Органический транзистор преодолел термоэлектронный предел
Однако энергоэффективность таких транзисторов долгое время оставалась проблемой. Ключевой момент здесь — так называемый термоэлектронный предел. Это теоретический порог, определяющий минимальное напряжение, необходимое транзистору для увеличения электрического тока в 10 раз при комнатной температуре при переключении между состояниями «выключено» и «включено». Для обычных органических тонкоплёночных транзисторов (ОТПТ) этот предел составляет 60 мВ на декаду⁻¹.
Китайские исследователи разработали новый органический тонкоплёночный туннельный транзистор (ОТПТ), работающий ниже данного предела. Их работа была обусловлена стремлением создать высокопроизводительные устройства со сверхнизким энергопотреблением для носимой электроники и интернета вещей (IoT).
В чём суть решения? Вместо механизма термоэлектронной инжекции, характерного для обычных ТПТ, новый транзистор использует межзонное туннелирование — квантово-механический процесс, позволяющий носителям заряда проходить через энергетический барьер при чрезвычайно низком напряжении. Как следствие, эффективность переключения устройств значительно повышается.
Конструктивно новшество реализовано через гибридный гетеропереход между неорганическим и органическим источниками. Команда соединила триоксид молибдена (MoO₃) — неорганический оксид металла с широкой запрещённой зоной — с монокристаллической тонкой плёнкой C8-BTBT. Последний характеризуется относительно низким энергетическим уровнем высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО). Это создаёт выравнивание с «разрывным зазором», при котором HOMO C8-BTBT лежит выше зоны проводимости MoO₃. Дополнительно на границе раздела гетероструктур введён молекулярный разделительный слой (BPE-PDCTI), ослабляющий эффект закрепления уровня Ферми и снижающий высоту туннельного барьера.
Стоит пояснить: данная конфигурация приводит к резкому обрыву хвоста термически возбуждённых носителей, исходящих из источника MoO₃. Классические процессы термоэлектронной эмиссии подавляются, а межзонное туннелирование становится доминирующим механизмом инжекции носителей.
Результаты, опубликованные в Nature Electronics, демонстрируют следующее. Разработанный ОТПТ (органический тонкоплёночный туннельный транзистор) преодолел термоионный предел в 60 мВ на декаду⁻¹, достигнув минимального значения 24,2 ± 5,6 мВ на декаду⁻¹ среди существующих технологий тонкоплёночных транзисторов. Показатель эффективности усиления сигнала составил 101,2 ± 28,3 С А⁻¹.
Что это означает на практике? Технология совместима с существующими стратегиями обработки и производства электроники. Проектирование печатных плат для устройств с ограниченным энергопотреблением получает новый элементный базис. Области применения включают носимые медицинские мониторы, имплантируемые биосенсоры, автономные узлы интернета вещей, а также трекеры для диагностики заболеваний, системы мониторинга окружающей среды и нейроморфное вычислительное оборудование.
По материалам https://russianelectronics.ru