Onderzoekers in Duitsland hebben de allereerste bipolaire transistor gemaakt van een organische halfgeleider. De nieuwe transistor biedt uitstekende prestaties, een verticale architectuur en een hoge differentiële versterking, en zou toepassingen kunnen vinden in hoogwaardige dunne-film en flexibele elektronica waar gegevens met hoge snelheden moeten worden geanalyseerd en verzonden.
Transistors worden in moderne elektronica gebruikt als schakelaars om de stroom van ladingsdragers - elektronen of gaten - door een circuit te regelen. Bipolaire transistors zijn speciaal omdat ze gebruik maken van zowel elektronen als gaten, en deze extra capaciteit betekent dat ze zeer geschikt zijn voor toepassingen met hoge snelheid en hoog vermogen. Door ze te bouwen van organische halfgeleiders in plaats van anorganische, zouden elektronica-ontwerpers de ruimte kunnen krijgen om zulke snelle en krachtige apparaten flexibel en transparant te maken.
Een team onder leiding van Karel Leo of TU Dresden heeft nu een stap in de richting van dit doel gezet door een organische bipolaire junctietransistor te construeren uit zeer geordende (kristallijne) dunne films van een organische halfgeleider genaamd rubreen. Dit materiaal heeft een hoge ladingsmobiliteit, wat betekent dat ladingsdragers er extreem snel en over lange afstanden doorheen bewegen.
Laag voor laag
Bipolaire junctietransistoren bestaan uit drie terminals gescheiden door halfgeleidende materialen van het p- of n-type. In de apparaten zijn deze halfgeleiders afwisselend opgesteld, in een pnp- of een npn-configuratie.
Leo's groep had eerder zowel p- als n-type rubreenfilms gemaakt, maar in het laatste werk namen ze de extra stap om deze films op een zeer dunne kristallijne rubreenlaag van ongeveer 20 nm dik te construeren. De films fungeren dan als een kiem voor volgende p- en n-lagen, evenals voor lagen van het i-type - dat wil zeggen, ze zijn noch n- noch p- en dragen dus geen negatieve of positieve ladingsdragers. "Hoewel dergelijke films al eerder zijn gemaakt, zijn wij de eersten die ze elektrisch dopen en complexe apparaatstapels realiseren", legt Leo uit.
Apparaatkarakterisering
De onderzoekers schatten dat de overgangsfrequentie van hun nieuwe apparaat - in wezen een maatstaf voor de snelheid - 1.6 GHz is. Dit is veel hoger dan het record voor organische veldeffecttransistoren (OFET's), dat 40 MHz is voor een verticaal geconfigureerd apparaat en 160 Hz voor een horizontaal geconfigureerd apparaat. Leo merkt echter op dat de snelheid per spanning van het apparaat een relevantere maatstaf is voor zijn prestaties. "Hier is het nieuwe apparaat met ongeveer 400 MHz/V bijna honderd keer sneller dan eerdere organische transistors", zegt hij.
Organische transistors bereiken nieuwe hoogten
Wat meer is, vertelt Leo Natuurkunde wereld dat de nieuwe transistors van het team kunnen worden gebruikt om een belangrijke apparaatparameter voor organische materialen te bepalen: de diffusielengte van de minderheidsdrager. Deze parameter, die essentieel is voor het optimaliseren van de efficiëntie van het apparaat, is de afstand die de minderheidsdrager (elektronen in p-type halfgeleiders; gaten in n-type halfgeleiders) kan afleggen voordat deze recombineert met een drager met tegengestelde lading. In silicium kan deze hoeveelheid vele microns lang zijn. De waarde voor organische stoffen was naar verwachting veel kleiner, maar in deze klasse van materialen was het eigenlijk onbekend, zegt Leo.
In de zeer geordende lagen die in dit werk werden gebruikt, stelde het TU Dresden-team vast dat de diffusielengte van de minderheidsdrager 50 nm was, lang genoeg om de transistors goed te laten werken. Leo benadrukt echter dat er nog verder onderzoek nodig is om te bepalen welke parameters van het materiaal deze hoeveelheid beheersen en hoe deze kan worden geoptimaliseerd.
Volgens de onderzoekers zou de nieuwe transistor gebruikt kunnen worden in toepassingen als signaalverwerking en draadloze transmissie waarbij data met hoge snelheid geanalyseerd en verzonden moet worden. Ze werken nu aan het verminderen van de lekstroom in het apparaat, waardoor ze de werksnelheid direct kunnen meten. "We willen ook de toepassing van de hooggeordende laagtechniek op andere apparaten veralgemenen", onthult Leo.
Het team beschrijft het werk in NATUUR.
