Organische bipolaire transistor kan de ontwikkeling bijbenen – Onderzoekers hebben de eerste zeer efficiënte op koolstof gebaseerde transistor geïntroduceerd
Wetenschappers hebben voor het eerst een bipolaire transistor geïntroduceerd op basis van organische halfgeleiders die in het gigahertz-bereik kan werken. Om dit te doen, gebruiken ze de koolwaterstof rubreen, die in zijn kristallijne toestand gunstige eigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met het gebruikelijke silicium, zoals gerapporteerd in het gespecialiseerde tijdschrift “Nature”. Wetenschappers zien hun technologie vooral in medische toepassingen, waar flexibele elektronica nieuwe mogelijkheden zou kunnen openen.
Transistoren behoren tot de belangrijkste componenten van moderne elektronica en worden in bijna alle elektronische schakelingen gebruikt. De twee meest voorkomende ontwerpen worden veldeffect- en bipolaire transistoren genoemd en verschillen in het type besturing en toepassingsgebieden. Terwijl veldeffecttransistoren worden gebruikt met hoge stromen en worden bestuurd door spanning, worden bipolaire transistoren bestuurd door stroom. Hun toepassingsgebied is het lage stroombereik, dat ook hogere klokfrequenties vereist.
Op zoek naar organische bipolaire transistors
Beide typen zijn tegenwoordig veelal gebaseerd op silicium halfgeleiders. Hierdoor kunnen de transistoren worden verkleind tot het nanometerbereik, wat zorgt voor betere prestaties en dus een extreem snelle gegevensverwerking. Het probleem met de relatief strikte technologie is echter dat deze kan worden gebruikt voor flexibele componenten zoals: oprolbare displays of niet geschikt voor medische toepassingen op of in het lichaam.
Shu-Jen Wang en Michael Sawatzki van de Technische Universiteit van Dresden en hun team hebben nu een organische transistor geïntroduceerd die is ontworpen om deze problemen op te lossen. “De belangrijkste uitdaging bij het implementeren van een bipolaire organische transistor is het vinden van een geschikt materiaal en een geschikte configuratie die zowel de noodzakelijke n- als p-doping mogelijk maakt en voldoende mobiliteit van de ladingsdragers om de corresponderende elektronen en gaten in het vereiste grondtransport te laten stromen.” legt het team uit.
Rubin als halfgeleider
De wetenschappers gebruikten op koolstof gebaseerde rubeen in hun transistor. Deze organische geleider bestaat uit verschillende ringen van aromatische koolwaterstoffen en wordt al lang gebruikt in organische lichtemitterende diodes. Hun ladingsdragers zijn bijzonder mobiel in de kristallijne vorm van rubreen.
Om de transistor te bouwen, hebben de onderzoekers verschillende gedoteerde rubeenlagen aangebracht die nodig zijn om de transistor te laten werken op een kristalbasislaag van ongeveer 20 nanometer hoog. De structuur van deze lagen, die 100-300 nm dik zijn, hangt af van de hoge orde van de kristallijne kern. Gouden elektroden dienden als emitter en collector, en een aluminium elektrode vormde de basis.
1,6 GHz mogelijk
“De eerste realisatie van de organische bipolaire transistor was een enorme uitdaging omdat we lagen en nieuwe structuren van zeer hoge kwaliteit moesten realiseren. De uitstekende parameters van het apparaat staan echter gelijk aan deze inspanning”, zegt Wang. De configuratie maakte een hoge draaggolfsnelheid van de gehele transistor mogelijk.
Zoals uit de tests bleek, bereikte de bipolaire transistor een hoge overgangsfrequentie, die kan worden beschouwd als een maat voor de componentsnelheid. Eerdere organische modellen waren alleen geïmplementeerd als veldeffecttransistors en hadden een doorvoerfrequentie van 40 tot 160 MHz. De nieuwe bipolaire transistor die door onderzoekers uit Dresden is ontwikkeld, zou daarentegen een frequentie tot 1,6 GHz hebben.
“Nieuwe horizonten voor organische elektronica”
“We denken al 20 jaar aan dit apparaat en ik ben blij dat we het nu hebben kunnen bewijzen. De organische bipolaire transistor en zijn mogelijkheden openen volledig nieuwe horizonten voor organische elektronica”, zegt Carl Liu, ook van de Technische Dienst. Universiteit en senior auteur van de studie.
Als potentieel toepassingsgebied zien onderzoekers bijvoorbeeld slimme assistent-apparaten die via sensoren gezondheidsgegevens kunnen vastleggen, lokaal verwerken en draadloos doorgeven. (Natuur, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04837-4)
Bron: Technische Universiteit van Dresden
“Coffee fanatic. Gamer. Award-winning zombie aficionado. College student. Hardcore internet proponent. Twitter guru. Subtly charming bacon nerd. Thinker.”