Forskere i Tyskland har laget den første bipolare transistoren noensinne laget av en organisk halvleder. Den nye transistoren kan skilte med enestående ytelse, en vertikal arkitektur og en høy differensiell forsterkning, og kan finne applikasjoner innen høyytelses tynnfilm og fleksibel elektronikk der data må analyseres og overføres ved høye hastigheter.
Transistorer brukes gjennom moderne elektronikk som brytere for å kontrollere strømmen av ladningsbærere – elektroner eller hull – gjennom en krets. Bipolare transistorer er spesielle fordi de bruker både elektroner og hull, og denne ekstra kapasiteten betyr at de er godt egnet for høyhastighets- og høyeffektapplikasjoner. Å bygge dem fra organiske halvledere, i stedet for uorganiske, kan gi elektronikkdesignere muligheten til å gjøre slike høyhastighets- og høyeffektenheter fleksible og gjennomsiktige.
Et lag ledet av Karl Leo of TU Dresden har nå tatt et skritt mot dette målet ved å konstruere en organisk bipolar overgangstransistor fra høyt ordnede (krystallinske) tynne filmer av en organisk halvleder kalt rubrene. Dette materialet har høy lademobilitet, noe som betyr at ladebærere beveger seg ekstremt raskt og over lange avstander gjennom det.
Lag for lag
Bipolare overgangstransistorer består av tre terminaler atskilt av halvledende materialer som enten er p- eller n-type. I enhetene er disse halvlederne anordnet vekselvis, enten i en pnp- eller en npn-konfigurasjon.
Leos gruppe hadde tidligere laget både p- og n-type rubrenfilmer, men i det siste arbeidet tok de det ekstra trinnet å konstruere disse filmene på et veldig tynt krystallinsk rubrenlag rundt 20 nm tykt. Filmene fungerer så som et frø for påfølgende p- og n-lag samt lag som er i-type – det vil si at de verken er n- eller p- og har dermed verken negative eller positive ladningsbærere. "Selv om slike filmer hadde blitt laget før, er vi de første til å dope dem elektrisk og realisere komplekse enhetsstabler," forklarer Leo.
Enhetskarakterisering
Forskerne anslår at overgangsfrekvensen til deres nye enhet – i hovedsak et mål på hastigheten – er 1.6 GHz. Dette er mye høyere enn rekorden for organiske felteffekttransistorer (OFET), som er 40 MHz for en vertikalt konfigurert enhet og 160 Hz for en horisontalt konfigurert. Leo bemerker imidlertid at enhetens hastighet per spenning er et mer relevant mål på ytelsen. "Her er den nye enheten med omtrent 400MHz/V nesten hundre ganger raskere enn tidligere organiske transistorer," sier han.
Organiske transistorer når nye høyder
Dessuten forteller Leo Fysikkens verden at teamets nye transistorer kan brukes til å bestemme en viktig enhetsparameter for organiske materialer: minoritetsbærerens diffusjonslengde. Denne parameteren, som er nøkkelen for å optimalisere enhetens effektivitet, er avstanden som minoritetsbæreren (elektroner i p-type halvledere; hull i n-type halvledere) kan reise før den rekombineres med en bærer med motsatt ladning. I silisium kan denne mengden være mange mikron lang. Verdien for organiske stoffer var forventet å være mye mindre, men i denne klassen av materialer var det i utgangspunktet ukjent, sier Leo.
I de høyt ordnede lagene som ble brukt i dette arbeidet, bestemte TU Dresden-teamet at minoritetsbærer-diffusjonslengden var 50 nm, lang nok til å få transistorene til å fungere godt. Leo understreker imidlertid at det fortsatt er behov for ytterligere studier for å finne ut hvilke parametere i materialet som styrer denne mengden og hvordan den kan optimaliseres.
Ifølge forskerne kan den nye transistoren brukes i applikasjoner som signalbehandling og trådløs overføring der data må analyseres og overføres i høy hastighet. De jobber nå med å redusere lekkasjestrømmen i enheten, noe som vil tillate dem å måle driftshastigheten direkte. "Vi ønsker også å generalisere bruken av den høyt ordnede lagteknikken til andre enheter," avslører Leo.
Teamet beskriver arbeidet i Natur.
