Полимерные транзисторы

Что мы знаем о транзисторах?

Первый транзистор был сконструирован в 1947 году Дж. Бардином и У. Браттейном в США. Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером). Когда разработанное устройство было запатентовано, предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductortriode), «SolidTriode», «SurfaceStatesTriode», «кристаллический триод» (crystaltriode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor, образовано от слов transfer — передача и resist — сопротивление), предложенное Джоном Пирсом (JohnR.Pierce), победило во внутреннем голосовании.[1]

Классификация транзисторов проводится по самым разным критериям:

• по структуре (биполярные, полевые, однопереходные и криогенные);

• по мощности (маломощные, среднемощные, мощные);

• по исполнению (дискретные, корпусные, бескорпусные, в составе интегральных схем);

• по материалу (металл, пластик, полимеры);

И еще два особенных типа: одноэлектронный и биотранзистор.

Полимерные транзисторы - шаг в будущее

Мы уже давно перестали удивляться применению самой разнообразной органики в составе полупроводниковых устройств. Взять те же дисплеи и телевизоры на базе органических светоизлучающих диодов (OLED, Organiclight-emittingDiode).

Транзисторы - фундаментальные блоки в современных электронных устройствах, до сих пор традиционно производят из кремния. Тогда как новые полимерные транзисторы значительно легче и их производство более дешево, чем кремниевых аналогов. Поэтому из полимеров можно выпускать гибкие изделия, например ультратонкие, гибкие портативные компьютеры, которые невозможно сделать из кремния.

На данный момент нам известны полимерные транзисторы на основе: бумаги; пластика; галлия, мышьяка, индия (спиновые); нанотрубок и др.

Первый полевой транзистор на основе полиацитилена (ПА) был создан в 1980 гг., его структура и характеристики показаны на рис.1 Он состоял из неорганических контактов, оксидного слоя, полупроводниковым слоем был транс ПА р-типа. Для первого транзистора значения подвижности инжектированных носителей(&#;) были достаточно малы &#;~10-⁴-10-² см²/В сек и частота переключения ~&#;/L² (где L-длина канала) составляла 100 кГц.

Рис.1 Полевой транзистор на основе полиацетилена, его ВАХ и спектр поглощения в зависимости от смещения

Особенностью данного транзистора является его способность модулировать оптическое пропускание (поскольку при инжекции дырок возникает солитонная полоса поглощения).

Спиновые полимерные транзисторы

В последние годы всё более широкое применение находят полупроводниковые светодиоды на основе галлия, мышьяка, индия и других элементов.

В 2004 году другая группа физиков университета Юты добилась успеха в создании первого органического "спинового вентиля", с помощью которого можно управлять электрическим током. В новом исследовании была продемонстрирована возможность создания на основе органических полимеров спиновых транзисторов и выполнения операций по манипулированию информацией, ассоциированной со спинами (двум спиновым состояниям соответствуют "0" и "1" в обычной микроэлектронике).[2]

В экспериментах был использован органический полупроводниковый светодиод в форме пластины полимера MEH-PPV размерами примерно 0,2x0,3 см на стеклянной подложке. Затем полимер облучался наносекундными импульсами для упорядочивания спинов электронно-дырочных пар. Оказалось, что спины таких пар ритмически осциллируют между триплетными (суммарный спин 1) и синглетными (суммарный спин 0) состояниями с периодом в полмикросекунды. Именно этот процесс препятствует повышению эффективности органических светодиодов, но он и открывает возможности для управления токами в спиновых транзисторах.[2]

Учёные предполагают, что применение полимерных спиновых транзисторов в компьютерных чипах позволит увеличить их производительность в десятки раз.

Печать пластиковых транзисторов

Современные чипы делают с помощью фотолитографии. Это высокоточное производство весьма дорогостоящее. (Современный завод по производству чипов обходится в полтора-два миллиарда долларов.) Сначала кремниевая «вафля» покрывается слоем полимера, который является фоторезистентным. Затем на него накладывается «маска», являющаяся матрицей первого слоя всей будущей цепи. Ультрафиолетовые лучи «вырезают» кусочки фоторезистентного слоя, и все лишнее затем удаляется с помощью растворителя (что делает производство экологически крайне неблагоприятным). После обмыва «вафли» водой она помещается в печь, чтобы оставшийся резистентный материал запекся, после чего на него наносится слой проводящего материала.[3]

Уже давно инженеры поняли, что гораздо дешевле и удобнее не «вырезать» микросхемы, а «печатать» их, имея в распоряжении проводящие ток полимеры.

Однако большинство разработок в этой области обычно "упирается" или в несовершенство собственно полупроводников – например, по причине их ограниченного срока "жизни", или в несовершенство технологии массового производства. Или дороговизну и сложность организации такого производства.

Ученые создали устройство для решения проблемы на основе работы обычного струйного принтера (Рис.2).

Рис.2 Устройство, «печатающее» транзисторы, головка которого движется влево и вправо (а), и транзистор в разрезе (б):

1 – водоотталкивающий полиимид;

2 – полупроводящий пластик;

3 – электроды;

4 – изолирующий пластик

С использованием этого принципа на поверхность наносится рисунок будущих полимерных транзисторов. Для этого поверхность стекла покрывается водоотталкивающим (гидрофобным) полиимидом, после чего в его толще фотолитографически вырезаются до поверхности стекла лунки, в которых и идет «печатание» электродов.[3]

Сначала в лунки заливаются электроды в виде водорастворимых полимерных электропроводных «чернил» (по терминологии из производства струйных принтеров). Затем электроды в полиимиде обливаются сплошным слоем полупроводящего пластика. Чтобы полупроводник имел тонкий равномерный слой, растекание обеспечивается вращением блока со скоростью 5000 оборотов в минуту. Толщина слоя полупроводника при этом составляет не более 30 нанометров. Далее остается только нанести изолирующий пластиковый слой с использованием все того же вращения и сделать заключительный «мазок» в виде капли, которая представляет собой третий (базовый) электрод.[3]

Но и это не единственное решение.

Пластиковые транзисторы в фонтанах ультрафиолета

Да, мы не опечатались. Ибо гибкие полимерные транзисторы, к тому же создаваемые с помощью простейшего ультрафиолета – фантастика, ставшая реальностью.

Группа учёных из Школы химического и биологического инжиниринга (SchoolofChemicalandBiologicalEngineering) при южнокорейском Национальном Университете в Сеуле (SeoulNationalUniversityinKorea) утверждают, что им удалось обойти все сложности на пути массовой коммерциализации полностью полимерных транзисторов. Применённая в процессе получения гибких полимерных полупроводников технология печати с помощью ультрафиолета позволяет работать с субмикронными структурами полимеров без привлечения традиционных в таком случае факторов вроде нагрева или давления. Более того, печать с помощью ультрафиолета также позволяет формировать самосовмещённые затворы транзисторов, что позволяет финализировать процесс создания полупроводников на гибкой основе с помощью простого способа "ротационной" печати (Рис.3).

Рис.3 схематическая последовательность создания полимерных транзисторов с помощью ультрафиолета

Для начала создаётся шаблон из полидиметилсилоксана (Polydimethylsiloxane, PDMS), покрытый полимером из группы полиэтиленов PEDOT/PSS. Интересен он оптической прозрачностью и электрической проводимостью. Далее шаблон накладывается (а) на гибкую полиэтиленовую (или стеклянную) подложку, покрытую слоем светоотверждающейся форполимерной жидкости под названием poly (urethaneacrylate), или просто PUA, и далее облучается ультрафиолетовым (b) светом с длиной волны порядка 250–360 нм на протяжении 20 минут.

После снятия шаблона (c), слои из токопроводящего PEDOT-полимера, формирующие сток-исток будущего транзистора, остаются на подложке. Последующий активный слой и слой диэлектрика (d) формируются обычным методом центрифугирования поверх уровня стока-истока. Далее - используя стеклянную подложку с PEDOT-покрытием и метод контактной печати на слое диэлектрика, создают уровень самосовмещённого затвора.

На самом деле, конечно, в процессе приходится прибегать к различным дополнительным хитростям, например, совмещать полимеры с гидрофобными и гидрофильными свойствами. Суть, впрочем, не в этом, ибо все эти хитрости достаточно легко масштабируются на промышленное производство. Суть в том, что для формирования полупроводникового транзистора на гибкой органической подложке по методике южнокорейских учёных совершенно не требуется применение каких-либо дорогостоящих компонентов, равно как и дополнительных физических воздействий вроде давления или повышенной температуры. Только ультрафиолет.

Характеристики получаемых в результате полностью полимерных транзисторов приведены на графике ниже(Рис.4); верхний график – это передаточные характеристики при напряжении на стоке −70В, нижний – выходные характеристики при разных уровнях напряжений на затворе. Длина и ширина канала при этом составляют порядка 10 мкм и 1 мм соответственно.

Электрические характеристики полученных с помощью ультрафиолетового облучения полностью полимерных транзисторов, по словам учёных, столь же хороши, как и уполупроводников, изготовленных на традиционных негибких подложках.

Бумажный транзистор — миф или реальность?

Мы уже давно перестали удивляться применению самой разнообразной органики в составе полупроводниковых устройств. Взять те же дисплеи и телевизоры на базе органических светоизлучающих диодов (OLED, Organiclight-emittingDiode). Но удивительная вещь даже по нашим диковинным временам - это транзистор из… бумаги.

Рис.5

Бумага в основном состоит из целлюлозы, а целлюлоза, в свою очередь, является самым распространенным биополимером на планете.

Бумага, используемая для создания "бумажной памяти", представляет собой волокна древесины сосны и полиэстера, смешанные вместе и закреплённые ионообменным композитом (Рис.5). Далее с помощью магнетронного распыления на полученный носитель с двух сторон наносится окись цинка с примесью галлия и индия. В результате получается тонкоплёночный полупроводниковый транзистор, где бумага играет роль подложки и одновременно слоя "бумажного" диэлектрика. Пороговое напряжение такого ZnO-TFT полевого транзистора составляет порядка 19В, a дрейфовая подвижность достаточно высока – до 28 см²/В*с (cm2/Vs, сантиметров в квадрате на вольт-секунду), при этом размах напряжения управления затвором составляет 1,39В на декаду и соответствующее коэффициент переключения - 3x105. [4]

Интересно также заметить, что светопропускание такого материала (включая свойства подложки) составляет порядка 80% в видимой части спектра. Иными словами, полупроводниковая бумага ещё и практически прозрачна. [4]

Бумажные транзисторы потенциально дешевле обычных, что позволяет производить их большими партиями. Кроме того, в перспективе они могут использоваться для внедрения устройств везде, где применяется бумага. По словам исследователей, новые транзисторы пригодятся в создании бумажных дисплеев, электронных наклеек на багаж, радиометок, "умной" упаковки и так далее, включая применение в биотехнологии.

Итогом проекта может стать получение патента на базовые модули схемотехники – логические инвертирующие элементы, генераторы, универсальные логические вентили (NAND и NOR), которые лягут в основу электроники будущего – органической электроники, где ключевые элементы транзисторов – сток, исток, затвор, диэлектрик, канал, выполнены на базе органики. [4]

Все это относится к разряду так называемой одноразовой или расходной электронике (disposableelectronics). Можно предположить, что с распространением этой концепции через пару десятков лет перерабатывать макулатуру станет гораздо труднее, так как в значительную часть бумажных изделий будут встроены электронные компоненты.

Биотранзисторы

Группа Facci’s в 2005 году предложила биотранзистор влажного типа, составленный из металлопротеинов. Металлопротеин имеет окислительно-восстановительную реакцию и естественную передачу электронов между молекулярным донором и акцептором. С тех пор биотранзисторы стали кандидатом для использования в биоэлектронике.

Группа Yang’s в 2006 году развила цифровое устройство памяти, состоящее из вируса табачной мозаики.

В 2006 году ученые из университета Огайо отслеживали изменение структуры молекулы хлорофилла А, выделенного из растений шпината. Затем внесли в нее дополнительный электрон, и смогли создать биологический переключатель, способный принимать четыре различных положения — от полностью вытянутого до скрученного. Ранее уже создали биотранзистор, однако значительно более простой, с 2-мя положениями.

Биотранзистор, использующий в своих интересах некоторые свойства живых систем

Рис.6 Схема бионанотранзистора: тёмно-серая сердцевина – кремниевый проводник, голубым цветом показан двойной липидный слой, фиолетовым – пептидные ионные каналы (иллюстрация ScottDougherty, LLNL).

Авторы новой работы вдохновлялись мембранами клеток, обладающих виртуозными молекулярными механизмами для восприятия и передачи сигналов. В некоторых аспектах эти живые системы превосходят современную электронику. Американцы построили свой транзистор, покрыв кремниевуюнанонить двойным липидным слоем. Он образовал непроницаемый барьер между нанопроводом и окружающим систему раствором.[5]

В биологическую мембрану также встроили молекулы аламетицина. Эти пептиды образовали ионные каналы. Меняя напряжение на устройстве (на затворе), его создатели получили возможность влиять и на транспорт протонов через аламетициновые «ворота», открывая и закрывая эти поры в мембране по желанию, что, в свою очередь, влияло на ток через проводник.[5]

Хотя ранее исследователи уже пробовали соединять живые системы с электронными (например, коммутируя нейроны и живые клетки с микросхемами), никто не осуществлял это в столь малом пространственном масштабе. Создатели бионаноэлектронного устройства полагают, что оно пригодится в биологических исследованиях, в построении медицинских биоэлектронных имплантатов и диагностических систем, а ещё, быть может, в вычислительных машинах будущего.

Первый биопротонный транзистор

Материаловеды Университета Вашингтона разработали принципиально новый транзистор, в котором функции электронов в традиционных полупроводниковых транзисторах выполняют протоны. Создатели нового устройства указывают, что их изобретение значительно упростит интеграцию электронных устройств и живых тканей.

Дело в том, что протоны (и ионы) играют важнейшую роль в биохимических процессах в живых организмах, в частности в передаче энергии, в передаче нервных импульсов и так далее.[6]

«Перед нами всегда стоит одна и та же проблема, один и тот же вопрос, когда заходит речь о [человеко-машинном] интерфейсе: как преобразовать электронный сигнал в ионный и наоборот? – говорит старший преподаватель Университета Вашингтона Марко Роланди, один из руководителей исследований. – Нам удалось обнаружить биоматериал, который очень хорошо проводит протоны и в принципе позволяет создать интерфейс для взаимодействия электроники и живых организмов».

Рис.7 Протонный биотранзистор

Этим материалом оказался хитозан – аминосахарид, в больших количествах содержащийся в панцирях ракообразных. Молекула хитозана содержит в себе большое количество свободных аминогрупп, вследствие чего хитозан легко связывает ионы водорода и приобретает избыточный положительный заряд. Это также объясняет способность хитозана связывать и прочно удерживать ионы различных металлов (в том числе и радиоактивных изотопов, а также токсичных элементов). [6]

Помимо этого хитозан способен образовывать большое количество водородных связей, благодаря чему облегчается перемещение протонов (каковые по сути представляют собой положительно заряженные атомы водорода).

Получившийся у команды Роланди прототип, изготовленный из модифицированного хитозана, представляет собой микроскопическое устройство толщиной всего в 5 микрон, по структуре повторяющее базовый полевой транзистор с затвором, стоком и истоком(Рис7). Только вместо электронов по нему проходят протоны.[6]

«В нашем устройстве крупные биоинспирированные молекулы способны вызывать движение протонов, а протонный поток можно включать и выключать, что полностью аналогично перемещению электронов в любом полевом транзисторе», – заявил Роланди.

На данный момент разработки и производство битранзисторов только набирают обороты, но при этом уже удачно используются в сенсорных элементах, биотехнике, медицине.

Литература:

1. ru.wikipedia.org Википедия-свободная энциклопедия

2. Журнал «Компьютерные вести» №3

3. Журнала "Химия" № 08/2006

4. www.Lenta.ru ,23.07.2008

5. www.membrana.ru

6. www.blogs.computerra.ru