Saksalaiset tutkijat ovat luoneet ensimmäisen bipolaarisen transistorin, joka on valmistettu orgaanisesta puolijohteesta. Uudella transistorilla on erinomainen suorituskyky, pystysuora arkkitehtuuri ja korkea differentiaalivahvistus, ja se voisi löytää sovelluksia korkean suorituskyvyn ohutkalvo- ja joustavassa elektroniikassa, jossa tietoja on analysoitava ja siirrettävä suurilla nopeuksilla.
Transistoreja käytetään nykyaikaisessa elektroniikassa kytkiminä varauksenkuljettajien – elektronien tai reikien – virtauksen ohjaamiseen piirin läpi. Bipolaariset transistorit ovat erityisiä, koska ne käyttävät sekä elektroneja että reikiä, ja tämä lisäominaisuus tarkoittaa, että ne sopivat hyvin nopeisiin ja suuritehoisiin sovelluksiin. Niiden rakentaminen orgaanisista puolijohteista epäorgaanisten puolijohteiden sijaan voisi antaa elektroniikkasuunnittelijoille mahdollisuuden tehdä tällaisista nopeista ja suuritehoisista laitteista joustavia ja läpinäkyviä.
Johtama tiimi Karl Leo of TU Dresden on nyt ottanut askeleen kohti tätä tavoitetta rakentamalla orgaanisen bipolaarisen liitostransistorin erittäin järjestetyistä (kiteisistä) ohuista orgaanisen puolijohteen kalvoista nimeltä rubreeni. Tällä materiaalilla on korkea varauksen liikkuvuus, mikä tarkoittaa, että varauksenkantajat liikkuvat sen läpi erittäin nopeasti ja pitkiä matkoja.
Kerros kerrokselta
Bipolaariset liitostransistorit koostuvat kolmesta liittimestä, jotka on erotettu joko p- tai n-tyyppisillä puolijohtavilla materiaaleilla. Laitteissa nämä puolijohteet on järjestetty vuorotellen joko pnp- tai npn-konfiguraatioon.
Leon ryhmä oli aiemmin valmistanut sekä p- että n-tyypin rubreenikalvoja, mutta viimeisimmässä työssä he ottivat lisävaiheen suunnitellakseen näitä kalvoja erittäin ohuelle, noin 20 nm:n paksuiselle kiteiselle rubreenikerrokselle. Kalvot toimivat sitten siemenenä seuraaville p- ja n- kerroksille sekä kerroksille, jotka ovat i-tyyppisiä – eli ne eivät ole n- tai p- eivätkä siten sisällä negatiivisia tai positiivisia varauksenkantajia. "Vaikka tällaisia elokuvia oli tehty ennenkin, olemme ensimmäiset, jotka dopingoimme ne sähköisesti ja toteutamme monimutkaisia laitepinoja", Leo selittää.
Laitteen luonnehdinta
Tutkijat arvioivat, että heidän uuden laitteensa siirtymätaajuus – lähinnä sen nopeuden mitta – on 1.6 GHz. Tämä on paljon korkeampi kuin orgaanisten kenttätransistorien (OFET) ennätys, joka on 40 MHz pystysuunnassa konfiguroidussa laitteessa ja 160 Hz vaakasuoraan konfiguroidussa laitteessa. Leo kuitenkin huomauttaa, että laitteen nopeus per jännite on tärkeämpi mittari sen suorituskyvylle. "Tässä uusi laite noin 400 MHz/V on lähes sata kertaa nopeampi kuin aiemmat orgaaniset transistorit", hän sanoo.
Orgaaniset transistorit saavuttavat uusia korkeuksia
Enemmän, Leo kertoo Fysiikan maailma että ryhmän uusilla transistoreilla voidaan määrittää tärkeä laiteparametri orgaanisille materiaaleille: vähemmistökantoaallon diffuusiopituus. Tämä parametri, joka on avain laitteen tehokkuuden optimointiin, on etäisyys, jonka vähemmistökantaja (elektronit p-tyypin puolijohteissa; reiät n-tyypin puolijohteissa) voi kulkea ennen kuin se yhdistyy uudelleen vastakkaisen varauksen kantajan kanssa. Piissä tämä määrä voi olla monta mikronia pitkä. Orgaanisten aineiden arvon odotettiin olevan paljon pienempi, mutta tässä materiaaliluokassa se oli periaatteessa tuntematon, Leo sanoo.
Tässä työssä käytetyissä erittäin järjestetyissä kerroksissa TU Dresden -tiimi päätti, että vähemmistön kantoaallon diffuusiopituus oli 50 nm, mikä on tarpeeksi pitkä, jotta transistorit toimivat hyvin. Leo kuitenkin korostaa, että lisätutkimuksia tarvitaan vielä sen selvittämiseksi, mitkä materiaalin parametrit ohjaavat tätä määrää ja miten se voidaan optimoida.
Tutkijoiden mukaan uutta transistoria voitaisiin käyttää sovelluksissa, kuten signaalinkäsittelyssä ja langattomassa siirrossa, joissa dataa on analysoitava ja siirrettävä suurella nopeudella. He työskentelevät nyt vähentääkseen laitteen vuotovirtaa, mikä antaisi mahdollisuuden mitata sen toimintanopeutta suoraan. "Haluamme myös yleistää korkeasti järjestetyn kerrostekniikan soveltamisen muihin laitteisiin", Leo paljastaa.
Ryhmä kuvailee työtä luonto.
