Un transistor de efecto de campo orgánico ( OFET ) es un transistor de efecto de campo que utiliza un semiconductor orgánico en su canal. Los OFET se pueden preparar por evaporación al vacío de moléculas pequeñas, por moldeo en solución de polímeros o moléculas pequeñas, o por transferencia mecánica de una capa orgánica monocristalina pelada sobre un sustrato. Estos dispositivos se han desarrollado para realizar productos electrónicos de gran superficie y de bajo costo y productos electrónicos biodegradables . Los OFET se han fabricado con varias geometrías de dispositivo. La geometría del dispositivo más comúnmente utilizada es la compuerta inferior con drenaje superior y electrodos fuente , porque esta geometría es similar a latransistor de silicio de película delgada (TFT) que utiliza SiO 2 crecido térmicamente como dieléctrico de puerta . También se pueden utilizar como dieléctricos polímeros orgánicos, como poli (metacrilato de metilo) ( PMMA ). [1] Uno de los beneficios de los OFET, especialmente en comparación con los TFT inorgánicos, es su flexibilidad física sin precedentes, [2] que conduce a aplicaciones biocompatibles, por ejemplo, en la futura industria de la salud de la biomedicina personalizada y la bioelectrónica. [3]
En mayo de 2007, Sony informó sobre la primera pantalla de plástico flexible, a todo color, con velocidad de video, [4] [5] en la que tanto los transistores de película delgada como los píxeles emisores de luz estaban hechos de materiales orgánicos.
Historia de las OFET
El concepto de transistor de efecto de campo (FET) fue propuesto por primera vez por Julius Edgar Lilienfeld , quien recibió una patente por su idea en 1930. [6] Propuso que un transistor de efecto de campo se comporta como un capacitor con un canal conductor entre un fuente y un electrodo de drenaje. El voltaje aplicado en el electrodo de puerta controla la cantidad de portadores de carga que fluyen a través del sistema.
El primer transistor de efecto de campo fue diseñado y preparado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs utilizando un semiconductor de óxido de metal: el MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal). Fue inventado en 1959, [7] y presentado en 1960. [8] También conocido como transistor MOS, el MOSFET es el dispositivo más fabricado en el mundo. [9] [10] El concepto de transistor de película delgada (TFT) fue propuesto por primera vez por Paul K. Weimer en 1962. [11] El TFT es un tipo especial de MOSFET. [12]
El aumento de los costos de los materiales y la fabricación, [ cita requerida ] , así como el interés público en materiales electrónicos más respetuosos con el medio ambiente, han apoyado el desarrollo de la electrónica de base orgánica en años más recientes. En 1986, los investigadores de Mitsubishi Electric H. Koezuka, A. Tsumura y Tsuneya Ando informaron sobre el primer transistor orgánico de efecto de campo, [13] [14] basado en un polímero de moléculas de tiofeno . [15] El polímero de tiofeno es un tipo de polímero conjugado que es capaz de conducir cargas, eliminando la necesidad de utilizar costosos semiconductores de óxido metálico. Además, se ha demostrado que otros polímeros conjugados tienen propiedades semiconductoras. El diseño de OFET también ha mejorado en las últimas décadas. Muchos OFET ahora están diseñados en base al modelo de transistor de película delgada (TFT), que permite que los dispositivos utilicen materiales menos conductores en su diseño. En los últimos años, estos modelos se han mejorado en la movilidad de efecto de campo y en las relaciones actuales intermitentes.
Materiales
Una característica común de los materiales OFET es la inclusión de un sistema de electrones π aromáticos o conjugados de otro modo , lo que facilita la deslocalización de las funciones de onda orbitales. Se pueden unir grupos de extracción de electrones o grupos de donación que faciliten el transporte de huecos o electrones.
Se han reportado OFETs que emplean muchos materiales aromáticos y conjugados como la capa semiconductora activa, incluyendo moléculas pequeñas tales como rubreno , tetraceno , pentaceno , diindenoperylene , perylenediimides , tetracianoquinodimetano ( TCNQ ), y polímeros tales como politiofenos (especialmente poli (3-hexiltiofeno) ( P3HT)), polifluoreno , polidiacetileno , poli (2,5-tienileno vinileno) , poli (p-fenileno vinileno) (PPV).
El campo es muy activo, con compuestos recientemente sintetizados y probados que se informan semanalmente en importantes revistas de investigación. Existen muchos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales. [16] [17] [18] [19] [20]
Los OFET basados en Rubrene muestran la mayor movilidad del portador 20–40 cm 2 / (V · s). Otro material OFET popular es el pentaceno, que se ha utilizado desde la década de 1980, pero con una movilidad de 10 a 100 veces menor (según el sustrato) que el rubrene. [20] El principal problema con el pentaceno, así como con muchos otros conductores orgánicos, es su rápida oxidación en el aire para formar pentaceno-quinona. Sin embargo, si el pentaceno está preoxidado, y la pentaceno-quinona así formada se usa como aislante de la puerta, entonces la movilidad puede acercarse a los valores de rubreno. Esta técnica de oxidación del pentaceno es similar a la oxidación del silicio utilizada en la electrónica del silicio. [dieciséis]
El tetratiafulvaleno policristalino y sus análogos dan como resultado movilidades en el rango de 0,1 a 1,4 cm 2 / (V · s). Sin embargo, la movilidad supera los 10 cm 2 / (V · s) en hexametilen-tetratiafulvaleno monocristalino (HMTTF) cultivado en solución o cultivado por transporte de vapor. El voltaje de ENCENDIDO / APAGADO es diferente para los dispositivos que crecen con esas dos técnicas, presumiblemente debido a las temperaturas de procesamiento más altas que se usan en el transporte de vapor. [dieciséis]
Todos los dispositivos mencionados anteriormente se basan en la conductividad de tipo p. Los OFET de tipo N aún están poco desarrollados. Suelen estar basados en perilendiimidas o fullerenos o sus derivados, y presentan movilidades electrónicas inferiores a 2 cm 2 / (V · s). [17]
Diseño de dispositivos de transistores orgánicos de efecto de campo.
Tres componentes esenciales de los transistores de efecto de campo son la fuente, el drenaje y la puerta. Los transistores de efecto de campo suelen funcionar como condensadores . Están compuestos por dos platos. Una placa funciona como un canal conductor entre dos contactos óhmicos , que se denominan contactos de fuente y de drenaje. La otra placa trabaja para controlar la carga inducida en el canal y se llama puerta. La dirección del movimiento de los portadores en el canal es desde la fuente hasta el desagüe. Por lo tanto, la relación entre estos tres componentes es que la compuerta controla el movimiento del portador desde la fuente hasta el desagüe. [21]
Cuando este concepto de condensador se aplica al diseño del dispositivo, se pueden construir varios dispositivos en función de la diferencia en el controlador, es decir, la puerta. Este puede ser el material de la puerta, la ubicación de la puerta con respecto al canal, cómo la puerta está aislada del canal y qué tipo de portador es inducido por el voltaje de la puerta en el canal (como los electrones en un dispositivo de canal n). , agujeros en un dispositivo de canal p, y electrones y agujeros en un dispositivo de doble inyección).
Clasificados por las propiedades de la portadora, tres tipos de FET se muestran esquemáticamente en la Figura 1. [22] Son MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal), MESFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de metal) y TFT ( transistor de película delgada).
MOSFET
El FET más destacado y ampliamente utilizado en la microelectrónica moderna es el MOSFET (FET de semiconductor de óxido de metal). Hay diferentes tipos en esta categoría, como MISFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de metal-aislante) e IGFET (FET de puerta aislada). En la Figura 1a se muestra un esquema de un MISFET. La fuente y el drenaje están conectados por un semiconductor y la puerta está separada del canal por una capa de aislante. Si no se aplica ningún sesgo (diferencia de potencial) en la puerta, la flexión de la banda se induce debido a la diferencia de energía de la banda conductora de metal y el nivel de Fermi del semiconductor . Por lo tanto, se forma una mayor concentración de agujeros en la interfaz del semiconductor y el aislante. Cuando se aplica un sesgo positivo suficiente en el contacto de la puerta, la banda doblada se vuelve plana. Si se aplica una polarización positiva mayor, la banda se dobla en la dirección opuesta y la región cercana a la interfaz aislante-semiconductor se agota de agujeros. Entonces se forma la región empobrecida. Con un sesgo positivo aún mayor, la flexión de la banda se vuelve tan grande que el nivel de Fermi en la interfaz del semiconductor y el aislante se acerca más a la parte inferior de la banda de conducción que a la parte superior de la banda de valencia, por lo tanto, forma una inversión. capa de electrones, que proporciona el canal conductor. Finalmente, enciende el dispositivo. [23]
MESFET
El segundo tipo de dispositivo se describe en la figura 1b. La única diferencia de este con el MISFET es que la fuente de tipo n y el drenaje están conectados por una región de tipo n. En este caso, la región de agotamiento se extiende por todo el canal de tipo n a voltaje de puerta cero en un dispositivo normalmente "apagado" (es similar a la polarización positiva más grande en el caso MISFET). En el dispositivo normalmente "encendido", una parte del canal no se agota y, por lo tanto, conduce al paso de una corriente a voltaje de puerta cero.
TFT
En la Figura 1c se ilustra un transistor de película delgada (TFT). Aquí, los electrodos de fuente y drenaje se depositan directamente sobre el canal conductor (una capa delgada de semiconductor) y luego se deposita una película delgada de aislante entre el semiconductor y el contacto de la puerta metálica. Esta estructura sugiere que no hay una región de agotamiento para separar el dispositivo del sustrato. Si hay polarización cero, los electrones se expulsan de la superficie debido a la diferencia de energía de nivel de Fermi del semiconductor y el metal. Esto conduce a la flexión de la banda del semiconductor. En este caso, no hay movimiento del portador entre la fuente y el drenaje. Cuando se aplica la carga positiva, la acumulación de electrones en la interfaz conduce a la flexión del semiconductor en forma opuesta y conduce a la disminución de la banda de conducción con respecto al nivel de Fermi del semiconductor. Luego, se forma un canal altamente conductor en la interfaz (que se muestra en la Figura 2).
OFET
Los OFET adoptan la arquitectura de TFT. Con el desarrollo del polímero conductor, se han reconocido las propiedades semiconductoras de pequeñas moléculas conjugadas. El interés por las OFET ha crecido enormemente en los últimos diez años. Las razones de este aumento de interés son múltiples. El rendimiento de los OFET, que pueden competir con el de los TFT de silicio amorfo (a-Si) con movilidades de efecto de campo de 0,5 a 1 cm 2 V −1 s −1 y relaciones de corriente ON / OFF (que indican la capacidad del dispositivo a abajo cerrado) de 10 6 -10 8 , ha mejorado de manera significativa. Actualmente, de película delgada valores de movilidad OFET de 5 cm 2 V -1 s -1 en el caso de moléculas de depositado al vacío pequeñas [24] y 0,6 cm 2 V -1 s -1 para polímeros en solución procesados [25] han sido informó. Como resultado, ahora existe un mayor interés industrial en el uso de OFET para aplicaciones que actualmente son incompatibles con el uso de a-Si u otras tecnologías de transistores inorgánicos. Uno de sus principales atractivos tecnológicos es que todas las capas de una OFET pueden depositarse y modelarse a temperatura ambiente mediante una combinación de procesamiento de soluciones de bajo costo e impresión de escritura directa, lo que las hace ideales para la realización de trabajos de bajo costo, Funciones electrónicas de gran superficie sobre sustratos flexibles. [26]
Preparación del dispositivo
El silicio oxidado térmicamente es un sustrato tradicional para los OFET donde el dióxido de silicio sirve como aislante de la puerta. La capa de FET activa normalmente se deposita sobre este sustrato usando (i) evaporación térmica, (ii) revestimiento de una solución orgánica o (iii) laminación electrostática. Las dos primeras técnicas dan como resultado capas activas policristalinas; son mucho más fáciles de producir, pero dan como resultado un rendimiento del transistor relativamente pobre. Se conocen numerosas variaciones de la técnica de recubrimiento en solución (ii), incluyendo el recubrimiento por inmersión , recubrimiento por rotación , impresión de inyección de tinta y la impresión de pantalla . La técnica de laminación electrostática se basa en el pelado manual de una fina capa de un único cristal orgánico; da como resultado una capa activa monocristalina superior, pero es más tediosa. El espesor del óxido de la puerta y la capa activa está por debajo de un micrómetro. [dieciséis]
Transporte portador
El transporte de portadora en OFET es específico para la propagación de portadora bidimensional (2D) a través del dispositivo. Se utilizaron varias técnicas experimentales para este estudio, como el experimento de Haynes-Shockley sobre los tiempos de tránsito de los portadores inyectados, el experimento de tiempo de vuelo (TOF) [27] para la determinación de la movilidad del portador, el experimento de propagación de ondas de presión para sondas eléctricas -distribución de campo en aisladores, experimento de monocapa orgánica para sondear cambios dipolares de orientación, segunda generación armónica óptica resuelta en el tiempo (TRM-SHG), etc. Mientras que los portadores se propagan a través de OFET policristalinos de manera similar a la difusión (trampa limitada), [28 ] se mueven a través de la banda de conducción en los mejores OFET monocristalinos. [dieciséis]
El parámetro más importante del transporte de portadores OFET es la movilidad del portador. Su evolución a lo largo de los años de investigación de la OFET se muestra en el gráfico de las OFET policristalinas y monocristalinas. Las líneas horizontales indican las guías de comparación con los principales competidores de OFET: silicio amorfo (a-Si) y policristalino. El gráfico revela que la movilidad en los OFET policristalinos es comparable a la de a-Si, mientras que la movilidad en los OFET basados en rubreno (20-40 cm 2 / (V · s)) se acerca a la de los mejores dispositivos de polisilicio. [dieciséis]
El desarrollo de modelos precisos de movilidad de portadores de carga en OFET es un campo activo de investigación. Fishchuk y col. han desarrollado un modelo analítico de movilidad de portadores en OFET que tiene en cuenta la densidad de portadores y el efecto polarón . [29]
Mientras que la densidad de portadores media se calcula típicamente como función del voltaje de la puerta cuando se utiliza como una entrada para los modelos de movilidad del portador, [30] Amplitud Modulada Espectroscopia de Reflectancia (MARS) se ha demostrado que proporcionar un mapa espacial de la densidad de portadores a través de un canal de OFET. [31]
OFET emisores de luz
Debido a que una corriente eléctrica fluye a través de dicho transistor, se puede utilizar como un dispositivo emisor de luz, integrando así la modulación de corriente y la emisión de luz. En 2003, un grupo alemán informó sobre el primer transistor orgánico de efecto de campo emisor de luz (OLET). [32] La estructura del dispositivo comprende electrodos de drenaje y fuente de oro interdigitados y una película delgada de tetraceno policristalino . Tanto las cargas positivas ( huecos ) como las negativas ( electrones ) se inyectan desde los contactos de oro en esta capa, lo que conduce a la electroluminiscencia del tetraceno.
Ver también
- Electrónica orgánica
- OLED
- Espectroscopia de modulación de carga
Referencias
- ^ Salleo, A; Chabinyc, ML; Yang, MS; Calle, RA (2002). "Transistores de película fina de polímero con interfaces dieléctricas modificadas químicamente". Letras de Física Aplicada . 81 (23): 4383–4385. Código Bibliográfico : 2002ApPhL..81.4383S . doi : 10.1063 / 1.1527691 .
- ^ Kaltenbrunner, Martin (2013). "Un diseño ultraligero para electrónica de plástico imperceptible". Naturaleza . 499 (7459): 458–463. doi : 10.1038 / nature12314 .
- ^ Nawrocki, Robert (2016). "Ajuste de piel electrónica imperceptible, ultraflexible y biocompatible de 300 nm con sensores táctiles y transistores orgánicos". Materiales electrónicos avanzados . 2 (4): 1500452. doi : 10.1002 / aelm.201500452 .
- ^ プ ラ ス チ ッ ク フ ィ ル ム 上 の 有機 TFT 駆 動 有機 EL デ ィ ス プ レ イ で 世界 初 の フ ル カ ラ ー 表示 を 実 現. sony.co.jp (en japonés)
- ^ Pantalla OLED flexible a todo color . pinktentacle.com (24 de junio de 2007).
- ↑ Lilienfeld, JE (28 de enero de 1930). US 1745175 "Método y aparato para controlar corrientes eléctricas"
- ^ "1960 - Transistor de semiconductor de óxido de metal (MOS) demostrado" . El motor de silicio . Museo de Historia de la Computación .
- ^ Atalla, M .; Kahng, D. (1960). "Dispositivos de superficie inducidos por campo de dióxido de silicio-silicio". Conferencia de investigación de dispositivos de estado sólido IRE-AIEE .
- ^ "13 sextillones y contando: el camino largo y sinuoso hacia el artefacto humano fabricado con más frecuencia en la historia" . Museo de Historia de la Computación . 2 de abril de 2018 . Consultado el 28 de julio de 2019 .
- ^ Baker, R. Jacob (2011). CMOS: diseño, trazado y simulación de circuitos . John Wiley e hijos . pag. 7. ISBN 1118038231.
- ^ Weimer, PK (1962). "TFT - un nuevo transistor de película fina". Proc. IRE . 50 (6): 1462–1469. doi : 10.1109 / JRPROC.1962.288190 .
- ^ Kimizuka, Noboru; Yamazaki, Shunpei (2016). Física y Tecnología del Semiconductor de Óxido Cristalino CAAC-IGZO: Fundamentos . John Wiley e hijos. pag. 217. ISBN 9781119247401.
- ^ "¿Qué son los OLED y los OLET?" . Proyecto LAMP . Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico . Consultado el 29 de julio de 2019 .
- ^ Tsumura, A .; Koezuka, H .; Ando, Tsuneya (3 de noviembre de 1986). "Dispositivo electrónico macromolecular: transistor de efecto de campo con una película delgada de politiofeno". Letras de Física Aplicada . 49 (18): 1210-1212. doi : 10.1063 / 1.97417 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Koezuka, H .; Tsumura, A .; Ando, Tsuneya (1987). "Transistor de efecto de campo con película fina de politiofeno". Metales sintéticos . 18 (1–3): 699–704. doi : 10.1016 / 0379-6779 (87) 90964-7 .
- ^ a b c d e f g Hasegawa, Tatsuo; Takeya, junio (2009). "Transistores orgánicos de efecto de campo que utilizan monocristales" . Sci. Technol. Adv. Mater. (Descarga gratis). 10 (2): 024314. Código Bibliográfico : 2009STAdM..10b4314H . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 10/2/024314 . PMC 5090444 . PMID 27877287 .
- ^ a b Yamashita, Yoshiro (2009). "Semiconductores orgánicos para transistores de efecto de campo orgánicos" . Sci. Technol. Adv. Mater. (Descarga gratis). 10 (2): 024313. Código Bibliográfico : 2009STAdM..10b4313Y . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 10/2/024313 . PMC 5090443 . PMID 27877286 .
- ^ Dimitrakopoulos, CD; Malenfant, PRL (2002). "Transistores orgánicos de película fina para electrónica de gran área". Adv. Mater . 14 (2): 99. doi : 10.1002 / 1521-4095 (20020116) 14: 2 <99 :: AID-ADMA99> 3.0.CO; 2-9 .
- ^ Reese, Colin; Roberts, Mark; Ling, Mang-Mang; Bao, Zhenan (2004). "Transistores orgánicos de película fina" . Mater. Hoy . 7 (9): 20. doi : 10.1016 / S1369-7021 (04) 00398-0 .
- ^ a b Klauk, Hagen (2010). "Transistores orgánicos de película fina". Chem. Soc. Rev . 39 (7): 2643–66. doi : 10.1039 / B909902F . PMID 20396828 .
- ^ Shur, Michael (septiembre de 1990). Física de dispositivos semiconductores . Englewood Cliffs, Nueva Jersey: Prentice-Hall . ISBN 978-0-13-666496-3.
- ^ Horowitz, Paul ; Winfield Hill (1989). El arte de la electrónica (2ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-37095-0.
- ^ Shockley, W. (1952). "Un" transistor "de efecto de campo unipolar". Proc. IRE . 40 (11): 1365-1376. doi : 10.1109 / JRPROC.1952.273964 .
- ^ Baude, PF; Ender, DA; Haase, MA; Kelley, TW; Muyres, DV; Theiss, SD (2003). "Circuito de identificación por radiofrecuencia basado en el pentaceno". Phys. Lett . 82 (22): 3964. Bibcode : 2003ApPhL..82.3964B . doi : 10.1063 / 1.1579554 .
- ^ McCulloch, I. presentado en el 229th ACS Natl. Reunión, San Diego, CA, marzo de 2005
- ^ Sirringhaus, H. (2005). "Física del dispositivo de transistores de efecto de campo orgánico procesados por solución". Adv. Mater. 17 (20): 2411–2425. doi : 10.1002 / adma.200501152 .
- ^ Weis, Martin; Lin, Jack; Taguchi, Dai; Manaka, Takaaki; Iwamoto, Mitsumasa (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistor de efecto de campo orgánico: el método de tiempo de vuelo". J. Phys. Chem. C . 113 (43): 18459. doi : 10.1021 / jp908381b .
- ^ Manaka, Takaaki; Liu, Fei; Weis, Martin; Iwamoto, Mitsumasa (2008). "Migración de campo eléctrico de tipo difusión en el canal de transistores de efecto de campo orgánico". Phys. Rev. B . 78 (12): 121302. bibcode : 2008PhRvB..78l1302M . doi : 10.1103 / PhysRevB.78.121302 .
- ^ Fishchuk, Ivan I .; Kadashchuk, Andrey; Hoffmann, Sebastian T .; Athanasopoulos, Stavros; Genoe, J .; Bässler, Heinz; Köhler, Anna (2013). "Descripción unificada para el transporte de salto en semiconductores orgánicos que incluyen tanto el desorden energético como las contribuciones polarónicas" (PDF) . Physical Review B . 88 (12): 125202. Código Bibliográfico : 2013PhRvB..88l5202F . doi : 10.1103 / PhysRevB.88.125202 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Tanase, C .; Meijer, EJ; Blom, PWM; De Leeuw, DM (junio de 2003). "Movilidad del portador de carga local en transistores de efecto de campo orgánicos desordenados" (PDF) . Electrónica orgánica . 4 (1): 33–37. doi : 10.1016 / S1566-1199 (03) 00006-5 .
- ^ Davis, Andrew R .; Pye, Lorelle N .; Katz, Noam; Hudgings, Janice A .; Carter, Kenneth R. (2014). "Mapeo espacial de la densidad del portador de carga y los defectos en la electrónica orgánica mediante espectroscopia de reflectancia amplificada por modulación". Materiales avanzados . 26 (26): 4539–4545. doi : 10.1002 / adma.201400859 . ISSN 1521-4095 . PMID 24889350 .
- ^ Hepp, Aline; Heil, Holger; Weise, Wieland; Ahles, Marcus; Schmechel, Roland; Von Seggern, Heinz (2003). "Transistor de efecto de campo emisor de luz basado en una película fina de tetraceno". Phys. Rev. Lett . 91 (15): 157406. Código Bibliográfico : 2003PhRvL..91o7406H . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.157406 . PMID 14611497 .