晶體管是數字電路的組成部分——它們可以用來放大信號，或者通過控制電荷載流子的電流在“開”和“關”狀態之間切換，這些電荷載流子要么是電子，要么是它們的正對應物（空穴）， 或兩者都有。雙極結型晶體管是一種特殊類型的晶體管，它使用兩種類型的載流子，特別適用于大功率和高頻應用。這種設備通常由無機材料制成，但如果改用有機半導體將能夠獲得廣泛的材料庫，從而為靈活和透明的電子產品打開大門。
雙極結型晶體管由三個端子組成——發射極、基極和集電極，中間由半導體材料制成的結隔開。半導體要么是p型（對于正極，因為它們的空穴濃度高于它們的電子濃度）要么是n型（對于負極），并且以“pnp”配置或“npn”配置交替排列。與無機半導體相比，有機半導體中電荷載流子的遷移率較低，因此有機雙極結型晶體管以前從沒有嘗試過。對于無機材料（例如硅）來說，實現高遷移率很簡單，但對于有機材料來說很難。盡管如此，自從1980年代首次制造出有機晶體管、有機太陽能電池和有機發光二極管 (OLED) 以來，有機電子領域特別是 OLED 顯示行業取得了巨大進展。有機半導體的優勢和瓶頸決定了被研究和商業化的設備的設計。
關鍵問題
有機半導體應用的主要挑戰是通過設計對多數和少數載流子具有高遷移率的有機材料來制造功能性雙極結型晶體管。與無機半導體相比，有機半導體組成雙極結晶體管還存在以下關鍵問題：
1. 載流子遷移率低：有機材料的低遷移率特性部分源于缺乏結晶順序。有機半導體中的載流子為極化子和雙極化子,而且輸運多為分子間躍遷的模式,這導致有機半導體載流子遷移率很低。
2. 載流子遷移率不平衡：少數載流子的遷移率（在器件中比帶相反電荷的對應物少）通常遠小于多數載流子的遷移率。這種遷移率不平衡可以在有機場效應單極晶體管中得到解決，僅使用一種類型的電荷載流子并以累積模式運行。雖然這種單極晶體管可以解決載流子遷移率不平衡的問題，但它也犧牲了與無機場效應晶體管相關的性能。
3. 有機場效應晶體管高頻應用效果差：具有改進材料性能的分子和聚合物的發展導致有機材料在遷移率方面經常超過非晶硅，但有機場效應晶體管的性能對于高頻應用仍然不能令人滿意。這需要減少電荷載流子行進的距離以提高其性能，但這對于水平設計的傳統有機場效應晶體管具有挑戰性。
4. 尋求合適的材料和器件配制：實現有機雙極晶體管的一個關鍵是找到合適的材料和器件配置，以允許n型和p型摻雜，具有超過1 cm2V-1 s-1的遷移率，允許平衡的空穴和電子傳輸，希望目前未知的少數載流子擴散長度足夠高以允許載流子通過基礎層，同時允許足夠薄的基極保持在定義的電位，以允許發射極-集電極電流控制。
新思路
有鑒于此，德國德累斯頓工業大學Karl Leo等人利用厚度約20nm的具有高結晶有序度的p型和n型紅熒烯薄膜，采用以前從未被描述的垂直架構制備了具有優異器件性能的有機雙極晶體管。該器件具有高差分放大（超過100）和優于傳統器件的高頻性能。這些雙極晶體管還可以深入了解少數載流子擴散長度這是有機半導體的一個關鍵參數。該結果為具有更快開關速度的高性能有機電子器件的新概念打開了大門。
技術方案：
1、實現了高轉換頻率的晶體管器件
作者估計了設備的轉換頻率——一個表征晶體管速度的量——并發現它是1.6 GHz（1 GHz 是 109Hz）。該值遠高于有機場效應晶體管的記錄轉換頻率，垂直配置的器件為40MHz，水平配置的器件為160 MHz。然而，過渡頻率是間接評估的，因此需要進一步的工作來直接估計此類器件的指標和品質因數，并確定結晶有機雙極結晶體管是否適用于高頻應用。
2、拓展晶體管用于測量半導體特性
除了擴大有機設備的產品組合外，作者表明他們的晶體管可用于測量稱為少數載流子擴散長度的半導體特性，該特性以前沒有在有機半導體中進行過探測。該指標定義了少數載流子在與相反電荷的載流子重新結合之前可以行進的距離，是優化雙極結型晶體管效率的關鍵參數。本研究表明，有機雙極結型晶體管可能會提供一種獲取這一基本參數的方法，從而更好地了解這些材料并增強現有技術。
技術優勢：
1. 首次創建垂直構架
傳統的水平設計有機場效應晶體管很難實現減少電荷載流子行進的距離以提高其性能。本工作采用前所未有的垂直構建制備了基于n 型和 p 型摻雜紅熒烯的晶體薄膜的有機雙極結晶體管（OBJT）。與普通的爐內生長單晶相比，這些薄膜是直接在基板表面制成的，可用于大規模生產。
2. 實現了創紀錄的高垂直電荷載流子遷移率
展示使超快二極管器件能夠在千兆赫茲范圍內運行的創紀錄的高垂直電荷載流子遷移率，證明了這種高度有序薄膜的出色器件潛力。在這里，證明了基于結晶紅熒烯薄膜的OBJT為實現千兆赫有機電子學提供了一條有希望的途徑。
3. 可用于解析有機半導體參數
本工作的OBJT 基于高度結晶的紅熒烯薄膜晶體，不僅為超高頻有機晶體管提供了一條有希望的途徑，而且還允許研究重要的基本物理參數，例如估計約為 50 nm的少數載流子擴散長度紅熒烯晶體的摻雜濃度為5 wt%。
技術細節
開發OBJT
使用這些高度結晶的摻雜薄膜生產了一個 OBJT。器件的底部是垂直堆疊矩形發射電極，中間是指狀結構的基極電極和矩形集電極（頂部）電極。最終器件是pnp型，具有n型摻雜基極，因為p型少數擴散長度會由于更高的遷移率而更高。與有機二極管類器件一樣，在p和n摻雜薄膜之間添加本征薄膜以改善反向泄漏行為，最終形成pinip結構。發射極和集電極由金制成，以促進有效的空穴注入，而基極由鋁制成，以更好地注入電子。在基極的發射極側添加了一層n摻雜的C60薄膜，以進一步促進電子注入?？梢栽诨鶚O頂部添加額外的本征和弱摻雜材料層，以最大程度地減少基極-集電極泄漏。在這里，正交晶體被成功地用于 OBJT，因為它們具有各向同性的電荷傳輸特性。
作者首先研究一種基于斜方晶球晶體的器件，在基電極頂部沉積了更多的阻擋層。分別研究基極-發射極二極管、基極-集電極二極管和發射極-集電極 pinip 結構，以檢查組件級別的功能。正如預期的那樣，從發射極到集電極的直流電流是完全對稱的，這個電流大大高于通過二極管本身的電流。還研究了一種基于正交小片晶體的器件，在基電極頂部不使用阻擋層，。器件在低電流下的晶體管操作降低了，因為基極偏置的變化和二極管寄生電流的變化過度補償了任何基于擴散的放大。然而，在基極電流較高時，輸出集電極電流大幅增加，晶體管明顯顯示出大信號放大，雖然只是中等值。在高基極電流下的不穩定行為可能是由器件中的高電流密度引起的，這接近于自熱效應的開始。因此，在基于摻雜紅熒烯晶體的 OBJT 器件中，可以觀察到差分和絕對電流放大。
OBJT的TCAD模擬
作者執行技術計算機輔助設計 (TCAD) 模擬，以探究OBJT器件中的電荷傳輸和優化器件幾何形狀的設計規則。模擬基于顯示大信號放大的設備堆棧，制作的器件和實驗數據作為校準TCAD模擬器的參考。各個組件的IV特性在校準的模擬結果和測量數據之間顯示出良好的一致性，從而證實了器件操作的可行性。基于校準的TCAD、靜電勢、電場、載流子密度和電流，模擬和提取不同偏置條件和幾何形狀的分布。仿真提供了對晶體管關鍵參數（基極的指狀設計）的洞察，并提供了最佳數值?？傮w而言，仿真證實了具有差分和大信號放大的 OBJT 的操作。此外，為如何進一步改進設備提供了明確的設計指南。
OBJT的運算速度
對于任何類型的晶體管來說，最重要的動態性能參數是單位增益截止頻率。直接測量這個量需要足夠的大信號放大和操作穩定性。在本文的OBJT中，僅在施加的最高偏置下獲得大信號放大，這導致操作行為不穩定。作者通過評估系統的電阻-電容時間來合理地估計最大運行速度。與FET的計算類似，使用靜態特性以轉換頻率的形式估計最大運行速度。直接躍遷頻率測量與文獻中的跨導/電容估計之間的高度一致性證實了能夠估計OBJTs的頻率響應。該OBJT具有1.6 GHz的轉換頻率，這與單個基于紅熒烯的二極管的運行速度相似，因此提供了比當前有機晶體管技術水平高出一大步（10-40 倍）。OBJT 具有優勢的兩個原因是：1.與大多數 OSC 相比，具有更高遷移率的高結晶薄膜；2.與垂直雙極結晶體管設計相關的器件的超低電容。
少數載流子擴散長度
這里測量的放大率并不代表晶體管本身的本征放大率，而是作為電路的器件的本征放大率。放大的觀察證明少數載流子通過基極擴散，對于具有1 wt%基極摻雜的器件，少數擴散長度至少為20 nm。此外，通過實驗改變了摻雜的性質和堿基的結構，基極摻雜從 1 wt% 增加到 5 wt% 和基極層厚度的增加都大大降低了電流放大。OBJT對基極厚度和摻雜濃度的強烈依賴性與少數載流子擴散操作有關，這與基于大多數載流子傳輸的有機可滲透基極晶體管操作形成鮮明對比。在這些測量的基礎上，通過擬合經典的雙極躍遷關系以及校準的 TCAD 模擬，估計空穴通過n摻雜紅熒烯的擴散長度約為50 nm。
展望
總之，本文展示了一個功能性OBJT，提供了有機晶體管路線圖上缺失的一塊拼圖。本工作的OBJT 基于高度結晶的紅熒烯薄膜晶體，不僅為超高頻有機晶體管提供了一條有希望的途徑，而且還允許研究重要的基本物理參數，例如估計約為 50 nm 的少數載流子擴散長度紅熒烯晶體的摻雜濃度為5 wt%。這些結果將為下一代高性能有機電子器件鋪平了道路，并為理解高遷移率 OSC 中的載流子擴散物理提供了工具。隨著晶體薄膜質量的提高，一些通常與有機半導體相關的限制可能會被解除。正如本工作中有機雙極結晶體管所示，這一進展拓寬了在晶體有機電子新興時代基于有機技術的視野。此類設備可實現的高速切換將允許探索長期以來被認為是有機電子學無法實現的技術，例如千兆赫電子學。
