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 mediante evaporación al vacío de moléculas pequeñas, mediante fundición en solución de polímeros o moléculas pequeñas, o mediante transferencia mecánica de una capa orgánica monocristalina pelada sobre un sustrato. Estos dispositivos se han desarrollado para fabricar productos electrónicos de gran superficie y productos electrónicos biodegradables y de bajo coste . Los OFET se han fabricado con varias geometrías de dispositivo. La geometría del dispositivo más comúnmente utilizada es la puerta inferior con drenaje superior y electrodos fuente , porque esta geometría es similar al transistor de silicio de película delgada (TFT) que utiliza SiO 2 cultivado térmicamente como dieléctrico de puerta . También se pueden utilizar como dieléctrico polímeros orgánicos, como el 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 atención médica de biomedicinas y bioelectrónica personalizadas. [3]
En mayo de 2007, Sony presentó la primera pantalla de plástico flexible, a todo color, con velocidad de vídeo, [4] [5] en la que tanto los transistores de película delgada como los píxeles emisores de luz estaban hechos de materiales orgánicos.
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 de puerta aislada fue diseñado y preparado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs utilizando un semiconductor de óxido metálico: el MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico). 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 John Wallmark , quien en 1957 presentó una patente para un MOSFET de película delgada en el que se usaba monóxido de germanio como dieléctrico de puerta. El transistor de película delgada fue desarrollado en 1962 por Paul K. Weimer , quien implementó las ideas de Wallmark. [11] El TFT es un tipo especial de MOSFET. [12]
Los crecientes costos de los materiales y la fabricación, [ cita necesaria ] , 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 los últimos años. 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 carga, 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 se diseñan basándose en el modelo de transistor de película delgada (TFT), lo que permite que los dispositivos utilicen materiales menos conductores en su diseño. En los últimos años se han mejorado estos modelos en la movilidad del efecto de campo y en los ratios de corriente on-off.
Una característica común de los materiales OFET es la inclusión de un sistema de electrones π aromático o conjugado de otro modo , lo que facilita la deslocalización de las funciones de onda orbitales. Se pueden unir grupos aceptores de electrones o grupos donadores que faciliten el transporte de huecos o electrones.
Se han informado OFET que emplean muchos materiales aromáticos y conjugados como capa semiconductora activa, incluidas moléculas pequeñas como rubreno , tetraceno , pentaceno , diindenoperileno , perilendiimidas, tetracianoquinodimetano (TCNQ) y polímeros como politiofenos (especialmente poli (3-hexiltiofeno) ( P3HT)), polifluoreno , polidiacetileno , poli(2,5-tienilenvinileno), poli(p-fenilenvinileno) (PPV).
El campo es muy activo, y semanalmente se publican compuestos recientemente sintetizados y probados en destacadas revistas de investigación. Existen muchos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales. [16] [17] [18] [19] [20]
Los OFET basados en Rubreno muestran la mayor movilidad del portador, 20–40 cm 2 /(V·s). Otro material OFET popular es el pentaceno, que se utiliza desde la década de 1980, pero con movilidades de 10 a 100 veces menores (dependiendo del sustrato) que el rubreno. [20] El principal problema del pentaceno, así como de muchos otros conductores orgánicos, es su rápida oxidación en el aire para formar pentaceno-quinona. Sin embargo, si el pentaceno se preoxida y la pentacenoquinona así formada se utiliza como aislante de 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 producen 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 hexametilentetratiafulvaleno monocristalino (HMTTF) cultivado en solución o mediante transporte de vapor. El voltaje de ENCENDIDO/APAGADO es diferente para los dispositivos cultivados mediante esas dos técnicas, presumiblemente debido a las mayores temperaturas de procesamiento utilizadas en el transporte de vapor. [dieciséis]
Todos los dispositivos mencionados anteriormente se basan en conductividad tipo p. Los OFET de tipo N aún están poco desarrollados. Suelen estar basados en perilendiimidas o fullerenos o sus derivados, y muestran movilidades electrónicas inferiores a 2 cm 2 /(V·s). [17]
Tres componentes esenciales de los transistores de efecto de campo son la fuente, el drenaje y la compuerta. Los transistores de efecto de campo suelen funcionar como un condensador . Están compuestos por dos placas. Una placa funciona como canal conductor entre dos contactos óhmicos , que se denominan contactos de fuente y drenaje. La otra placa funciona 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 drenaje. [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 se aísla la puerta 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). , huecos en un dispositivo de canal p y electrones y huecos en un dispositivo de doble inyección).
Clasificados según las propiedades de la portadora, en la Figura 1 se muestran esquemáticamente tres tipos de FET. [22] Son MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), MESFET (transistor de efecto de campo semiconductor de metal) y TFT ( transistor de película delgada).
El FET más destacado y ampliamente utilizado en la microelectrónica moderna es el MOSFET (FET semiconductor de óxido metálico). Hay diferentes tipos en esta categoría, como MISFET (transistor de efecto de campo semiconductor-aislador metálico) 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 compuerta está separada del canal por una capa de aislante. Si no se aplica ninguna polarización (diferencia de potencial) en la puerta, la flexión de la banda se induce debido a la diferencia de energía entre 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 una polarización positiva 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 queda sin agujeros. Entonces se forma la región empobrecida. Con una polarización positiva aún mayor, la curvatura de la banda se vuelve tan grande que el nivel de Fermi en la interfaz del semiconductor y el aislante se vuelve más cercano 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]
El segundo tipo de dispositivo se describe en la figura 1b. La única diferencia entre este y 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 tipo n con un 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 porción del canal no se agota y, por lo tanto, conduce al paso de una corriente con un voltaje de puerta cero.
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 existe una región de agotamiento para separar el dispositivo del sustrato. Si hay polarización cero, los electrones son expulsados de la superficie debido a la diferencia de energía del nivel de Fermi entre el 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 provoca la flexión del semiconductor en sentido opuesto y provoca 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 (como se muestra en la Figura 2).
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 en los 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 0,5–1 cm 2 V −1 s −1 y relaciones de corriente ON/OFF (que indican la capacidad del dispositivo cerrar) de 10 6 –10 8 , ha mejorado significativamente. Actualmente, se han calculado valores de movilidad OFET de película delgada de 5 cm 2 V −1 s −1 en el caso de moléculas pequeñas depositadas al vacío [24] y 0,6 cm 2 V −1 s −1 para polímeros procesados en solución [25]. 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 un OFET se pueden depositar y modelar a temperatura ambiente mediante una combinación de procesamiento de solución de bajo costo e impresión de escritura directa, lo que los hace ideales para la realización de procesos de bajo costo. Funciones electrónicas de gran superficie sobre sustratos flexibles. [26]
El silicio oxidado térmicamente es un sustrato tradicional para los OFET donde el dióxido de silicio sirve como aislante de puerta. La capa FET activa generalmente se deposita sobre este sustrato mediante (i) evaporación térmica, (ii) recubrimiento de 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 relativamente pobre del transistor. Se conocen numerosas variaciones de la técnica de recubrimiento en solución (ii), incluido el recubrimiento por inmersión , el recubrimiento por rotación , la impresión por inyección de tinta y la serigrafía . 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, aunque es más tedioso. El espesor del óxido de puerta y de la capa activa es inferior a un micrómetro. [dieciséis]
El transporte de portadores en OFET es específico para la propagación de portadores bidimensionales (2D) a través del dispositivo. Para este estudio se utilizaron varias técnicas experimentales, como el experimento de Haynes-Shockley sobre los tiempos de tránsito de portadores inyectados, el experimento de tiempo de vuelo (TOF) [27] para determinar la movilidad de los portadores, el experimento de propagación de ondas de presión para sondear electricidad -distribución de campo en aisladores, experimento de monocapa orgánica para sondear cambios dipolares de orientación, generación óptica de segundos armónicos resueltos en el tiempo (TRM-SHG), etc. Mientras que los portadores se propagan a través de OFET policristalinos de manera similar a la difusión (limitada por trampa), [28 ] se mueven a través de la banda de conducción en los mejores OFET monocristalinos. [dieciséis]
El parámetro más importante del transporte de transportistas OFET es la movilidad del transportista. Su evolución a lo largo de los años de investigación de OFET se muestra en el gráfico para OFET policristalinos y monocristalinos. 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 de los OFET policristalinos es comparable a la del a-Si, mientras que la movilidad de los OFET basados en rubreno (20–40 cm 2 /(V·s)) se aproxima 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 de investigación activo. Fishchuk et al. han desarrollado un modelo analítico de movilidad de portadores en OFET que tiene en cuenta la densidad de portadores y el efecto polarón . [29]
Si bien la densidad promedio de la portadora generalmente se calcula en función del voltaje de la puerta cuando se usa como entrada para los modelos de movilidad de la portadora, [30] se ha demostrado que la espectroscopia de reflectancia de amplitud modulada (MARS) proporciona un mapa espacial de la densidad de la portadora a través de un canal OFET. [31]
Debido a que una corriente eléctrica fluye a través de dicho transistor, se puede utilizar como dispositivo emisor de luz, integrando así la modulación de corriente y la emisión de luz. En 2003, un grupo alemán presentó el primer transistor orgánico de efecto de campo emisor de luz (OLET). [32] La estructura del dispositivo comprende electrodos de fuente y drenaje de oro interdigitados y una película delgada de tetraceno policristalino . En esta capa se inyectan tanto cargas positivas ( huecos ) como cargas negativas ( electrones ) desde los contactos de oro, lo que provoca la electroluminiscencia del tetraceno.