Organische Bipolartransistoren können mit der Entwicklung Schritt halten

Wissenschaftler haben erstmals Bipolartransistoren vorgestellt, die auf organischen Halbleitern basieren und im Gigahertz-Bereich arbeiten können. Dazu nutzten sie den Kohlenwasserstoff Rubren, der im kristallinen Zustand ähnliche positive Eigenschaften wie gewöhnliches Silizium hat, wie das Fachjournal Nature berichtet. Wissenschaftler sehen ihre Technologie vor allem in medizinischen Anwendungen, wo flexible Elektronik neue Möglichkeiten eröffnen kann.

Transistoren gehören zu den wichtigsten Bauelementen der modernen Elektronik und werden in fast allen elektronischen Schaltungen eingesetzt. Die beiden gängigsten Bauformen heißen Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren und unterscheiden sich in Art der Ansteuerung und Einsatzgebiet. Während Feldeffekttransistoren bei hohen Strömen eingesetzt und spannungsgesteuert werden, sind Bipolartransistoren stromgesteuert. Ihr Einsatzgebiet sind niedrige Strombereiche, die auch höhere Taktfrequenzen erfordern.

Auf der Suche nach organischen Bipolartransistoren

Beide Stromarten basieren in der Regel auf Siliziumhalbleitern. Dadurch kann der Transistor bis in den Nanometerbereich verkleinert werden, was eine bessere Leistung und damit eine sehr schnelle Datenverarbeitung ermöglicht. Das Problem bei relativ straffer Technologie ist jedoch, dass sie für flexible Komponenten verwendet werden kann, wie zum Beispiel: scrollbare Anzeige oder für die medizinische Anwendung am oder im Körper ungeeignet.

Shu-Jen Wang und Michael Sawatzki von der Technischen Universität Dresden und ihr Team haben nun einen organischen Transistor vorgestellt, der dieses Problem lösen soll. „Die größte Herausforderung bei der Implementierung bipolarer organischer Transistoren besteht darin, geeignete Materialien und Konfigurationen zu finden, die die erforderliche n- und p-Dotierung und eine ausreichende Ladungsträgermobilität ermöglichen, damit geeignete Elektronen und Löcher im erforderlichen Massetransport fließen können“, erklärt das Team.

Transistorstruktur: Zwischen Emitter und Kollektor befindet sich eine positive (p), negative (n) und neutrale (i) Schicht aus Rubren. Das Substrat (Form) bestimmt die Kristallanordnung. Emitter und Kollektor sind aus Gold, die Basis aus Aluminium. © Wang et al. /Natur/CC von SA 4.0

Rubin als Halbleiter

Die Wissenschaftler verwendeten das auf Kohlenstoff basierende Ruben in ihren Transistoren. Diese organischen Leiter bestehen aus mehreren Ringen aromatischer Kohlenwasserstoffe und werden seit langem in organischen Leuchtdioden verwendet. Ihre Ladungsträger sind in Form von Rubrenkristallen hochmobil.

Um die Transistoren zu bauen, trugen die Forscher mehrere Schichten aus dotiertem Rubin auf, wodurch die Transistoren auf einer etwa 20 Nanometer hohen Kristallbasisschicht betrieben werden mussten. Der Aufbau dieser 100–300 nm dicken Schicht hängt von der hohen Ordnung der Kristallkeime ab. Die Goldelektrode dient als Emitter und Kollektor, die Aluminiumelektrode bildet die Basis.

1,6 GHz evtl

„Die erste Realisierung von organischen Bipolartransistoren war eine große Herausforderung, da wir sehr hochwertige Beschichtungen und neue Strukturen erreichen mussten. Die hervorragenden Parameter des Geräts sind diesem Aufwand jedoch angemessen”, sagte Wang. Die Konfiguration ermöglicht eine hohe Trägergeschwindigkeit des gesamten Transistors.

Wie Tests zeigen, erreichen Bipolartransistoren eine hohe Übergangsfrequenz, die als Maß für die Bauteilgeschwindigkeit angesehen werden kann. Bisherige organische Modelle waren nur als Feldeffekttransistoren ausgeführt und hatten eine Transitfrequenz von 40 bis 160 MHz. Der neue Bipolartransistor der Dresdner Forscher soll dagegen eine Frequenz von bis zu 1,6 GHz haben.

„Ein neuer Horizont für die organische Elektronik“

„Wir denken seit 20 Jahren über dieses Gerät nach und ich bin froh, dass wir es jetzt beweisen können. Organische Bipolartransistoren und ihre Möglichkeiten eröffnen völlig neue Horizonte für die organische Elektronik, sagte Carl Liu, ebenfalls von der Technischen Universität und leitender Autor der Studie.

Als mögliches Anwendungsgebiet betrachten die Forscher beispielsweise intelligente Assistenzgeräte, die Gesundheitsdaten über Sensoren erfassen, lokal verarbeiten und drahtlos übertragen können. (Natur, 2022; doi: 10.1038 / s41586-022-04837-4)

Quelle: Technische Universität Dresden

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