Para peneliti di Jerman telah menciptakan transistor bipolar pertama yang terbuat dari semikonduktor organik. Transistor baru ini menawarkan kinerja yang luar biasa, arsitektur vertikal dan amplifikasi diferensial yang tinggi, dan dapat menemukan aplikasi dalam film tipis berkinerja tinggi dan elektronik fleksibel di mana data harus dianalisis dan ditransmisikan pada kecepatan tinggi.
Transistor digunakan di seluruh elektronik modern sebagai sakelar untuk mengontrol aliran pembawa muatan – elektron atau lubang – melalui rangkaian. Transistor bipolar istimewa karena menggunakan elektron dan hole, dan kemampuan ekstra ini berarti mereka sangat cocok untuk aplikasi berkecepatan tinggi dan berdaya tinggi. Membangunnya dari semikonduktor organik, bukan yang anorganik, dapat memberi desainer elektronik ruang lingkup untuk membuat perangkat berkecepatan tinggi dan berdaya tinggi seperti itu fleksibel dan transparan.
Sebuah tim yang dipimpin oleh Karl Leo of TU Dresden sekarang telah mengambil langkah menuju tujuan ini dengan membangun transistor persimpangan bipolar organik dari lapisan tipis (kristalin) dari semikonduktor organik yang disebut rubrene. Bahan ini memiliki mobilitas muatan yang tinggi, artinya pembawa muatan bergerak melaluinya dengan sangat cepat dan dalam jarak yang jauh.
Lapis demi lapis
Transistor persimpangan bipolar terdiri dari tiga terminal yang dipisahkan oleh bahan semikonduktor yang merupakan tipe-p atau n. Di perangkat, semikonduktor ini diatur secara bergantian, baik dalam konfigurasi pnp atau npn.
Kelompok Leo sebelumnya telah membuat film rubrene tipe-p dan n, tetapi dalam karya terbaru, mereka mengambil langkah tambahan untuk merekayasa film-film ini pada lapisan rubrene kristal yang sangat tipis dengan ketebalan sekitar 20 nm. Film-film tersebut kemudian bertindak sebagai benih untuk lapisan p- dan n- berikutnya serta lapisan yang bertipe-i – yaitu, mereka bukan n- atau p- dan dengan demikian tidak membawa pembawa muatan negatif maupun positif. “Sementara film seperti itu telah dibuat sebelumnya, kami adalah yang pertama untuk membuat mereka menggunakan listrik dan mewujudkan tumpukan perangkat yang kompleks,” jelas Leo.
Karakterisasi perangkat
Para peneliti memperkirakan bahwa frekuensi transisi perangkat baru mereka - pada dasarnya, ukuran kecepatannya - adalah 1.6 GHz. Ini jauh lebih tinggi daripada rekor untuk transistor efek medan organik (OFETs), yaitu 40 MHz untuk perangkat yang dikonfigurasi secara vertikal dan 160 Hz untuk perangkat yang dikonfigurasi secara horizontal. Namun, Leo mencatat bahwa kecepatan perangkat per voltase adalah ukuran kinerja yang lebih relevan. “Di sini, perangkat baru dengan sekitar 400MHz/V hampir seratus kali lebih cepat dari transistor organik sebelumnya,” katanya.
Transistor organik mencapai ketinggian baru
Terlebih lagi, kata Leo Dunia Fisika bahwa transistor baru tim dapat digunakan untuk menentukan parameter perangkat penting untuk bahan organik: panjang difusi pembawa minoritas. Parameter ini, yang merupakan kunci untuk mengoptimalkan efisiensi perangkat, adalah jarak yang dapat ditempuh pembawa minoritas (elektron dalam semikonduktor tipe-p; lubang pada semikonduktor tipe-n) sebelum bergabung kembali dengan pembawa muatan yang berlawanan. Dalam silikon, kuantitas ini bisa panjangnya banyak mikron. Nilai untuk bahan organik diperkirakan jauh lebih kecil, tetapi dalam kelas bahan ini pada dasarnya tidak diketahui, kata Leo.
Dalam lapisan yang sangat teratur yang digunakan dalam pekerjaan ini, tim TU Dresden menentukan bahwa panjang difusi pembawa minoritas adalah 50 nm, cukup panjang untuk membuat transistor bekerja dengan baik. Namun, Leo menekankan bahwa studi lebih lanjut masih diperlukan untuk menentukan parameter material mana yang mengontrol kuantitas ini dan bagaimana hal itu dapat dioptimalkan.
Menurut para peneliti, transistor baru dapat digunakan dalam aplikasi seperti pemrosesan sinyal dan transmisi nirkabel di mana data harus dianalisis dan ditransmisikan dengan kecepatan tinggi. Mereka sekarang bekerja untuk mengurangi arus bocor di perangkat, yang memungkinkan mereka mengukur kecepatan operasinya secara langsung. “Kami juga ingin menggeneralisasi penerapan teknik lapisan yang sangat teratur ke perangkat lain,” ungkap Leo.
Tim menggambarkan pekerjaan di Alam.
