手工制作石墨烯场效应管

01、振荡电路

一、前言

不知道是真的还是假的，今天看到一部短片，其中短片作者利用石墨烯粉末徒手制作了一个场效应管，并将其应用在搭建的多谐振荡电路中。这一点的确感到令人惊奇。下面让我们看看他是如何利用石墨烯粉末来制作场效应管的吧。

▲ 图1.1.1 使用石墨烯自制的场效应管搭建的多谐振荡电路

二、多谐振荡器

1、电路原理图

首先看一下视频中的多谐振荡电路，这是一个由两个NPN三极管组成的多谐振荡电路。这个电路利用了两级三极管放大电路串联形成正反馈，最后产生振荡。它的通常绘制方法，是采用对称的形式。大家注意到这个电路中，作为三极管的负载的LED并没有串联限流电阻。所以它应该只能工作在低压电源下。

▲ 图1.2.1 多谐振荡电路

下面利用手边的元器件测试一下这个电路。这是三极管BC547的参数。在面包板上搭建电路，加上5V工作电压，电路开始震荡。其中三极管基级电阻 R1、R2阻值为68k欧姆。

▲ 图1.2.2 在面包板上搭建的测试电路

为了便于后面测试该电路工作电压范围，将电路中电容容量减小，改成0.1微法，这是电路工作后对应的三极管的集电极与基极的电压波形。电路的工作频率为494Hz。

▲ 图1.2.3 在耦合电容为0.1微法时电路工作波形黄色：集电极信号，青色：基极信号

2、工作电压范围

下面通过Python编程自动测试多谐振荡电路工作电压对工作电流与振荡频率的影响。将测量结果绘制成曲线。下面是测量结果，蓝色曲线为电路振荡频率，橙色曲线为电路工作电流。当电源电压高于2.6V的时候，电路开始振荡。随着工作电压升高，电路的工作电流基本上是线性增加。电路振荡频率也随着电压升高而上升。

▲ 图1.2.4 多谐振荡器工作电压与工作频率与振荡频率之间的关系

原则上这个电路的振荡频率与电压无关，仅仅取决于电路中RC对应的时间常数。但是随着工作电流的增加，发光二极管等效的电阻会下降，从而也在一定长度上影响了电路的振荡频率。

为了对比，将电路中的LED更换成两个300欧姆的电阻，重新测量电路工作电压与电路振荡频率之间的关系。看看工作电压对频率是否有影响。通过测量结果，可以看到当电路开始振荡之后，振荡频率不太受到工作电压的影响。这说明了前面对于负载为LED情况下出现的振荡频率受到工作电压影响的原因分析是正确的。

▲ 图1.2.5 将多谐振荡电路中的LED更换成300欧姆电阻后工作电压与振荡频率

三、MOSFET振荡电路

下面对于振荡电路中的三极管，都替换成N沟道MOSFET，重新测试一下电路是否能够振荡，以及振荡电路的工作特性。这是手边的两只MOSFET，型号为17N50K，根据期间的数据手册，它的栅极阈值电压最大不超过4V。下面在面包板上将原来三极管替换成这个MOS管，相关的引线进行了调整。

▲ 图1.3.1 将振荡电路中的三极管改成MOS管

下面是测量结果。蓝色是测量电路的振荡频率，橙色是电路工作电流。可以看到电压只有在一个很小的范围内，电路才振荡。这个电压位于3V左右，恰好是MOS管栅极阈值电压。电路震荡时工作电压范围在2.9V至3.2V之间。当电压小于2.9V， MOS管截止，大于3.2V MOS管导通。电路停止振荡。下面给出了电路振荡时MOS管漏极电压信号。

▲ 图1.3.2 振荡电路工作电压与振荡频率和工作电流

可以看到在以MOS晶体管组成的多谐振荡电路，它的振荡频率随着工作电压升高而降低，这一点与前面基于NPN三极管振荡电路有很大区别。通过实验证明，使用MOS管组成的振荡电路工作电压范围非常窄，只是在MOS管的栅极阈值电压附近，电路才能够振荡。

▲ 图1.3.3 多谐振荡电路工作电压与振荡频率

下面将增强型场效应管改成耗尽型场效应管，手边有BF245耗尽型场效应管。将它们替换原来的三极管，经过测试发现电路始终无法振荡。有可能的原因是该三极管跨导参数太小，在负载为LED的情况下电压增益无法超过1，进而电路无法起振。

四、石墨烯场效应管

下面来看看视频中是如何使用石墨烯制作场效应管的吧。首先需要这种石墨烯粉末。然后还需要这种环氧树脂AB胶水。

▲ 图1.4.1 制作原材料

首先将AB胶水挤出一些放在搅拌塑料盘上，然后将石墨烯粉末倒在胶水上面。下面将胶水与石墨烯粉末进行充分均匀混合。接着增加环氧树脂配方的第二种成分，并一起搅拌均匀。

场效应管的三个电极使用单面覆铜板制作。其中较大的是栅极，另外两个窄条用作漏极和源极。这里给他们分别焊接上对外的引线。为了防止栅极与漏极和源极短路，在栅极表面粘贴一个双面胶进行隔离。然后将前面配置好的石墨烯胶水涂抹在栅极胶带纸上。然后将漏极和源极电极粘贴在栅极上石墨烯胶水上。将源极和漏极电极板尽可能紧紧压制在栅极板上。至此，基于石墨烯的场效应管基本上就大功告成了。使用剩余的石墨烯胶水涂抹在整个电极外边，用作器件的封装。

▲ 图1.4.2 使用石墨烯胶水将三个电极固定在一起

由于AB环氧树脂胶完全固化需要等待一段时间。下面让整个制作完成的场效应管静静的进行固化。使用相同的方式制作两个这样的场效应管。再利用可以固化的橡皮泥将整个器件封装起来。将制作好的石墨烯场效应管焊接外部引线。将它们引入前面多谐振荡器进行测试。加电测试，看是否能够振荡。加电后可以看到电路能够完美的进行振荡了。