Чтобы удовлетворить растущий спрос на гибкие и носимые электронные устройства — от смарт-часов до биомедицинских сенсоров, — инженеры ищут транзисторы, способные сочетать высокую производительность с механической гибкостью и низким энергопотреблением.
Тонкоплёночные транзисторы (ТПТ), основанные на многослойных структурах из проводящих, полупроводниковых и изолирующих материалов, уже стали основой гибких дисплеев и сенсоров большой площади. Однако их энергоэффективность до сих пор ограничивалась термоэлектронным пределом — теоретическим минимумом 60 мВ/декаду при комнатной температуре, определяющим, насколько эффективно транзистор может переключаться между состояниями «вкл» и «выкл».
Исследователи из Университета Сучжоу представили в журнале Nature Electronics новый тип органического тонкоплёночного туннельного транзистора (ОТПТ), который преодолевает это фундаментальное ограничение. Устройство демонстрирует подпороговый размах (SS) всего 24,2 ± 5,6 мВ/декаду, что почти в три раза ниже термодинамического порога, и обеспечивает рекордно высокую эффективность усиления сигнала — до 101,2 ± 28,3 С А⁻¹.
«Обычные органические тонкоплёночные транзисторы ограничены термоэлектронной эмиссией, что приводит к избыточному рассеянию энергии при переключении. Мы предложили способ преодолеть этот барьер с помощью межзонного туннелирования», — пояснил руководитель исследования Цзяньшэн Цзе.
Ключевое новшество заключается в создании гибридного гетероперехода между неорганическим и органическим источниками. В конструкции устройства используется триоксид молибдена (MoO₃) — оксид металла с широкой запрещённой зоной — и органический полупроводник C8-BTBT (2,7-диоктил[1]-бензотиено[3,2-b][1]бензотиофен). Такая комбинация формирует «разрывное выравнивание» зон, при котором HOMO-уровень C8-BTBT расположен выше зоны проводимости MoO₃, что способствует межзонному туннелированию при сверхнизком напряжении.
Кроме того, введение молекулярного разделительного слоя (BPE-PDCTI) позволило ослабить эффект закрепления уровня Ферми и дополнительно снизить высоту туннельного барьера. В результате устройство демонстрирует исключительную энергоэффективность при малых напряжениях питания.
«Наши ОТПТ преодолевают фундаментальный термический предел, который десятилетиями сдерживал развитие энергоэффективных транзисторов. Это открытие закладывает основу для нового поколения сверхэкономичных устройств — от имплантируемых биосенсоров до автономных узлов Интернета вещей», — отметил Цзе.
Технология органических туннельных транзисторов совместима с существующими методами производства и может быть масштабирована для массового выпуска. Исследователи прогнозируют, что она найдёт применение в биомедицинских трекерах, экологических сенсорах и нейроморфных вычислительных системах, имитирующих работу мозга.
«Ключевое новшество заключается в конструкции гибридного гетероперехода между неорганическим и органическим источниками», — объяснил ученый.. — «Мы соединили триоксид молибдена (MoO3), неорганический оксид металла с широкой запрещённой зоной, с монокристаллической тонкой плёнкой 2,7-диоктил[1]-бензотиено[3,2-b][1]бензотиофена (C8-BTBT), которая имеет относительно низкий энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО). Это создает выравнивание с «разрывным зазором», при котором HOMO C8-BTBT лежит выше зоны проводимости (CB) MoO3 «.
Конфигурация транзистора команды приводит к резкому обрыву хвоста термически возбуждённых носителей, исходящих из источника MoO3. Это, в свою очередь, эффективно подавляет классические процессы термоэлектронной эмиссии, делая межзонное туннелирование доминирующим механизмом инжекции носителей.
«Кроме того, за счёт введения молекулярного разделительного слоя (BPE-PDCTI) на границе раздела гетероструктур удалось эффективно ослабить эффект закрепления уровня Ферми и ещё больше снизить высоту туннельного барьера», — сказал Цзе.
«Такая стратегическая конструкция позволяет устройству инициировать межполосное туннелирование при чрезвычайно низком напряжении питания. В результате наши OTFTT преодолели термоионный предел в 60 мВ на декаду-1, достигнув самого низкого значения в 24,2 ± 5,6 мВ на декаду-1 среди существующих технологий тонкоплёночных транзисторов, а также рекордно высокой эффективности усиления сигнала в 101,2 ± 28,3 С А-1».
«Наши ОТПТ преодолевают фундаментальный термический предел — давний теоретический потолок для сверхпроводников (60 мВ на декаду при комнатной температуре), который десятилетиями ограничивал энергоэффективность обычных тонкопленочных транзисторов», — сказал Цзе. — «Это открытие не только расширяет границы возможностей органической электроники, но и позволяет создать новый класс устройств со сверхнизким энергопотреблением. Практическое применение имеет большое значение. Наши органические тонкоплёночные транзисторы идеально подходят для устройств с ограниченным энергопотреблением, таких как носимые медицинские мониторы, имплантируемые биосенсоры и автономные узлы Интернета вещей».
Примечательно, что технология ОТПТ , разработанная Цзе и его коллегами, совместима с существующими стратегиями обработки и производства электроники. В будущем её можно будет усовершенствовать и использовать для разработки широкого спектра высокоточных сенсорных устройств, в том числе трекеров для диагностики или мониторинга определённых заболеваний, систем мониторинга окружающей среды и нейроморфного (на основе принципов работы мозга) вычислительного оборудования.
Источник: https://russianelectronics.ru/razrabotan-organicheskij-tonkoplyonochnyj-tunnelnyj-tranzistor-dlya-no...Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
