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The invention of the transistor in 1947 by Shockley, Bardeen and Brattain at Bell Laboratories ushered in the age of microelectronics and revolutionized our lives. First, so-called bipolar transistors were invented, in which negative and positive charge carriers contribute to the current transport, unipolar field effect transistors were only added later. The increasing performance due to the scaling of silicon electronics in the nanometer range has immensely accelerated the processing of data. However, this very rigid technology is less suitable for new types of flexible electronic components, such as rollable TV displays or for medical applications on or even in the body.

For such applications, transistors made of organic, i.e. carbon-based semiconductors, have come into focus in recent years. Organic field effect transistors were introduced as early as 1986, but their performance still lags far behind silicon components.

A research group led by Prof. Karl Leo and Dr. Hans Kleemann at the TU Dresden has now succeeded for the first time in demonstrating an organic, highly efficient bipolar transistor. Crucial to this was the use of highly ordered thin organic layers. This new technology is many times faster than previous organic transistors, and for the first time the components have reached operating frequencies in the gigahertz range, i.e. more than a billion switching operations per second. Dr Shu-Jen Wang, who co-led the project with Dr. Michael Sawatzki, explains: "The first realization of the organic bipolar transistor was a great challenge, since we had to create layers of very high quality and new structures. However, the excellent parameters of the component reward these efforts!” Prof. Karl Leo adds: “We have been thinking about this device for 20 years and I am thrilled that we have now been able to demonstrate it with the novel highly ordered layers. The organic bipolar transistor and its potential open up completely new perspectives for organic electronics, since they also make demanding tasks in data processing and transmission possible.” Conceivable future applications are, for example, intelligent patches equipped with sensors that process the sensor data locally and wirelessly communicate to the outside.

Original publication:
„Organic bipolar transistors“, Shu-Jen Wang, Michael Sawatzki, Ghader Darbandy, Felix Talnack, Jörn Vahland, Marc Malfois, Alexander Kloes, Stefan Mannsfeld, Hans Kleemann, Karl Leo. Nature, 22. Juni 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04837-4

Media inquiries:
Prof. Karl Leo
Institute of Applied Physics
karl.leo@tu-dresden.de

[Deutsche Version]

Erster organischer Bipolartransis­tor an der TU Dresden entwickelt

Über 20 Jahre hat Prof. Karl Leo über die Realisierung dieses Bauelements nachgedacht, nun ist es Wirklichkeit geworden: Seine Forschergruppe am Institut für Angewandte Physik der TU Dresden hat den ersten, hocheffizienten organischen Biopolartransistor vorgestellt. Damit eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die organische Elektronik – sowohl in der Datenverarbeitung und –übertragung, als auch in medizintechnischen Anwendungen. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit sind nun in der führenden Fachzeitschrift „Nature“ erschienen.

Die Erfindung des Transistors im Jahre 1947 durch Shockley, Bardeen and Brattain an den Bell Laboratories eröffnete das Zeitalter der Mikroelektronik und hat damit unser Leben revolutioniert. Zunächst wurden sogenannte Bipolar-Transistoren erfunden, bei denen negative und positive Ladungsträger zum Stromtransport beitragen, erst später kamen unipolare Feldeffekt-Transistoren dazu. Die immer größere Leistungsfähigkeit durch die Skalierung der Silizium-Elektronik in den Nanometer-Bereich hat die Verarbeitung von Daten immens beschleunigt. Für neuartige flexible elektronische Bauelemente, wie zum Beispiel aufrollbare Displays oder für medizinische Anwendungen auf oder gar im Körper eignet sich diese sehr starre Technologie jedoch weniger.

Für solche Anwendungen sind in den letzten Jahren Transistoren aus organischen, d.h. auf Kohlenstoff basierenden Halbleitern, in den Fokus gerückt. Bereits 1986 wurden organische Feldeffekttransistoren vorgestellt, ihre Leistungsfähigkeit bleibt jedoch bis heute weit hinter den Silizium-Bauelementen zurück.

Einer Forschergruppe um Prof. Karl Leo und Dr. Hans Kleemann an der TU Dresden gelang es nun erstmals, einen organischen, hocheffizienten Bipolartransistor zu demonstrieren. Entscheidend dafür war der Einsatz hoch geordneter dünner organischer Schichten. Diese neue Technologie ist um ein Vielfaches schneller als bisherige organische Transistoren und die Bauelemente erreichen erstmals Arbeitsfrequenzen im Gigahertz-Bereich, also mehr als eine Milliarde Schaltvorgänge pro Sekunde. Dr. Shu-Jen Wang, der das Projekt gemeinsam mit Dr. Michael Sawatzki maßgeblich vorantrieb, erklärt: „Die erste Realisierung des organischen Bipolartransistors war eine große Herausforderung, da wir Schichten von sehr hoher Qualität und neuartige Strukturen realisieren mussten. Die exzellenten Parameter des Bauelements belohnen jedoch diese Mühen!“ Prof. Dr. Karl Leo ergänzt: „Wir haben 20 Jahre über dieses Bauelement nachgedacht, und ich bin begeistert, dass wir es mit den neuartigen hoch geordneten Schichten nun demonstrieren konnten. Mit dem organischen Bipolartransistor und seinem Potenzial eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die organische Elektronik, da damit auch anspruchsvolle Aufgaben in Datenverarbeitung und -übertragung möglich werden.“ Denkbare zukünftige Anwendungen sind zum Beispiel mit Sensoren versehene intelligente Pflaster, die die Sensordaten lokal verarbeiten und drahtlos nach außen kommunizieren.

Originalpublikation:
„Organic bipolar transistors“, Shu-Jen Wang, Michael Sawatzki, Ghader Darbandy, Felix Talnack, Jörn Vahland, Marc Malfois, Alexander Kloes, Stefan Mannsfeld, Hans Kleemann, Karl Leo. Nature, 22. Juni 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04837-4

Kontakt:
Prof. Karl Leo
Institut für Angewandte Physik
karl.leo@tu-dresden.de