Pesquisadores na Alemanha criaram o primeiro transistor bipolar feito de um semicondutor orgânico. O novo transistor possui excelente desempenho, arquitetura vertical e alta amplificação diferencial, podendo encontrar aplicações em filmes finos e eletrônicos flexíveis de alto desempenho, onde os dados devem ser analisados e transmitidos em alta velocidade.
Os transistores são usados em toda a eletrônica moderna como interruptores para controlar o fluxo de portadores de carga – elétrons ou buracos – através de um circuito. Os transistores bipolares são especiais porque fazem uso de elétrons e buracos, e essa capacidade extra significa que eles são adequados para aplicações de alta velocidade e alta potência. Construí-los a partir de semicondutores orgânicos, em vez de inorgânicos, poderia dar aos projetistas eletrônicos o escopo para tornar esses dispositivos de alta velocidade e alta potência flexíveis e transparentes.
Uma equipe liderada por Carlos Leão of TU Dresden agora deu um passo em direção a esse objetivo ao construir um transistor orgânico de junção bipolar a partir de filmes finos altamente ordenados (cristalino) de um semicondutor orgânico chamado rubreno. Este material tem uma alta mobilidade de carga, o que significa que os portadores de carga se movem extremamente rápido e por longas distâncias.
Camada por camada
Os transistores de junção bipolar consistem em três terminais separados por materiais semicondutores que são do tipo p ou n. Nos dispositivos, esses semicondutores são dispostos alternadamente, em uma configuração pnp ou npn.
O grupo de Leo já havia feito filmes de rubreno do tipo p e n, mas no trabalho mais recente, eles deram o passo adicional de projetar esses filmes em uma camada de rubreno cristalina muito fina com cerca de 20 nm de espessura. Os filmes então atuam como uma semente para as camadas p- e n- subsequentes, bem como para as camadas do tipo i – ou seja, elas não são nem n- nem p- e, portanto, não carregam portadores de carga negativa nem positiva. “Embora esses filmes tenham sido feitos antes, somos os primeiros a dopará-los eletricamente e realizar pilhas de dispositivos complexos”, explica Leo.
Caracterização do dispositivo
Os pesquisadores estimam que a frequência de transição de seu novo dispositivo – essencialmente, uma medida de sua velocidade – é de 1.6 GHz. Isso é muito maior do que o recorde para transistores orgânicos de efeito de campo (OFETs), que é de 40 MHz para um dispositivo configurado verticalmente e 160 Hz para um configurado horizontalmente. No entanto, Leo observa que a velocidade do dispositivo por tensão é uma medida mais relevante de seu desempenho. “Aqui, o novo dispositivo com cerca de 400MHz/V é quase cem vezes mais rápido que os transistores orgânicos anteriores”, diz ele.
Transistores orgânicos atingem novos patamares
Além do mais, diz Leo Mundo da física que os novos transistores da equipe podem ser usados para determinar um parâmetro importante do dispositivo para materiais orgânicos: o comprimento de difusão do portador minoritário. Este parâmetro, que é fundamental para otimizar a eficiência do dispositivo, é a distância que o portador minoritário (elétrons em semicondutores tipo p; buracos em semicondutores tipo n) pode percorrer antes de se recombinar com um portador de carga oposta. No silício, essa quantidade pode ter muitos mícrons de comprimento. Esperava-se que o valor dos orgânicos fosse muito menor, mas nessa classe de materiais era basicamente desconhecido, diz Leo.
Nas camadas altamente ordenadas empregadas neste trabalho, a equipe da TU Dresden determinou que o comprimento de difusão do portador minoritário era de 50 nm, longo o suficiente para fazer os transistores funcionarem bem. No entanto, Leo ressalta que ainda são necessários mais estudos para determinar quais parâmetros do material controlam essa quantidade e como ela pode ser otimizada.
Segundo os pesquisadores, o novo transistor poderá ser utilizado em aplicações como processamento de sinais e transmissão sem fio, nas quais os dados devem ser analisados e transmitidos em alta velocidade. Eles agora estão trabalhando para reduzir a corrente de fuga no dispositivo, o que permitiria medir sua velocidade de operação diretamente. “Também queremos generalizar a aplicação da técnica de camadas altamente ordenadas para outros dispositivos”, revela Leo.
A equipe descreve o trabalho em Natureza.
