Німецькі дослідники створили перший в історії біполярний транзистор з органічного напівпровідника. Новий транзистор може похвалитися видатною продуктивністю, вертикальною архітектурою та високим диференціальним підсиленням і може знайти застосування у високопродуктивній тонкоплівковій та гнучкій електроніці, де дані потрібно аналізувати та передавати на високих швидкостях.
Транзистори використовуються в сучасній електроніці як перемикачі для керування потоком носіїв заряду – електронів або дірок – через ланцюг. Біполярні транзистори є особливими, оскільки вони використовують як електрони, так і дірки, і ця додаткова можливість означає, що вони добре підходять для високошвидкісних і потужних додатків. Створення їх з органічних напівпровідників, а не з неорганічних, може дати розробникам електроніки можливість зробити такі високошвидкісні та потужні пристрої гнучкими та прозорими.
Команда на чолі з Карл Лео of ТУ Дрезден тепер зробив крок до цієї мети, побудувавши органічний біполярний транзистор з високовпорядкованими (кристалічними) тонкими плівками органічного напівпровідника під назвою рубрен. Цей матеріал має високу мобільність заряду, тобто носії заряду рухаються крізь нього надзвичайно швидко та на великі відстані.
Шар за шаром
Біполярні транзистори складаються з трьох висновків, розділених напівпровідниковими матеріалами p- або n-типу. У пристроях ці напівпровідники розташовані по черзі в конфігурації pnp або npn.
Група Лео раніше створювала рубренові плівки p- і n-типу, але в останній роботі вони зробили додатковий крок, створивши ці плівки на дуже тонкому кристалічному шарі рубрену товщиною близько 20 нм. Потім плівки виступають затравкою для наступних p- і n-шарів, а також шарів i-типу, тобто вони не є ні n-, ні p- і, отже, не несуть ні негативних, ні позитивних носіїв заряду. «Хоча такі плівки створювали раніше, ми перші, хто застосовує їх електричне легування та реалізує складні стеки пристроїв», — пояснює Лео.
Характеристика пристрою
Дослідники підрахували, що частота переходів їхнього нового пристрою – по суті, показник його швидкості – становить 1.6 ГГц. Це набагато вище, ніж рекорд для органічних польових транзисторів (OFET), який становить 40 МГц для пристрою з вертикальною конфігурацією та 160 Гц для пристрою з горизонтальною конфігурацією. Однак Лео зазначає, що швидкість пристрою на напругу є більш відповідним показником його продуктивності. «Тут новий пристрій із приблизно 400 МГц/В майже в сто разів швидший за попередні органічні транзистори», — каже він.
Органічні транзистори досягають нових висот
Більше того, розповідає Лео Світ фізики що нові транзистори команди можуть використовуватися для визначення важливого параметра пристрою для органічних матеріалів: довжини дифузії неосновних носіїв. Цей параметр, який є ключовим для оптимізації ефективності пристрою, — це відстань, яку може пройти неосновний носій (електрони в напівпровідниках p-типу; дірки в напівпровідниках n-типу), перш ніж він рекомбінує з носієм протилежного заряду. У кремнії ця величина може досягати багатьох мікрон. Очікувалося, що цінність органіки буде набагато меншою, але в цьому класі матеріалів вона була в основному невідомою, каже Лео.
У високовпорядкованих шарах, використаних у цій роботі, команда TU Dresden визначила, що дифузійна довжина неосновних носіїв становить 50 нм, достатньої довжини, щоб забезпечити хорошу роботу транзисторів. Однак Лео підкреслює, що все ще необхідні подальші дослідження, щоб визначити, які параметри матеріалу контролюють цю кількість і як її можна оптимізувати.
За словами дослідників, новий транзистор можна використовувати в таких додатках, як обробка сигналів і бездротова передача даних, в яких дані повинні аналізуватися і передаватись на високій швидкості. Зараз вони працюють над зменшенням струму витоку в пристрої, що дозволить їм безпосередньо вимірювати його робочу швидкість. «Ми також хочемо узагальнити застосування техніки високовпорядкованого шару на інших пристроях», — розповідає Лео.
Команда описує роботу в природа.
