Un transistor de efecto de campo orgánico ( OFT ) es un transistor de efecto de campo que utiliza un semiconductor orgánico en su canal. Los OFET se pueden preparar ya sea por evaporación al vacío de moléculas pequeñas, por fundición 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 área grande y bajo costo y electrónica biodegradable . Los OFET se han fabricado con varias geometrías de dispositivo. La geometría de dispositivo más comúnmente utilizada es la de compuerta inferior con electrodos de drenaje y fuente superiores , porque esta geometría es similar al transistor de silicio de película delgada (TFT) que utiliza SiO2 cultivado térmicamente como dieléctrico de compuerta . Los polímeros orgánicos, como el poli(metil-metacrilato) ( PMMA ), también se pueden utilizar como dieléctrico. [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 biomedicina personalizada y bioelectrónica. [3]
En mayo de 2007, Sony presentó la primera pantalla flexible, a todo color y con velocidad de video, hecha completamente de plástico [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 una fuente y un electrodo de drenaje. El voltaje aplicado en el electrodo de compuerta 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 Frosch y Derrick en 1957, utilizando enmascaramiento y predeposición, pudieron fabricar transistores de dióxido de silicio y demostraron que el dióxido de silicio aislaba, protegía las obleas de silicio y evitaba que los dopantes se difundieran en la oblea. [7] [8] Más tarde, a raíz de esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 [9] y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. [10] [11] Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. [12] [13] También conocido como transistor MOS, el MOSFET es el dispositivo más fabricado en el mundo. [14] [15]
El concepto de transistor de película fina (TFT) fue propuesto por primera vez por John Wallmark , quien en 1957 presentó una patente para un MOSFET de película fina en el que se utilizaba monóxido de germanio como dieléctrico de compuerta. El transistor de película fina fue desarrollado en 1962 por Paul K. Weimer, quien implementó las ideas de Wallmark. [16] El TFT es un tipo especial de MOSFET. [17]
El aumento de los costes de los materiales y de 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 los últimos años. En 1986, los investigadores de Mitsubishi Electric H. Koezuka, A. Tsumura y Tsuneya Ando informaron sobre el primer transistor de efecto de campo orgánico, [18] [19] basado en un polímero de moléculas de tiofeno . [20] El polímero de tiofeno es un tipo de polímero conjugado que puede conducir carga, eliminando la necesidad de utilizar semiconductores de óxido metálico costosos. 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 según el modelo de transistor de película fina (TFT), que permite que los dispositivos utilicen materiales menos conductores en su diseño. En los últimos años se han realizado mejoras en estos modelos en la movilidad de efecto de campo y en las relaciones de corriente de encendido y apagado.
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 atractores de electrones o grupos donantes que facilitan 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-tienileno vinílico), poli(p-fenileno vinílico) (PPV).
El campo es muy activo y se publican semanalmente en importantes revistas de investigación los nuevos compuestos sintetizados y probados. Existen numerosos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales. [21] [22] [23] [24] [25]
Los OFET basados en rubreno muestran la movilidad de portador más alta, 20–40 cm 2 /(V·s). Otro material OFET popular es el pentaceno, que se ha utilizado desde la década de 1980, pero con movilidades de 10 a 100 veces menores (según el sustrato) que el rubreno. [25] 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 se preoxida y la pentaceno-quinona así formada se utiliza como aislante de la compuerta, entonces la movilidad puede acercarse a los valores del rubreno. Esta técnica de oxidación del pentaceno es similar a la oxidación del silicio utilizada en la electrónica de silicio. [21]
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 el hexametilen-tetratiafulvaleno monocristalino cultivado en solución o cultivado por transporte de vapor (HMTTF). El voltaje de encendido/apagado es diferente para los dispositivos cultivados mediante esas dos técnicas, presumiblemente debido a las temperaturas de procesamiento más altas que se utilizan en los cultivos por transporte de vapor. [21]
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 muestran movilidades electrónicas inferiores a 2 cm 2 /(V·s). [22]
Los tres componentes esenciales de los transistores de efecto de campo son la fuente, el drenador y la compuerta. Los transistores de efecto de campo suelen funcionar como un condensador . Están compuestos por dos placas. Una placa funciona como un canal conductor entre dos contactos óhmicos , que se denominan contactos de fuente y drenador. La otra placa funciona para controlar la carga inducida en el canal y se denomina compuerta. La dirección del movimiento de los portadores en el canal es de la fuente al drenador. Por lo tanto, la relación entre estos tres componentes es que la compuerta controla el movimiento de los portadores desde la fuente al drenador. [26]
Cuando se aplica este concepto de condensador al diseño de dispositivos, se pueden construir varios dispositivos en función de las diferencias en el controlador, es decir, la compuerta. Puede tratarse del material de la compuerta, la ubicación de la compuerta con respecto al canal, cómo se aísla la compuerta del canal y qué tipo de portador induce el voltaje de la compuerta en el canal (como electrones en un dispositivo de canal n, huecos en un dispositivo de canal p y tanto electrones como huecos en un dispositivo de inyección doble).
Clasificados por las propiedades del portador, en la Figura 1 se muestran esquemáticamente tres tipos de FET. [27] Son MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor), MESFET (transistor de efecto de campo de metal-semiconductor) y TFT (transistor de película delgada).
El FET más destacado y ampliamente utilizado en la microelectrónica moderna es el MOSFET (metal-oxide-semiconductor FET). Hay diferentes tipos en esta categoría, como MISFET (metal-insulator-semiconductor field-effect transistor), e IGFET (insulated-gate FET). Un esquema de un MISFET se muestra en la Figura 1a. La fuente y el drenador están conectados por un semiconductor y la compuerta está separada del canal por una capa de aislante. Si no hay polarización (diferencia de potencial) aplicada en la compuerta, la flexión de 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 huecos en la interfaz del semiconductor y el aislante. Cuando se aplica una polarización positiva suficiente en el contacto de la compuerta, la banda doblada se vuelve plana. Si se aplica una polarización positiva mayor, se produce la flexión de banda en la dirección opuesta y la región cercana a la interfaz aislante-semiconductor se agota de huecos. Luego se forma la región agotada. En el caso de una polarización positiva aún mayor, la curvatura de la banda se hace 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 que forma una capa de inversión de electrones que proporciona el canal conductor. Finalmente, enciende el dispositivo. [28]
El segundo tipo de dispositivo se describe en la Fig. 1b. La única diferencia entre este y el MISFET es que la fuente y el drenador de tipo n están conectados por una región de tipo n. En este caso, la región de agotamiento se extiende por todo el canal de tipo n con voltaje de compuerta cero en un dispositivo normalmente “apagado” (es similar a la polarización positiva más grande en el caso del MISFET). En el dispositivo normalmente “encendido”, una parte del canal no se agota y, por lo tanto, conduce al paso de una corriente con voltaje de compuerta 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 compuerta de metal. Esta estructura sugiere que no hay una región de agotamiento que separe 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 del semiconductor y el metal. Esto conduce a la flexión de la banda del semiconductor. En este caso, no hay movimiento de portadores 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 sentido opuesto y conduce a la reducción 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).
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 puede 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 para apagarse) de 10 6 –10 8 , ha mejorado significativamente. Actualmente, se han informado valores de movilidad de OFET de película delgada de 5 cm 2 V −1 s −1 en el caso de moléculas pequeñas depositadas al vacío [29] y 0,6 cm 2 V −1 s −1 para polímeros procesados en solución [30] . 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 funciones electrónicas de área grande y de bajo costo sobre sustratos flexibles. [31]
El silicio oxidado térmicamente es un sustrato tradicional para los OFET donde el dióxido de silicio sirve como aislante de la compuerta. La capa activa del FET se deposita normalmente sobre este sustrato mediante (i) evaporación térmica, (ii) recubrimiento a partir 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 relativamente bajo del transistor. Se conocen numerosas variaciones de la técnica de recubrimiento en solución (ii), incluyendo el recubrimiento por inmersión , el recubrimiento por centrifugación , la impresión por inyección de tinta y la serigrafía . La técnica de laminación electrostática se basa en el desprendimiento manual de una capa delgada de un solo cristal orgánico; da como resultado una capa activa monocristalina superior, pero es más tediosa. El espesor del óxido de la compuerta y la capa activa es inferior a un micrómetro. [21]
El transporte de portadores en OFET es específico para la propagación de portadores bidimensionales (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 portadores inyectados, el experimento de tiempo de vuelo (TOF) [32] para la determinación de la movilidad de los portadores, el experimento de propagación de ondas de presión para investigar la distribución del campo eléctrico en aislantes, el experimento de monocapa orgánica para investigar los cambios dipolares orientacionales, la generación de segundos armónicos con resolución temporal óptica (TRM-SHG), etc. Mientras que los portadores se propagan a través de los OFET policristalinos de una manera similar a la difusión (limitada por trampas), [33] se mueven a través de la banda de conducción en los mejores OFET monocristalinos. [21]
El parámetro más importante del transporte de portadores OFET es su movilidad. Su evolución a lo largo de los años de investigación 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 en OFET policristalinos es comparable a la de a-Si, mientras que la movilidad en OFET basados en rubreno (20–40 cm 2 /(V·s)) se acerca a la de los mejores dispositivos de polisilicio. [21]
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 . [34]
Si bien la densidad de portadora promedio generalmente se calcula como función del voltaje de compuerta cuando se utiliza como entrada para modelos de movilidad de portadora, [35] se ha demostrado que la espectroscopia de reflectancia de amplitud modulada (MARS) proporciona un mapa espacial de la densidad de portadora a través de un canal OFET. [36]
Debido a que una corriente eléctrica fluye a través de un transistor de este tipo, 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). [37] La estructura del dispositivo comprende electrodos de fuente y drenaje de oro interdigitados y una película delgada de tetraceno policristalino . Tanto las cargas positivas ( agujeros ) como las cargas negativas ( electrones ) se inyectan desde los contactos de oro en esta capa, lo que produce electroluminiscencia a partir del tetraceno.