Naukowcy z Niemiec stworzyli pierwszy w historii tranzystor bipolarny wykonany z półprzewodnika organicznego. Nowy tranzystor może pochwalić się wyjątkową wydajnością, pionową architekturą i wysokim wzmocnieniem różnicowym i może znaleźć zastosowanie w wysokowydajnej cienkowarstwowej i elastycznej elektronice, gdzie dane muszą być analizowane i przesyłane z dużą szybkością.
Tranzystory są używane w nowoczesnej elektronice jako przełączniki do sterowania przepływem nośników ładunku – elektronów lub dziur – przez obwód. Tranzystory bipolarne są wyjątkowe, ponieważ wykorzystują zarówno elektrony, jak i dziury, a ta dodatkowa zdolność oznacza, że są dobrze przystosowane do zastosowań o dużej prędkości i dużej mocy. Budowanie ich z półprzewodników organicznych, a nie nieorganicznych, może dać projektantom elektroniki możliwość stworzenia elastycznych i przejrzystych urządzeń o wysokiej prędkości i dużej mocy.
Zespół kierowany przez Karol Leon of TU Drezno teraz zrobił krok w kierunku tego celu, konstruując organiczny bipolarny tranzystor złączowy z wysoce uporządkowanych (krystalicznych) cienkich warstw organicznego półprzewodnika zwanego rubrenem. Materiał ten charakteryzuje się dużą mobilnością ładunku, co oznacza, że nośniki ładunku poruszają się po nim niezwykle szybko i na duże odległości.
Warstwa po warstwie
Tranzystory bipolarne składają się z trzech zacisków oddzielonych materiałami półprzewodnikowymi typu p lub n. W urządzeniach te półprzewodniki są ułożone naprzemiennie, w konfiguracji pnp lub npn.
Grupa Leo wykonała wcześniej zarówno folie rubrenowe typu p, jak i n, ale w ostatnich pracach podjęli dodatkowy etap inżynierii tych folii na bardzo cienkiej warstwie krystalicznego rubrenu o grubości około 20 nm. Filmy stają się wówczas zarodkiem dla kolejnych warstw p i n oraz warstw typu i – to znaczy nie są ani n, ani p-, a zatem nie przenoszą ani ujemnych, ani dodatnich nośników ładunku. „Chociaż takie filmy były już wcześniej robione, jako pierwsi je domieszkujemy elektrycznie i realizujemy złożone stosy urządzeń” – wyjaśnia Leo.
Charakterystyka urządzenia
Naukowcy szacują, że częstotliwość przejścia ich nowego urządzenia – w zasadzie miara jego prędkości – wynosi 1.6 GHz. To znacznie więcej niż rekord dla organicznych tranzystorów polowych (OFET), który wynosi 40 MHz dla urządzenia o konfiguracji pionowej i 160 Hz dla urządzenia o konfiguracji poziomej. Jednak Leo zauważa, że prędkość urządzenia na napięcie jest bardziej odpowiednią miarą jego wydajności. „Tutaj nowe urządzenie o częstotliwości około 400 MHz/V jest prawie sto razy szybsze niż poprzednie tranzystory organiczne”, mówi.
Tranzystory organiczne osiągają nowe wyżyny
Co więcej, mówi Leo Świat Fizyki że nowe tranzystory zespołu można wykorzystać do określenia ważnego parametru urządzenia dla materiałów organicznych: długości dyfuzji nośnika mniejszościowego. Ten parametr, który jest kluczowy dla optymalizacji wydajności urządzenia, to odległość, jaką nośnik mniejszościowy (elektrony w półprzewodnikach typu p; dziury w półprzewodnikach typu n) może pokonać, zanim połączy się z nośnikiem o przeciwnym ładunku. W krzemie ta ilość może mieć długość wielu mikronów. Oczekiwano, że wartość substancji organicznych będzie znacznie mniejsza, ale w tej klasie materiałów była w zasadzie nieznana, mówi Leo.
W wysoko uporządkowanych warstwach zastosowanych w tej pracy zespół TU Dresden ustalił, że długość dyfuzji nośnika mniejszościowego wynosi 50 nm, co jest wystarczającą długością, aby tranzystory działały dobrze. Jednak Leo podkreśla, że nadal potrzebne są dalsze badania, aby określić, które parametry materiału kontrolują tę ilość i jak można ją zoptymalizować.
Zdaniem naukowców nowy tranzystor mógłby znaleźć zastosowanie w takich zastosowaniach, jak przetwarzanie sygnałów i transmisja bezprzewodowa, w których dane muszą być analizowane i przesyłane z dużą prędkością. Obecnie pracują nad zmniejszeniem prądu upływu w urządzeniu, co pozwoliłoby im bezpośrednio zmierzyć jego prędkość roboczą. „Chcemy również uogólnić stosowanie techniki warstw o wysokim poziomie uporządkowania na inne urządzenia” – ujawnia Leo.
Zespół opisuje pracę w Natura.
