Forskere i Tyskland har skabt den første bipolære transistor nogensinde lavet af en organisk halvleder. Den nye transistor kan prale af enestående ydeevne, en vertikal arkitektur og en høj differentiel forstærkning og kan finde anvendelser i højtydende tyndfilm og fleksibel elektronik, hvor data skal analyseres og transmitteres ved høje hastigheder.
Transistorer bruges i hele moderne elektronik som kontakter til at styre strømmen af ladningsbærere – elektroner eller huller – gennem et kredsløb. Bipolære transistorer er specielle, fordi de gør brug af både elektroner og huller, og denne ekstra kapacitet betyder, at de er velegnede til højhastigheds- og højeffektapplikationer. At bygge dem fra organiske halvledere snarere end uorganiske, kunne give elektronikdesignere mulighed for at gøre sådanne højhastigheds- og højeffektenheder fleksible og gennemsigtige.
Et hold ledet af Karl Leo of TU Dresden har nu taget et skridt hen imod dette mål ved at konstruere en organisk bipolær overgangstransistor ud fra højt ordnede (krystallinske) tynde film af en organisk halvleder kaldet rubren. Dette materiale har en høj lademobilitet, hvilket betyder, at ladebærere bevæger sig ekstremt hurtigt igennem det og over lange afstande.
Lag for lag
Bipolære junction transistorer består af tre terminaler adskilt af halvledende materialer, der er enten p- eller n-type. I enhederne er disse halvledere arrangeret skiftevis i enten en pnp- eller en npn-konfiguration.
Leos gruppe havde tidligere lavet både p- og n-type rubrenfilm, men i det seneste arbejde tog de det ekstra trin at konstruere disse film på et meget tyndt krystallinsk rubrenlag omkring 20 nm tykt. Filmene fungerer så som et frø til efterfølgende p- og n- lag samt lag, der er i-type – det vil sige, de er hverken n- eller p- og bærer således hverken negative eller positive ladningsbærere. "Mens sådanne film var blevet lavet før, er vi de første til at dope dem elektrisk og realisere komplekse enhedsstabler," forklarer Leo.
Enhedskarakterisering
Forskerne vurderer, at overgangsfrekvensen for deres nye enhed - i det væsentlige et mål for dens hastighed - er 1.6 GHz. Dette er meget højere end rekorden for organiske felteffekttransistorer (OFET'er), som er 40 MHz for en vertikalt konfigureret enhed og 160 Hz for en horisontalt konfigureret. Leo bemærker dog, at enhedens hastighed pr. spænding er et mere relevant mål for dens ydeevne. "Her er den nye enhed med omkring 400MHz/V næsten hundrede gange hurtigere end tidligere organiske transistorer," siger han.
Organiske transistorer når nye højder
Hvad mere er, fortæller Leo Fysik verden at holdets nye transistorer kan bruges til at bestemme en vigtig enhedsparameter for organiske materialer: minoritetsbærerens diffusionslængde. Denne parameter, som er nøglen til at optimere enhedens effektivitet, er den afstand, som minoritetsbæreren (elektroner i p-type halvledere; huller i n-type halvledere) kan tilbagelægge, før den rekombinerer med en bærer med modsat ladning. I silicium kan denne mængde være mange mikrometer i længden. Værdien for organiske stoffer forventedes at være meget mindre, men i denne klasse af materialer var det dybest set ukendt, siger Leo.
I de meget ordnede lag, der blev brugt i dette arbejde, fastslog TU Dresden-teamet, at minoritetsbærerens diffusionslængde var 50 nm, lang nok til at få transistorerne til at fungere godt. Leo understreger dog, at der stadig er behov for yderligere undersøgelser for at bestemme, hvilke parametre i materialet, der styrer denne mængde, og hvordan den kan optimeres.
Ifølge forskerne vil den nye transistor kunne bruges i applikationer som signalbehandling og trådløs transmission, hvor data skal analyseres og transmitteres med høj hastighed. De arbejder nu på at reducere lækstrømmen i enheden, hvilket ville give dem mulighed for at måle dens driftshastighed direkte. "Vi ønsker også at generalisere anvendelsen af den højt-ordnede lag-teknik til andre enheder," afslører Leo.
Teamet beskriver arbejdet i Natur.
