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- semiconductor
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[[Roger Baker]]によるDIYトランジスタの記事
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文字起こし
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http://www.1010.co.uk/materials.html
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JSTOR
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https://www.jstor.org/stable/24925833
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### 日本語訳
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(翻訳はほぼDeepL)
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Roger Baker:
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「最近、私はマーフィーの生物学の第一法則として知られる支配原理を知った。それはこう言っている： 与えられた環境条件のもとでは、実験動物は思い通りに行動する』。同じ法則が金属薄膜の挙動を支配しているようだ。私が作った "トランジスタ "の中には、立派なサーミスタになるものもあるし、たまに光電池が蛍光スクリーンとして機能するものもある。もっと良い道具を使い、もっと経験を積めば、驚くようなことは少なくなるかもしれないが、楽しみの一部も失われてしまうかもしれない。薄膜を作るために産業界で使われている技術は、アマチュアの手の届かないものではないが、真空ポンプ、電子加熱装置、制御された高電圧源を必要とし、コストがかかり、使用するには不便である。薄膜は化学的に蒸着することもできる。私はこの方法を使っている。
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#### [[Roger Baker]]によるガラスへの金属膜蒸着装置
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私の薄膜のほとんどは、ガラス基板上に成膜する。通常、ガラスを加熱し、選択した化学薬品の溶液を表面にスプレーする。スプレーはすぐに反応して膜を形成する。
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フィルムはさまざまな雰囲気や温度でアニールすることができ、それによって組成や構造、特性が変化する。蒸着膜の特性は、再結晶、固相拡散、気相置換反応によっても変えることができる。これらの手順は、その堂々とした名前から想像されるよりも、はるかに単純なものである。膜の特性は、形成時あるいはその後の拡散によって、微量の不純物を添加することで根本的に変えることができる。
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また、基材の微細構造も膜の特性に影響を与える。例えば、硫化カルシウムは金属表面にスプレーするとアモルファス膜になるが、ガラス上では結晶膜になる。
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必要な道具は、電気ホットプレート、薄いガラスを切断するためのダイヤモンドポイント、アトマイザー、マイクロアンメーターなどである。望ましい付属品は、換気扇があれば即席で作れるヒュームフード、ホットプレートの温度を測るためのオーブン温度計、三重ビーム化学天秤、ピンセット、溶液を調製するための化学ガラス器具である。基板には、主に35mmのコダック製スライドのカバーグラスを使っている。これらのガラスは、壊れることなく加熱（600℃まで）し、スプレーすることができる。アルミナの薄い円盤は、より高温で使用できる。私は廃棄された真空管からそれらを回収している。蒸留水12部に対して硝酸1部の溶液にスライドガラスを3日間浸す。酸によってガラスからナトリウムイオンとカルシウムイオンが溶出し、比較的純粋なシリカの表面層が露出する。
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金属のレジネート塩を熱分解することによって、多種多様な酸化物半導体膜を作ることができる。レジネート塩は、水酸化ナトリウムの1ノルマル（1N）溶液に、過剰の純粋な顆粒状樹脂を攪拌して調製する。溶液は冷えると乳白色になります。この乳白色の溶液を注いで保存する。金属レジネートを作るには、乳白色のナトリウムレジネート溶液を再加熱し、金属塩の弱い溶液と合わせ、混合物を激しく攪拌する。
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比較的大量のレジン酸ナトリウムが少量の金属塩と反応する。ナトリウム過剰はpH8以上で示される。金属塩を加えてpHを下げる。目的の金属レシネートが濃厚な沈殿物として現れる。
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溶液をろ過して沈殿物を回収し、熱い蒸留水で十分に洗浄する。湿ったフィルターケーキを広げ、約50℃の温度で乾燥させる。沈殿物を沈殿させる。透明な上層を実験に使用する。
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「使い捨てのキャピラリーチューブで、用意したカバーグラスの中央に透明な液を数滴垂らし、グラスを揺すって液を広げ、端まで均一な膜を作る。コーティングしたガラスをホットプレートで加熱する。膜が煙を出して黒くなる。やがて、レジネートの性質に依存する温度で、暗い色が透明になり、金属酸化物の薄い膜が残る。その後、カバーガラスをダイヤモンド・ポイントでスクライビングし、さらなる加工や実験に便利な大きさの長方形に割ることができる。
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硫化物薄膜は、多くの酸化物薄膜から直接形成することができる。コーティングした基材の裏面に数mgの硫黄を振りかけ、数層のアルミホイルで包み、ホイルの端を折り返してパッケージを加熱する。硫黄の高温蒸気は多くの酸化物と反応し、興味深い電気特性を持つ密着膜を形成する。異なる樹脂酸塩を2滴垂らして部分的に拡散させることで、両者のさまざまな比率の特性を調べることができる。
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これまでのところ、金、ニッケル、コバルト、銅、鉄、マンガン、銀、インジウム、クロム、亜鉛、カドミウムの樹脂酸塩で実験しました。貴金属の塩は分解して酸化物の代わりに金属膜になる。これらは、あらかじめ基板に塗布されたさまざまな酸化膜の間を電気的に接続するために使用することができる。
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電界効果トランジスタの作製は、典型的な実験手順を示している。硝酸溶液で処理した基板を、まず硫化カドミウムの膜でコーティングする。蒸留水で、0.01モル（0.01M）のチオ尿素と0.01Mの塩化カドミウムを含むストック溶液を500ml調製する。
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250mlのビーカーの中に基板を入れ、ビーカーの側面に斜めに当たるようにする。基板をストック溶液で覆い、濃水酸化アンモニウムを混合物がかすかに濁り、その後透明になるまでゆっくりと加える。ビーカーに蓋をし、ダブルボイラーに入れる。容器をゆっくりと加熱し、約15分間沸騰させる。ビーカーの中身が黄橙色に変わり、硫化カドミウムが沈殿していることがわかる。
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内容物を注ぎ落とし、蒸留水で置き換える。硫化カドミウムの付着した粒子を取り除くため、吸水綿で基板を軽く叩く。蒸留水で基板をすすぐ。この手順をすべて繰り返し、膜厚を2倍にする。その後、ビーカーを塩酸で洗浄する。
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500℃の空気中で基板を30分間焼く。高温の基板の色は、黄色から赤色に徐々に変化し、冷めるとオレンジ色の濃い色合いになる。ダイヤモンド・ポイントを使って、冷却したガラスを幅1/4インチ、長さ1/2インチの長方形のチップに切断する。
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トランジスタには、電極として機能する2つの接点が必要である。電極はインジウム製が便利だ。インジウムは柔らかい金属で、フィルムに押し付けてしっかりと接触させることができる。インジウムは化学薬品販売店で入手できる。きれいな板ガラスの上にインジウムの小さなペレットを置き、それをきれいなガラス管の短い長さで薄いホイルに巻き取る。箔を光沢のある白いボール紙のようなゆとりのある面に移し、鋭利なカミソリの刃でまっすぐに押して、金属を幅約1/32インチ、長さ約1/4インチの短冊状に切る。
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#### 薄膜トランジスタの製造手順
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縫い針でストリップを2枚、紙の透明な部分に平行になるように、約1/16インチ間隔で貼り付ける。ストリップの端がチップの一端と同じになるように、コーティングされたチップの1つをストリップの上に置く。チップを金属にしっかりと均等に押し付ける。ストリップはフィルムに軽く密着する。板ガラスの上でチップのストリップ面を上にして、光沢のある雑誌の表紙をかぶせ、爪でこするようにして、しっかりと焼き付ける。各インジウム・ストリップの外側の端に、導電性銀ペーストの小さなダブを置く [右図参照]。このダブは、電極デバイスを電源に接続するための端子の役割を果たす。
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ゲートと呼ばれる第3の電極を追加する準備として、フィルムとインジウム・ストリップに絶縁層を塗布する。縫い針で、デバイスの上面を撫でるように、ビニールセメントを薄く均一に塗ります。銀端子には塗らないこと。セメントが乾いたら、絶縁体の上に銀ペーストを塗ります。ここで銀が硫化カドミウム膜やインジウム箔、ソース端子やドレイン端子と接触してはいけない。これでゲート電極が完成する。
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最後に、デバイスの活性領域を保護するために、空気中で硬化するシリコーンゴムを上面に塗ります。この材料はハードウェアの販売店で入手できる。ゲート電極の小さな領域を1つだけ露出させておく。この小さな領域はゲートとの電気的接触に使用される。ソース端子とドレイン端子をゴムでコーティングしてはならない。
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デバイスを動作させるには、添付の図[左]に示すような、トランジスタを保持し電池に接続するための試験治具を即席で用意する。ソース電極とドレイン電極には、1万オームの抵抗と0-50マイクロアンメーターを直列に接続した9ボルトのトランジスタ・バッテリーで電力を供給する。トランジスターがそれなりに良好であれば、メーターは約10マイクロアンペアの電流を示す。これをリーク電流と呼ぶ。
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ゲート電極と電池のプラス端子の間に1メガ・オームの抵抗を接続する。正に帯電したゲートは、自由キャリア電子を硫化カドミウム膜に引き寄せる。膜を流れる電流は約50マイクロアンペアに上昇するはずで、このトランジスタがいわゆるNチャンネル・デバイスであり、エンハンスメント・モードで動作していることを示している。ゲート電極にはほとんど電流が流れない。
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ここで1メガオームの抵抗を電池のマイナス端子に接続してゲートに負電荷を流すと、ソース・ドレイン回路に流れる電流は10マイクロアンペアを下回るはずである。これでトランジスタは空乏モードで動作する。ある自作トランジスタが他のものよりうまく動作する理由はわからない。私は、その性能は膜の結晶構造に関係しているのではないかと考えている。
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コンデンサは絶縁体をフィルムで挟むことで作ることができ、抵抗器はフィルムの一部をエッチングして狭い導電路を形成することで作ることができ、光電池は硫化カドミウムに微量の銀、銅、マンガンをドープすることで作ることができる。硫化亜鉛の膜は強い蛍光を発する。もちろん、家庭で作れるものより優れた機能を持つ装置も市販されているが、私のものはより優れた遊び道具である。
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ある種の危険性について言及しなければならない。金属塩と酸は有毒である。高温の基材に化学薬品を吹き付けるときは、ヒュームフードの中か屋外で作業すること。酸を扱うときは手袋とネオプレン製のエプロンを着用すること。化学薬品は危険であることを忘れず、適切に扱うこと。 |