Οργανικό τρανζίστορ επίδρασης πεδίου

Για περισσότερο από μία δεκαετία, τα οργανικά τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (organic field-effect transistors, OFET), τα οποία βασίζονται σε συζευγμένα (conjugated) πολυμερή, σε ολιγομερή και άλλα μόρια, θεωρούνται ως μία βιώσιμη λύση συγκρινόμενα με τα πιο παραδοσιακά και περισσότερο χρησιμοποιούμενα τρανζίστορ (FET), τα οποία στηρίζονται στα ανόργανα υλικά. Ιδιαίτερα στην περίπτωση που το χρησιμοποιούμενο οργανικό φιλμ είναι λεπτό, είναι γνωστά ως οργανικά τρανζίστορ λεπτού φιλμ (thin-film transistors, OTFT) .

Επισκόπηση

Τα οργανικά τρανζίστορ μπορούν να περιλαμβάνουν ένα μοριακό ή πολυμερικό κανάλι που συνδέεται με τις επαφές απαγωγού και πηγής, ενώ ο μονωτής της πύλης μπορεί να είναι οργανικός ή ανόργανος .

Περιορισμοί

Εξαιτίας της σχετικά χαμηλής ευκινησίας των ημιαγώγιμων οργανικών στρωμάτων, τα OFET δεν μπορούν να συναγωνιστούν την απόδοση των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου που βασίζονται σε μονοκρυσταλλικούς ανόργανους ημιαγωγούς, όπως τα Si και Ge, τα οποία έχουν ευκινησίες φορέων φορτίων (μ) περίπου τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες. Οι σημαντικότερες παράμετροι χαρακτηρισμού ενός FET είναι η ευκινησία του και ο λόγος ρεύματος ON/OFF. Η ευκινησία εκφράζει τη μέση ταχύτητα των φορτίων λόγω επιβολής εξωτερικής τάσης και ανά μονάδα ηλεκτρικού πεδίου, σύμφωνα με τη σχέση:
όπου: ud: η μέση ταχύτητα ολίσθησης των φορέων (σταθερή για μικρά πεδία) και Ε: το ηλεκτρικό πεδίο.
Η συχνότητα ON/OFF είναι ο ρυθμός μεταξύ πηγής και απαγωγού του FET μεταξύ των ON και OFF καταστάσεων. Αμφότερες οι παράμετροι εξαρτώνται ισχυρά από την τάση που εφαρμόζεται στην πύλη. Στις διατάξεις υγρών κρυστάλλων, για παράδειγμα, χρειάζεται ευκινησία μεγαλύτερη του 0,1 cm²V⁻¹s⁻¹ και συχνότητα ON/OFF μεγαλύτερη του 10⁶:1.
Οι περιορισμοί στην απόδοση των OFET, λοιπόν, τίθενται κυρίως από τις χαμηλές ευκινησίες των ηλεκτρονίων ή των οπών στα υλικά του καναλιού. Εξαιτίας μοριακών ταλαντώσεων και μεγάλων ενδομοριακών αποστάσεων (περίπου 0,35nm), η αγωγιμότητα στα οργανικά φιλμ μικρών μορίων καθορίζεται από το ρυθμό μεταπήδησης των ηλεκτρονίων ή οπών μεταξύ των οργανικών μορίων στο κανάλι. Επίσης, η ευκινησία φορέων στα οργανικά φιλμ ημιαγωγών περιορίζεται από την αγωγιμότητα με άλματα φορτίου από ένα κέντρο φορτίου σε άλλο (hopping) σε περιοχές του υλικού με μεγάλη αταξία, όπως τα περατωτικά όρια των κρυστάλλων. Σημαντικό ρόλο στη λειτουργία τους παίζουν ακόμη οι ιδιότητες δύο ειδών διεπαφής: οι διεπαφές μεταξύ των ημιαγωγών και των ηλεκτροδίων, όπου η έγχυση φορέων γίνεται από τα ηλεκτρόδια στους ημιαγωγούς και οι διεπαφές μεταξύ των ημιαγωγών και των μονωτών, όπου η μεταφορά φορέων πραγματοποιείται στο στρώμα των ημιαγωγών. Οι ιδιότητες των διεπαφών αυτών καθορίζουν την απόδοση των διατάξεων. Ειδικότερα, ο έλεγχος της μοριακής δομής και η μορφολογία του οργανικού ημιαγωγού στη διεπαφή ημιαγωγού-μονωτή, δηλαδή της περιοχής όπου πραγματοποιείται η μεταφορά φορέων, είναι κρίσιμη για την ενίσχυση της απόδοσης OFETs, αφού η απόδοση των διατάξεων είναι ευαίσθητη στα χαρακτηριστικά των μονωτικών επιφανειών .
Υπολογίζεται, λοιπόν, πως η ευκινησία δεν θα ξεπεράσει κατά πολύ την τιμή του άμορφου πυριτίου . Τα πολυμερή είναι ακόμη πιο αραιά διατεταγμένα, οπότε το όριο στην ευκινησία είναι ακόμη μικρότερο, κατά δύο τάξεις μεγέθους περίπου.

Εξελίξεις

Γενικά, έχει αναπτυχθεί τον τελευταίο καιρό ένα πολύ μεγάλο ενδιαφέρον στον τομέα κατασκευής ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και οθονών με διάφορες μεθόδους εκτύπωσης, όπως εκτύπωση επί της οθόνης (screen-printing), εκτύπωση ψεκασμού (ink-jet printing) και εκτύπωση μικροεπαφών (microcontact printing). Για τις μεθόδους αυτές, τα οργανικά ημιαγώγιμα υλικά προσφέρουν πληθώρα πλεονεκτημάτων έναντι της συμβατικής τεχνολογίας. Αυτός είναι ένας ακόμη λόγος που ωθεί στην έρευνά τους. Τα οργανικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με εύκολες μεθόδους, όπως επικάλυψη με περιστροφή (spin-coating), εκτύπωση, εξάχνωση κ.ά.