Cercetătorii din Germania au creat primul tranzistor bipolar realizat dintr-un semiconductor organic. Noul tranzistor se laudă cu performanțe remarcabile, o arhitectură verticală și o amplificare diferențială mare și ar putea găsi aplicații în electronice cu film subțire și flexibile de înaltă performanță, unde datele trebuie analizate și transmise la viteze mari.
Tranzistorii sunt folosiți în electronica modernă ca întrerupătoare pentru a controla fluxul purtătorilor de sarcină - electroni sau găuri - printr-un circuit. Tranzistoarele bipolare sunt speciale deoarece folosesc atât electroni, cât și găuri, iar această capacitate suplimentară înseamnă că sunt potrivite pentru aplicații de mare viteză și putere. Construirea acestora din semiconductori organici, mai degrabă decât din cele anorganice, ar putea oferi designerilor de electronice posibilitatea de a face astfel de dispozitive de mare viteză și putere flexibile și transparente.
O echipă condusă de Karl Leo of TU Dresda a făcut acum un pas către acest obiectiv prin construirea unui tranzistor organic de joncțiune bipolară din pelicule subțiri foarte ordonate (cristaline) ale unui semiconductor organic numit rubren. Acest material are o mobilitate mare de încărcare, ceea ce înseamnă că purtătorii de încărcare se deplasează prin el extrem de rapid și pe distanțe lungi.
Strat cu strat
Tranzistoarele cu joncțiune bipolară constau din trei terminale separate de materiale semiconductoare care sunt fie de tip p, fie de tip n. În dispozitive, acești semiconductori sunt aranjați alternativ, fie într-o configurație pnp, fie într-o configurație npn.
Grupul lui Leo a făcut anterior atât filme de rubrenă de tip p, cât și de tip n, dar în cea mai recentă lucrare, au făcut pasul suplimentar de a proiecta aceste filme pe un strat de rubrenă cristalin foarte subțire, de aproximativ 20 nm grosime. Filmele acționează apoi ca sămânță pentru straturile p- și n- ulterioare, precum și pentru straturile de tip i - adică nu sunt nici n- sau p- și, prin urmare, nu poartă purtători de sarcină negativă sau pozitivă. „Deși astfel de filme au mai fost făcute înainte, suntem primii care le-au dopat electric și au realizat stive complexe de dispozitive”, explică Leo.
Caracterizarea dispozitivului
Cercetătorii estimează că frecvența de tranziție a noului lor dispozitiv – în esență, o măsură a vitezei sale – este de 1.6 GHz. Acesta este mult mai mare decât recordul pentru tranzistoarele organice cu efect de câmp (OFET), care este de 40 MHz pentru un dispozitiv configurat vertical și de 160 Hz pentru unul configurat orizontal. Cu toate acestea, Leo observă că viteza dispozitivului pe tensiune este o măsură mai relevantă a performanței sale. „Aici, noul dispozitiv cu aproximativ 400 MHz/V este de aproape o sută de ori mai rapid decât tranzistoarele organice anterioare”, spune el.
Tranzistoarele organice ating noi culmi
Mai mult, spune Leo Lumea fizicii că noii tranzistori ai echipei pot fi utilizați pentru a determina un parametru important al dispozitivului pentru materialele organice: lungimea de difuzie a purtătorului minoritar. Acest parametru, care este cheie pentru optimizarea eficienței dispozitivului, este distanța pe care purtătorul minoritar (electroni în semiconductori de tip p; găuri în semiconductori de tip n) o poate parcurge înainte de a se recombina cu un purtător de sarcină opusă. În siliciu, această cantitate poate avea o lungime de mulți microni. Valoarea pentru substanțele organice era de așteptat să fie mult mai mică, dar în această clasă de materiale era practic necunoscută, spune Leo.
În straturile foarte ordonate folosite în această lucrare, echipa TU Dresda a determinat că lungimea de difuzie a purtătorului minoritar era de 50 nm, suficient de lungă pentru a face tranzistoarele să funcționeze bine. Cu toate acestea, Leo subliniază că sunt încă necesare studii suplimentare pentru a determina ce parametri ai materialului controlează această cantitate și cum poate fi optimizată.
Potrivit cercetătorilor, noul tranzistor ar putea fi folosit în aplicații precum procesarea semnalului și transmisia wireless în care datele trebuie analizate și transmise la viteză mare. Acum lucrează pentru a reduce curentul de scurgere din dispozitiv, ceea ce le-ar permite să măsoare direct viteza de funcționare a acestuia. „De asemenea, dorim să generalizăm aplicarea tehnicii de straturi foarte ordonate la alte dispozitive”, dezvăluie Leo.
Echipa descrie munca în Natură.
