Organisk bipolär transistor kan hänga med – forskare presenterar den första högeffektiva kolbaserade transistorn

Forskare har för första gången presenterat en bipolär transistor baserad på en organisk halvledare och som kan arbeta i gigahertzområdet. För att göra detta använder de kolvätet rubren, som i sitt kristallina tillstånd har liknande gynnsamma egenskaper som det vanliga kiselet, som de rapporterar i specialisttidningen ”Nature”. Forskarna ser sin teknologi främst i medicinska tillämpningar, där flexibel elektronik kan öppna upp nya möjligheter.

Transistorer är bland de viktigaste komponenterna i modern elektronik och används i nästan alla elektroniska kretsar. De två vanligaste designerna kallas fälteffekt- och bipolära transistorer och skiljer sig åt i typ av styrning och användningsområde. Medan fälteffekttransistorer används med höga strömmar och styrs via spänningen, styrs bipolära transistorer via strömmen. Deras användningsområde är lågströmsområdet, där det också krävs högre klockfrekvenser.

Letar efter organiska bipolära transistorer

Båda typerna är numera vanligtvis baserade på halvledarkisel. Detta gör att transistorerna kan skalas ner till nanometerområdet, vilket möjliggör högre prestanda och därmed extremt snabb databehandling. Ett problem med den relativt stela tekniken är dock att den kan användas till flexibla komponenter som t.ex rullbara displayer eller är snarare olämplig för medicinska tillämpningar på eller i kroppen.

Shu-Jen Wang och Michael Sawatzki från Technical University of Dresden och deras team har nu presenterat en organisk transistor som är tänkt att lösa dessa problem. ”En stor utmaning i implementeringen av en organisk bipolär transistor är att hitta ett lämpligt material och en konfiguration som möjliggör både nödvändig n- och p-dopning och tillräcklig rörlighet för laddningsbärarna för att låta elektroner och motsvarande hål flöda i önskat vägtransport”, förklarar teamet.

Transistorns struktur: Det finns positiva (p), negativa (n) och neutrala (i) dopade rubrenskikt mellan emittern och kollektorn. Det undre lagret (mall) anger den kristallina ordningen. Emitter och samlare är gjorda av guld, basen är gjord av aluminium. © Wang et al. /Natur/CC av sa 4.0

Rubrene som halvledare

Forskarna använde den kolbaserade rubrenen för sin transistor. Denna organiska halvledare är uppbyggd av flera ringar av ett aromatiskt kolväte och har länge använts för organiska ljusemitterande dioder. Dess laddningsbärare är särskilt rörliga i den kristallina formen av rubren.

För att konstruera transistorn, applicerade forskarna de olika dopade rubrenskikten som krävs för att transistorn ska fungera på ett kristallint basskikt cirka 20 nanometer högt. Strukturen hos dessa skikt, som är mellan 100 och 300 nanometer tjocka, är baserad på den höga ordningen för det kristallina basskiktet. Guldelektroder fungerade som sändare och samlare, och en aluminiumelektrod låg till grund.

1,6 gigahertz är möjliga

”Den första realiseringen av den organiska bipolära transistorn var en stor utmaning eftersom vi var tvungna att realisera lager av mycket hög kvalitet och nya strukturer. Men enhetens utmärkta parametrar belönar denna ansträngning, säger Wang. Deras konfiguration möjliggjorde hög bärvågshastighet för hela transistorn.

Som tester visade uppnådde den bipolära transistorn en hög övergångsfrekvens, vilket kan tas som ett mått på komponentens hastighet. Tidigare organiskt baserade modeller implementerades endast som fälteffekttransistorer och hade en transitfrekvens på 40 till 160 megahertz. Däremot sägs den nya bipolära transistorn som utvecklats av Dresden-forskarna ha en frekvens på upp till 1,6 gigahertz.

”Nya perspektiv för organisk elektronik”

”Vi har tänkt på den här enheten i 20 år och jag är glad att vi nu har kunnat demonstrera den. Den organiska bipolära transistorn och dess potential öppnar helt nya perspektiv för organisk elektronik”, säger Karl Leo, även han från Tekniska universitetet och senior författare till studien.

Som ett möjligt användningsområde ser forskarna till exempel intelligenta plåster som kan registrera hälsodata via sensorer, bearbeta det lokalt och skicka vidare trådlöst. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04837-4)

Källa: Technical University of Dresden