Ερευνητές στη Γερμανία δημιούργησαν το πρώτο διπολικό τρανζίστορ κατασκευασμένο από οργανικό ημιαγωγό. Το νέο τρανζίστορ διαθέτει εξαιρετική απόδοση, κατακόρυφη αρχιτεκτονική και υψηλή διαφορική ενίσχυση και μπορεί να βρει εφαρμογές σε υψηλής απόδοσης λεπτό φιλμ και ευέλικτα ηλεκτρονικά όπου τα δεδομένα πρέπει να αναλύονται και να μεταδίδονται σε υψηλές ταχύτητες.
Τα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται σε όλα τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ως διακόπτες για τον έλεγχο της ροής των φορέων φορτίου – ηλεκτρονίων ή οπών – μέσω ενός κυκλώματος. Τα διπολικά τρανζίστορ είναι ιδιαίτερα επειδή χρησιμοποιούν τόσο ηλεκτρόνια όσο και οπές και αυτή η επιπλέον ικανότητα σημαίνει ότι είναι κατάλληλα για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας και υψηλής ισχύος. Η κατασκευή τους από οργανικούς ημιαγωγούς και όχι από ανόργανους, θα μπορούσε να δώσει στους σχεδιαστές ηλεκτρονικών το περιθώριο να κάνουν τέτοιες συσκευές υψηλής ταχύτητας και υψηλής ισχύος ευέλικτες και διαφανείς.
Μια ομάδα με επικεφαλής Καρλ Λέο of TU Δρέσδη έχει κάνει τώρα ένα βήμα προς αυτόν τον στόχο κατασκευάζοντας ένα οργανικό τρανζίστορ διπολικής διασταύρωσης από εξαιρετικά διατεταγμένες (κρυσταλλικές) λεπτές μεμβράνες ενός οργανικού ημιαγωγού που ονομάζεται rubrene. Αυτό το υλικό έχει υψηλή κινητικότητα φόρτισης, που σημαίνει ότι οι φορείς φόρτισης κινούνται μέσα από αυτό εξαιρετικά γρήγορα και σε μεγάλες αποστάσεις.
Στρώμα-στρώμα
Τα τρανζίστορ διπολικής διασταύρωσης αποτελούνται από τρεις ακροδέκτες που χωρίζονται από ημιαγώγιμα υλικά που είναι είτε τύπου p είτε n. Στις συσκευές, αυτοί οι ημιαγωγοί είναι διατεταγμένοι εναλλάξ, είτε σε διαμόρφωση pnp είτε σε διαμόρφωση npn.
Η ομάδα του Leo είχε προηγουμένως φτιάξει φιλμ ρουμπρένιου τύπου p και n, αλλά στην πιο πρόσφατη δουλειά, έκαναν το πρόσθετο βήμα της κατασκευής αυτών των μεμβρανών σε ένα πολύ λεπτό κρυσταλλικό στρώμα ρουμπρένιου πάχους περίπου 20 nm. Οι μεμβράνες στη συνέχεια ενεργούν ως σπόρος για τα επόμενα στρώματα p και n, καθώς και στρώματα που είναι τύπου i - δηλαδή, δεν είναι ούτε n- ή p- και επομένως δεν φέρουν ούτε αρνητικούς ούτε θετικούς φορείς φορτίου. «Ενώ τέτοιες ταινίες είχαν γυριστεί στο παρελθόν, είμαστε οι πρώτοι που τις ντοπάραμε ηλεκτρικά και συνειδητοποιήσαμε περίπλοκες στοίβες συσκευών», εξηγεί ο Leo.
Χαρακτηρισμός συσκευής
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η συχνότητα μετάβασης της νέας τους συσκευής - ουσιαστικά, ένα μέτρο της ταχύτητάς της - είναι 1.6 GHz. Αυτό είναι πολύ υψηλότερο από το ρεκόρ για τα οργανικά τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (OFET), που είναι 40 MHz για μια συσκευή με κάθετη διαμόρφωση και 160 Hz για μια οριζόντια διαμορφωμένη συσκευή. Ωστόσο, ο Leo σημειώνει ότι η ταχύτητα της συσκευής ανά τάση είναι ένα πιο σχετικό μέτρο της απόδοσής της. «Εδώ, η νέα συσκευή με περίπου 400 MHz/V είναι σχεδόν εκατό φορές ταχύτερη από τα προηγούμενα οργανικά τρανζίστορ», λέει.
Τα οργανικά τρανζίστορ φτάνουν σε νέα ύψη
Επιπλέον, λέει ο Λέων Κόσμος Φυσικής ότι τα νέα τρανζίστορ της ομάδας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό μιας σημαντικής παραμέτρου συσκευής για οργανικά υλικά: το μήκος διάχυσης του μειοψηφικού φορέα. Αυτή η παράμετρος, η οποία είναι βασική για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης της συσκευής, είναι η απόσταση που μπορεί να διανύσει ο μειοψηφικός φορέας (ηλεκτρόνια σε ημιαγωγούς τύπου p, τρύπες σε ημιαγωγούς τύπου n) προτού ανασυνδυαστεί με έναν φορέα αντίθετου φορτίου. Στο πυρίτιο, αυτή η ποσότητα μπορεί να είναι πολλά μικρά σε μήκος. Η αξία για τα οργανικά αναμενόταν να είναι πολύ μικρότερη, αλλά σε αυτήν την κατηγορία υλικών ήταν βασικά άγνωστη, λέει ο Leo.
Στα εξαιρετικά διατεταγμένα στρώματα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία, η ομάδα του TU Dresden προσδιόρισε ότι το μήκος διάχυσης του μειοψηφικού φορέα ήταν 50 nm, αρκετά μεγάλο ώστε τα τρανζίστορ να λειτουργούν καλά. Ωστόσο, ο Leo τονίζει ότι χρειάζονται περαιτέρω μελέτες για να καθοριστεί ποιες παράμετροι του υλικού ελέγχουν αυτή την ποσότητα και πώς μπορεί να βελτιστοποιηθεί.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το νέο τρανζίστορ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως η επεξεργασία σήματος και η ασύρματη μετάδοση στις οποίες τα δεδομένα πρέπει να αναλύονται και να μεταδίδονται με υψηλή ταχύτητα. Τώρα εργάζονται για να μειώσουν το ρεύμα διαρροής στη συσκευή, το οποίο θα τους επέτρεπε να μετρήσουν άμεσα την ταχύτητα λειτουργίας της. «Θέλουμε επίσης να γενικεύσουμε την εφαρμογή της τεχνικής υψηλού επιπέδου σε άλλες συσκευές», αποκαλύπτει ο Leo.
Η ομάδα περιγράφει την εργασία σε Φύση.
