Forskare i Tyskland har skapat den första bipolära transistorn någonsin gjord av en organisk halvledare. Den nya transistorn har enastående prestanda, en vertikal arkitektur och en hög differentialförstärkning, och kan hitta tillämpningar inom högpresterande tunnfilm och flexibel elektronik där data måste analyseras och överföras med höga hastigheter.
Transistorer används i modern elektronik som omkopplare för att styra flödet av laddningsbärare – elektroner eller hål – genom en krets. Bipolära transistorer är speciella eftersom de använder både elektroner och hål, och denna extra kapacitet gör att de är väl lämpade för höghastighets- och högeffektapplikationer. Att bygga dem från organiska halvledare, snarare än oorganiska, skulle kunna ge elektronikdesigners möjlighet att göra sådana höghastighets- och högeffektenheter flexibla och transparenta.
Ett lag som leds av Karl Leo of TU Dresden har nu tagit ett steg mot detta mål genom att konstruera en organisk bipolär junction transistor från högordnade (kristallina) tunna filmer av en organisk halvledare som kallas rubren. Detta material har en hög laddningsrörlighet, vilket innebär att laddningsbärare rör sig genom det extremt snabbt och över långa avstånd.
Lager på lager
Bipolära kopplingstransistorer består av tre terminaler åtskilda av halvledande material som är antingen p- eller n-typ. I enheterna är dessa halvledare anordnade växelvis, i antingen en pnp- eller en npn-konfiguration.
Leos grupp hade tidigare gjort både p- och n-typ rubrenfilmer, men i det senaste arbetet tog de det ytterligare steget att konstruera dessa filmer på ett mycket tunt kristallint rubrenskikt runt 20 nm tjockt. Filmerna fungerar sedan som ett frö för efterföljande p- och n-lager samt lager som är i-typ – det vill säga de är varken n- eller p- och bär således varken negativa eller positiva laddningsbärare. "Medan sådana filmer hade gjorts tidigare, är vi de första som elektriskt dopar dem och realiserar komplexa enhetsstackar", förklarar Leo.
Enhetskarakterisering
Forskarna uppskattar att övergångsfrekvensen för deras nya enhet – i huvudsak ett mått på dess hastighet – är 1.6 GHz. Detta är mycket högre än rekordet för organiska fälteffekttransistorer (OFET), som är 40 MHz för en vertikalt konfigurerad enhet och 160 Hz för en horisontellt konfigurerad. Leo noterar dock att enhetens hastighet per spänning är ett mer relevant mått på dess prestanda. "Här är den nya enheten med cirka 400MHz/V nästan hundra gånger snabbare än tidigare organiska transistorer", säger han.
Organiska transistorer når nya höjder
Vad mer är, berättar Leo Fysikvärlden att lagets nya transistorer kan användas för att bestämma en viktig enhetsparameter för organiska material: minoritetsbärarens diffusionslängd. Denna parameter, som är nyckeln för att optimera enhetens effektivitet, är det avstånd som minoritetsbäraren (elektroner i halvledare av p-typ; hål i halvledare av n-typ) kan färdas innan den rekombinerar med en bärare med motsatt laddning. I kisel kan denna mängd vara många mikron lång. Värdet för organiskt material förväntades vara mycket mindre, men i den här klassen av material var det i princip okänt, säger Leo.
I de mycket ordnade skikten som används i detta arbete, fastställde TU Dresden-teamet att minoritetsbärarens diffusionslängd var 50 nm, tillräckligt lång för att få transistorerna att fungera bra. Leo betonar dock att ytterligare studier fortfarande behövs för att avgöra vilka parametrar i materialet som styr denna kvantitet och hur den kan optimeras.
Enligt forskarna skulle den nya transistorn kunna användas i applikationer som signalbehandling och trådlös överföring där data måste analyseras och överföras i hög hastighet. De arbetar nu för att minska läckströmmen i enheten, vilket skulle göra det möjligt för dem att mäta dess driftshastighet direkt. "Vi vill också generalisera tillämpningen av den högordnade lagertekniken till andra enheter," avslöjar Leo.
Teamet beskriver arbetet i Natur.
