Alcuni ricercatori tedeschi hanno creato il primo transistor bipolare realizzato con un semiconduttore organico. Il nuovo transistor vanta prestazioni eccezionali, un'architettura verticale e un'elevata amplificazione differenziale e potrebbe trovare applicazioni nell'elettronica flessibile e a film sottile ad alte prestazioni dove i dati devono essere analizzati e trasmessi ad alte velocità.
I transistor vengono utilizzati in tutta l'elettronica moderna come interruttori per controllare il flusso di portatori di carica – elettroni o lacune – attraverso un circuito. I transistor bipolari sono speciali perché utilizzano sia elettroni che lacune e questa capacità aggiuntiva li rende particolarmente adatti per applicazioni ad alta velocità e ad alta potenza. Costruirli partendo da semiconduttori organici, anziché inorganici, potrebbe offrire ai progettisti elettronici la possibilità di rendere tali dispositivi ad alta velocità e ad alta potenza flessibili e trasparenti.
Una squadra guidata da Carlo Leone of TU Dresda ha ora fatto un passo avanti verso questo obiettivo costruendo un transistor organico a giunzione bipolare da film sottili altamente ordinati (cristallini) di un semiconduttore organico chiamato rubrene. Questo materiale ha un'elevata mobilità di carica, il che significa che i portatori di carica si muovono al suo interno in modo estremamente veloce e su lunghe distanze.
Strato dopo strato
I transistor a giunzione bipolare sono costituiti da tre terminali separati da materiali semiconduttori di tipo p o n. Nei dispositivi questi semiconduttori sono disposti alternativamente in configurazione pnp o npn.
Il gruppo di Leo aveva precedentemente realizzato film di rubrene sia di tipo p che di tipo n, ma nell’ultimo lavoro hanno compiuto il passo aggiuntivo ingegnerizzando questi film su uno strato di rubrene cristallino molto sottile di circa 20 nm di spessore. Le pellicole fungono quindi da seme per i successivi strati p e n, nonché per gli strati di tipo i, ovvero non sono né n né p e quindi non portano né portatori di carica negativi né positivi. "Anche se film del genere erano già stati realizzati in precedenza, noi siamo i primi a drogarli elettricamente e a realizzare complessi stack di dispositivi", spiega Leo.
Caratterizzazione del dispositivo
I ricercatori stimano che la frequenza di transizione del loro nuovo dispositivo – essenzialmente, una misura della sua velocità – sia di 1.6 GHz. Questo è molto più alto del record dei transistor organici a effetto di campo (OFET), che è di 40 MHz per un dispositivo configurato verticalmente e 160 Hz per uno configurato orizzontalmente. Tuttavia, Leo nota che la velocità del dispositivo per voltaggio è una misura più rilevante delle sue prestazioni. "In questo caso, il nuovo dispositivo con circa 400 MHz/V è quasi cento volte più veloce dei precedenti transistor organici", afferma.
I transistor organici raggiungono nuove vette
Di più, racconta Leo Mondo della fisica che i nuovi transistor del team possono essere utilizzati per determinare un importante parametro del dispositivo per i materiali organici: la lunghezza di diffusione del portatore minoritario. Questo parametro, fondamentale per ottimizzare l'efficienza del dispositivo, è la distanza che il portatore minoritario (elettroni nei semiconduttori di tipo p; lacune nei semiconduttori di tipo n) può percorrere prima di ricombinarsi con un portatore di carica opposta. Nel silicio, questa quantità può essere lunga molti micron. Ci si aspettava che il valore per i materiali organici fosse molto più piccolo, ma in questa classe di materiali era praticamente sconosciuto, dice Leo.
Negli strati altamente ordinati utilizzati in questo lavoro, il team della TU Dresden ha determinato che la lunghezza di diffusione dei portatori minoritari era di 50 nm, abbastanza lunga da far funzionare bene i transistor. Tuttavia, Leo sottolinea che sono ancora necessari ulteriori studi per determinare quali parametri del materiale controllano questa quantità e come può essere ottimizzata.
Secondo i ricercatori, il nuovo transistor potrebbe essere utilizzato in applicazioni come l'elaborazione del segnale e la trasmissione wireless in cui i dati devono essere analizzati e trasmessi ad alta velocità. Ora stanno lavorando per ridurre la corrente di dispersione nel dispositivo, cosa che consentirebbe loro di misurare direttamente la sua velocità operativa. "Vogliamo anche generalizzare l'applicazione della tecnica dei livelli altamente ordinati ad altri dispositivi", rivela Leo.
Il team descrive il lavoro in Natura.
