

Dato il tuo spessore ZnO stimato di 1 mm, sarei sorpreso se un dispositivo con la sezione trasversale che hai disegnato funzionasse. Dovresti effettuare spedizionieri di addebito sul lato opposto di ZnO. Si noti che lo spessore di un tipico wafer di silicio utilizzato per normali dispositivi elettronici ha uno spessore di circa 0,4-0,8 mm e tutto ciò che è interessante accade nella parte superiore ~ ​​1%.

Possibile problema di cottura

Sembra anche che non stia facendo una cottura quasi intensa dopo aver depositato il foglio a cui ti riferisci. Sembra che abbiano fatto 540 ° C per 30 minuti su una piastra calda mentre tu hai fatto 100 ° F per 15 minuti in un forno. Oltre alle evidenti differenze di temperatura, una cottura in forno di solito deve essere significativamente più lunga di una cottura su una piastra calda per ottenere lo stesso effetto.

Polarizzazione negativa del gate

Dalla tua descrizione sembra che tu abbia applicato una tensione di gate negativa rispetto alla sorgente. Hai provato un bias gate positivo? Il documento sembra indicare che il MOSFET ha condotto con un bias gate positivo e condotto leggermente meno con un bias negativo (circa il 3% in meno). Con un dielettrico a gate più sottile mentre stai usando, mi aspetterei di vedere un cambiamento più forte nella corrente.

Altre cose da provare

Non vedo nient'altro di sbagliato nel resto del design però. Mi aspetto che abbia una ragionevole possibilità di funzionare se hai realizzato un dispositivo simile con il cancello in alto. Tuttavia, farlo non è banale con il tuo processo.

In alternativa, potresti provare a creare uno strato ZnO più sottile. Un metodo comune nella produzione di semiconduttori per il deposito di materiali disciolti in solventi è lo "spin casting". Depositare un po 'di materiale al centro del substrato e girare a 500-10000 RPM (a seconda dello spessore desiderato) per 30-120 secondi. Segui questo con una cottura. Non so quanto bene funzionerebbe con ZnO in IPA, ma se hai un frullatore di riserva in giro potresti probabilmente adattarne uno per questo scopo. Potresti anche dover giocare con il tuo rapporto ZnO: IPA per ottenere buoni risultati. Non posso dire quanto spesso di un film ZnO depositato in questo modo sia necessario per garantire che sia continuo. Anche se dopo aver letto di nuovo il tuo post, sembra che lo stia già facendo con un fan del case del PC. Forse prova a diluire ulteriormente il tuo ZnO per ottenere un film più sottile,

Un'altra opzione è quella di provare a creare / misurare un fotoresistenza in ZnO per dimostrare a te stesso che ZnO è continuo e può condurre corrente. Da una rapida ricerca, ZnO ha un gap di banda diretto di 3,3 eV, il che significa che avresti bisogno di luce con una lunghezza d'onda di circa 375 nm o più corta per vedere la fotoconduttanza. Questo è proprio al limite tra luce visibile e luce UV. Questo rende le cose un po 'più difficili, ma il documento indicava che era stata osservata la fotoconduttanza, quindi probabilmente saresti in grado di riprodurre quei risultati. È un dispositivo molto più semplice dei MOSFET che hai provato a realizzare. In effetti, la sezione trasversale che hai disegnato dovrebbe già funzionare. Illumina il tuo campione dall'alto con la fonte di luce UV più luminosa che puoi trovare (il sole è una fonte di luce UV abbastanza brillante). Applicare una tensione e misurare la corrente attraverso il dispositivo (o utilizzare l'impostazione della resistenza su un multimetro). A causa dell'ampio intervallo di banda di ZnO, potrebbe essere necessario del tempo prima che la conduttività ritorni al valore "scuro" dopo aver rimosso la luce, come osservato nella carta. Anche se, a questo punto, sono sicuro che saresti felice di misurare una corrente.

Per realizzare una funzione "FET", sono necessari 6 successi 1) un canale 2) regioni di source e drain 3) contatto ohmico non rettificante da (2) a (1) 4) un gate 5) bassa densità di cariche superficiali alla interfaccia gate-channel 6) abbastanza tensione sul gate per invertire la parte superiore del canale, quindi (1) e (2) funzioneranno come percorso resistivo.

Si prega di essere gentili con questi 6 requisiti; i miei genitori non erano fisici dei dispositivi.