Raziskovalci v Nemčiji so ustvarili prvi bipolarni tranzistor iz organskega polprevodnika. Novi tranzistor se ponaša z izjemno zmogljivostjo, vertikalno arhitekturo in visokim diferencialnim ojačenjem ter bi lahko našel aplikacije v visoko zmogljivi tankoplastni in fleksibilni elektroniki, kjer je treba podatke analizirati in prenašati pri visokih hitrostih.
Tranzistorji se v sodobni elektroniki uporabljajo kot stikala za nadzor pretoka nosilcev naboja – elektronov ali lukenj – skozi vezje. Bipolarni tranzistorji so posebni, ker izkoriščajo elektrone in luknje, ta dodatna zmogljivost pa pomeni, da so zelo primerni za aplikacije z visoko hitrostjo in visoko močjo. Njihova izdelava iz organskih polprevodnikov, namesto iz anorganskih, bi oblikovalcem elektronike lahko omogočila, da takšne naprave z visoko hitrostjo in visoko močjo naredijo prilagodljive in pregledne.
Ekipa, ki jo vodi Karl Leo of TU Dresden je zdaj naredil korak proti temu cilju s konstruiranjem organskega bipolarnega spojnega tranzistorja iz visoko urejenih (kristalnih) tankih plasti organskega polprevodnika, imenovanega rubrene. Ta material ima visoko mobilnost naboja, kar pomeni, da se nosilci naboja premikajo skozenj izjemno hitro in na velike razdalje.
Plast za plastjo
Bipolarni spojni tranzistorji so sestavljeni iz treh terminalov, ločenih s polprevodniškimi materiali, ki so p- ali n-tipa. V napravah so ti polprevodniki razporejeni izmenično v konfiguraciji pnp ali npn.
Leova skupina je pred tem izdelala rubrenske filme p- in n-tipa, vendar so v zadnjem delu naredili dodaten korak pri inženirstvu teh filmov na zelo tanki kristalni plasti rubrena debeline okoli 20 nm. Filmi nato delujejo kot seme za naslednje p- in n- plasti ter plasti, ki so i-tipa – to pomeni, da niso niti n- ali p- in tako ne nosijo ne negativnih ne pozitivnih nosilcev naboja. »Medtem ko so bili taki filmi narejeni že prej, smo prvi, ki smo jih električno dopirali in realizirali kompleksne sklope naprav,« pojasnjuje Leo.
Karakterizacija naprave
Raziskovalci ocenjujejo, da je prehodna frekvenca njihove nove naprave – v bistvu merilo njene hitrosti – 1.6 GHz. To je veliko višje od rekorda za organske tranzistorje z učinkom polja (OFET), ki znaša 40 MHz za navpično konfigurirano napravo in 160 Hz za vodoravno konfigurirano. Vendar Leo ugotavlja, da je hitrost naprave na napetost ustreznejše merilo njene zmogljivosti. "Tukaj je nova naprava s približno 400MHz/V skoraj stokrat hitrejša od prejšnjih organskih tranzistorjev," pravi.
Organski tranzistorji dosegajo nove višine
Še več, pove Leo Svet fizike da se lahko novi tranzistorji ekipe uporabijo za določitev pomembnega parametra naprave za organske materiale: difuzijska dolžina manjšinskega nosilca. Ta parameter, ki je ključen za optimizacijo učinkovitosti naprave, je razdalja, ki jo manjšinski nosilec (elektroni v polprevodnikih tipa p; luknje v polprevodnikih tipa n) lahko prepotuje, preden se rekombinira z nosilcem nasprotnega naboja. V siliciju je ta količina lahko dolga veliko mikronov. Pričakovano je bilo, da bo vrednost organskih snovi veliko manjša, vendar je bila v tem razredu materialov v bistvu neznana, pravi Leo.
V zelo urejenih slojih, uporabljenih pri tem delu, je ekipa TU Dresden ugotovila, da je difuzijska dolžina manjšinskega nosilca 50 nm, kar je dovolj dolgo, da lahko tranzistorji dobro delujejo. Vendar pa Leo poudarja, da so še vedno potrebne nadaljnje študije, da bi ugotovili, kateri parametri materiala nadzorujejo to količino in kako jo je mogoče optimizirati.
Po mnenju raziskovalcev bi lahko novi tranzistor uporabili v aplikacijah, kot sta obdelava signalov in brezžični prenos, pri katerih je treba podatke analizirati in prenašati z visoko hitrostjo. Zdaj si prizadevajo zmanjšati uhajajoči tok v napravi, kar bi jim omogočilo neposredno merjenje hitrosti delovanja. »Prav tako želimo posplošiti uporabo tehnike visoko urejenih slojev na druge naprave,« razkriva Leo.
Ekipa opisuje delo v Narava.
