使用硫化镉光电池自制晶体管（2009）

# 用硫化镉光电池自制的场效应晶体管 来源：http://sparkbangbuzz.com/cds-fet/cds-fet.htm ### **作者：Nyle Steiner K7NS，2009年5月7日** 更新于2009年5月10日 --- ## **将硫化镉光电池制成场效应晶体管** 上图展示了如何通过给硫化镉光敏电阻加装一个简易绝缘栅极来观察晶体管效应。照片是在正常光线下拍摄的，但实验必须在黑暗中进行。 --- 上图所示即为所使用的光电池。这是一种非常常见的型号，是我多年前从Radio Shack购买的。 --- ## **光敏电阻改装为场效应晶体管** 我一直怀疑，如果成功自制晶体管，很可能以场效应晶体管的形式实现。我曾多次阅读Roger Baker在1970年6月《科学美国人》业余科学家专栏中关于自制FET的文章，并思考了制造FET的简单架构。本文表明，只需让电流流过合适类型的半导体薄膜，就能制造出FET。如果将一块平板导体靠近半导体薄膜并与之绝缘，那么该平板导体与薄膜之间的电压变化就会导致流过薄膜的电流发生变化。 最近我想到，如果真是这样，我或许可以通过硫化镉光电池（实际上是光敏电阻）产生晶体管效应，因为它们本质上就是在两个电极之间夹有一层半导体薄膜。这个简单的实验将是尝试自制半导体薄膜之前的合理第一步。如果我在它附近放置一个绝缘栅极，这个光电池能否起到晶体管的作用？ 我的第一次尝试只是观察当我在光电池附近移动带电的梳子或PVC管时，通过光电池的电流是否有变化。但看到电流变化时的兴奋感很快就消失了，因为我意识到照射到光电池上的光线也受到了移动梳子的影响。房间里需要一些光线才能观察仪表。几年前，我也曾尝试将带电梳子靠近一些猫须探测器，看看电流是否变化。当时看到一些电流变化，我很兴奋，但后来意识到带电梳子的静电吸引力实际上在物理上拉扯着猫须。我一直想知道，仅仅将带电物体靠近半导体或其他类型的薄膜，是否会对流经薄膜的电流产生影响。目前，这个问题仍然没有答案。 现在是时候尝试在光电池表面附近设置某种导电栅极了。我通过将一片透明胶带贴在光电池表面作为绝缘体来实现这一点。为了制作一个紧密接触的导电层，我在透明胶带上滴了一滴水，水滴大小刚好覆盖光电池的大部分区域。我选择水是因为它能很好地贴合胶带表面。不需要在水中添加任何东西，因为普通水的电阻相对于这个简易栅极几乎无穷大的电阻来说非常低。一根接触水滴的导线充当栅极电极。 根据我的观察，上述设置确实产生了晶体管效应。显然，这个实验必须在黑暗中进行，不过我发现在光电池上有一点光线有时能改善性能。在正常光线下几乎没有晶体管效应，因为光电池已经饱和了。 这个晶体管具有相当大的功率增益，但电压增益很低，因为要在栅极上施加较大的电压变化才能在光电池中产生显著的电流变化。直觉告诉我，如果将栅极放得更近，栅极会更灵敏，但透明胶带的厚度和光电池正面的透明涂层阻碍了这一点。栅极输入电阻在大多数实际应用中是无穷大的。流过栅极的唯一电流是能通过透明胶带泄漏的电流。 --- 电池B为光电池和R2提供电流。通过光电池的电流由I2测量。电池B的电压在9V直流到175V直流之间变化。 电池A的电压在75V直流到175V直流之间变化，并通过一个开关连接，以便反转施加到栅极的电压极性。 每当开关改变时，栅极两端的电压极性就会反转，导致通过I2的电流发生变化。 R1和R2主要用于限制电流，并在高电流情况下保护电流表。由于栅极阻抗非常高，R1可以在0到10兆欧之间任意取值，而不会有明显差异。 该器件表现为一个增强-耗尽型绝缘栅场效应晶体管。施加在栅极上的正电压导致通过I2的电流增加，而负电压则导致通过I2的电流减少。 栅极的高阻抗是使得该器件功率增益如此之高的原因。栅极上即使发生几百伏的电压变化，通常也最多导致不到一微安的微小电流变化——在满量程为50微安的安培表I1上几乎看不到指针移动。这转化为栅极电路中非常小的功率变化。而栅极上的这种电压变化可以导致通过光电池的电流发生数微安的变化。这转化为输出电路中R2两端功率的显著变化。 --- --- 该器件的响应似乎还具有动态特性。也就是说，每当反转开关被激活时，通过R2的电流会突然变化，然后慢慢爬回先前的值。然而，通过向栅极施加锯齿波，我得以满意地确认，输出电流确实在响应输入电压。 R2两端输出端的锯齿波波形是反相的。这进一步让我确信，这个实验确实产生了真正的晶体管效应。输入和输出波形可以在下图中看到。输出波形的幅度要低得多，尽管在下图中看起来相同。示波器增益被调高以补偿较低的输出。 --- ## **输入锯齿波波形** --- ## **输出为反相锯齿波波形** 波形底部的小尖峰是少量输入信号通过寄生电容直接耦合到输出端的结果。 --- ## **自制FET晶体管用于制作功率放大器** 仪表读数和示波器信号对于评估像这样自制的晶体管这样的器件非常有用，但如果不构建一个实际的放大器电路并尝试听到放大的信号，评估就不完整。我成功地做到了这一点。 驱动这个粗糙晶体管的栅极需要很大的电压摆幅。这使得它不适合放大低电压电平的信号。一个微弱但电压摆幅大（非常高阻抗）的信号更适合驱动这个自制晶体管放大器。幸运的是，这种信号就在我们指尖，随手可得。我们在家中身体感应到的60赫兹嗡嗡声正是这样的信号，非常适合测试这个放大器。 为了比较未放大信号和放大信号，我使用了图1所示的电路。触摸图1中的"触摸"点时，将耳朵紧贴扬声器，只能勉强听到60赫兹嗡嗡声。而触摸放大器电路的"触摸"点时，只需坐在扬声器附近就能轻松听到嗡嗡声。尽管来自扬声器的信号仍然很轻，但音量的增加可以清晰地听到。我们通常不太关心放大这样的信号，但在这个场景中听到它被放大，非常令人兴奋。 --- --- 自制晶体管需要少量光线才能达到最佳工作状态。 160V直流电压通常是正电压，但放大器在160V直流为负电压时似乎也能同样工作。当使用负电压时，我必须反转10微法电容的极性。 --- 尽管该电路的电压增益非常低（目前约为1/10），但功率增益相当可观。我相信这个实验确实证明了从简单的自制场效应晶体管中产生的晶体管效应。这个用光电池进行的实验是积极的第一步。思考尝试自制薄膜以及可能获得的结果，就像Roger Baker在1970年所做的那样，令人着迷。 --- ### Sparkbangbuzz 主页 (http://www.sparkbangbuzz.com/)