Investigadores en Alemania han creado el primer transistor bipolar hecho de un semiconductor orgánico. El nuevo transistor cuenta con un rendimiento sobresaliente, una arquitectura vertical y una amplificación diferencial alta, y podría encontrar aplicaciones en electrónica flexible y de película delgada de alto rendimiento donde los datos deben analizarse y transmitirse a altas velocidades.
Los transistores se utilizan en toda la electrónica moderna como interruptores para controlar el flujo de portadores de carga (electrones o huecos) a través de un circuito. Los transistores bipolares son especiales porque utilizan tanto electrones como huecos, y esta capacidad adicional significa que son adecuados para aplicaciones de alta potencia y alta velocidad. Construirlos a partir de semiconductores orgánicos, en lugar de inorgánicos, podría dar a los diseñadores de electrónica el alcance para hacer que estos dispositivos de alta velocidad y alta potencia sean flexibles y transparentes.
Un equipo liderado por carlos leo of TU Dresden ha dado ahora un paso hacia este objetivo mediante la construcción de un transistor orgánico de unión bipolar a partir de películas delgadas altamente ordenadas (cristalinas) de un semiconductor orgánico llamado rubreno. Este material tiene una alta movilidad de carga, lo que significa que los portadores de carga se mueven a través de él extremadamente rápido y en largas distancias.
Capa por capa
Los transistores de unión bipolar constan de tres terminales separados por materiales semiconductores que son de tipo p o n. En los dispositivos, estos semiconductores están dispuestos alternativamente, ya sea en una configuración pnp o npn.
El grupo de Leo había hecho previamente películas de rubreno de tipo p y tipo n, pero en el último trabajo, dieron el paso adicional de diseñar estas películas en una capa de rubreno cristalino muy delgada de alrededor de 20 nm de espesor. Luego, las películas actúan como una semilla para las capas p y n posteriores, así como para las capas que son de tipo i, es decir, no son ni n ni p y, por lo tanto, no llevan portadores de carga negativa ni positiva. “Si bien este tipo de películas se habían hecho antes, somos los primeros en doparlas eléctricamente y realizar pilas de dispositivos complejos”, explica Leo.
Caracterización de dispositivos
Los investigadores estiman que la frecuencia de transición de su nuevo dispositivo, esencialmente, una medida de su velocidad, es de 1.6 GHz. Esto es mucho más alto que el récord de transistores de efecto de campo orgánico (OFET), que es de 40 MHz para un dispositivo configurado verticalmente y 160 Hz para uno configurado horizontalmente. Sin embargo, Leo señala que la velocidad por voltaje del dispositivo es una medida más relevante de su rendimiento. “Aquí, el nuevo dispositivo con alrededor de 400 MHz/V es casi cien veces más rápido que los transistores orgánicos anteriores”, dice.
Los transistores orgánicos alcanzan nuevas alturas
Es más, le dice Leo Mundo de la física que los nuevos transistores del equipo se pueden usar para determinar un parámetro importante del dispositivo para materiales orgánicos: la longitud de difusión del portador minoritario. Este parámetro, que es clave para optimizar la eficiencia del dispositivo, es la distancia que puede recorrer el portador minoritario (electrones en semiconductores de tipo p; huecos en semiconductores de tipo n) antes de recombinarse con un portador de carga opuesta. En el silicio, esta cantidad puede tener una longitud de muchas micras. Se esperaba que el valor de los orgánicos fuera mucho menor, pero en esta clase de materiales era básicamente desconocido, dice Leo.
En las capas altamente ordenadas empleadas en este trabajo, el equipo de TU Dresden determinó que la longitud de difusión de la portadora minoritaria era de 50 nm, suficiente para que los transistores funcionaran bien. Sin embargo, Leo destaca que aún se necesitan más estudios para determinar qué parámetros del material controlan esta cantidad y cómo se puede optimizar.
Según los investigadores, el nuevo transistor podría usarse en aplicaciones como el procesamiento de señales y la transmisión inalámbrica en las que los datos deben analizarse y transmitirse a alta velocidad. Ahora están trabajando para reducir la corriente de fuga en el dispositivo, lo que les permitiría medir su velocidad de operación directamente. “También deseamos generalizar la aplicación de la técnica de capas altamente ordenadas a otros dispositivos”, revela Leo.
El equipo describe el trabajo en Naturaleza.
