晶体管是数字电路的组成部分——它们可以用来放大信号，或者通过控制电荷载流子的电流在“开”和“关”状态之间切换，这些电荷载流子要么是电子，要么是它们的正对应物（空穴）， 或两者都有。双极结型晶体管是一种特殊类型的晶体管，它使用两种类型的载流子，特别适用于大功率和高频应用。这种设备通常由无机材料制成，但如果改用有机半导体将能够获得广泛的材料库，从而为灵活和透明的电子产品打开大门。
双极结型晶体管由三个端子组成——发射极、基极和集电极，中间由半导体材料制成的结隔开。半导体要么是p型（对于正极，因为它们的空穴浓度高于它们的电子浓度）要么是n型（对于负极），并且以“pnp”配置或“npn”配置交替排列。与无机半导体相比，有机半导体中电荷载流子的迁移率较低，因此有机双极结型晶体管以前从没有尝试过。对于无机材料（例如硅）来说，实现高迁移率很简单，但对于有机材料来说很难。尽管如此，自从1980年代首次制造出有机晶体管、有机太阳能电池和有机发光二极管 (OLED) 以来，有机电子领域特别是 OLED 显示行业取得了巨大进展。有机半导体的优势和瓶颈决定了被研究和商业化的设备的设计。
关键问题
有机半导体应用的主要挑战是通过设计对多数和少数载流子具有高迁移率的有机材料来制造功能性双极结型晶体管。与无机半导体相比，有机半导体组成双极结晶体管还存在以下关键问题：
1. 载流子迁移率低：有机材料的低迁移率特性部分源于缺乏结晶顺序。有机半导体中的载流子为极化子和双极化子,而且输运多为分子间跃迁的模式,这导致有机半导体载流子迁移率很低。
2. 载流子迁移率不平衡：少数载流子的迁移率（在器件中比带相反电荷的对应物少）通常远小于多数载流子的迁移率。这种迁移率不平衡可以在有机场效应单极晶体管中得到解决，仅使用一种类型的电荷载流子并以累积模式运行。虽然这种单极晶体管可以解决载流子迁移率不平衡的问题，但它也牺牲了与无机场效应晶体管相关的性能。
3. 有机场效应晶体管高频应用效果差：具有改进材料性能的分子和聚合物的发展导致有机材料在迁移率方面经常超过非晶硅，但有机场效应晶体管的性能对于高频应用仍然不能令人满意。这需要减少电荷载流子行进的距离以提高其性能，但这对于水平设计的传统有机场效应晶体管具有挑战性。
4. 寻求合适的材料和器件配制：实现有机双极晶体管的一个关键是找到合适的材料和器件配置，以允许n型和p型掺杂，具有超过1 cm2V-1 s-1的迁移率，允许平衡的空穴和电子传输，希望目前未知的少数载流子扩散长度足够高以允许载流子通过基础层，同时允许足够薄的基极保持在定义的电位，以允许发射极-集电极电流控制。
新思路
有鉴于此，德国德累斯顿工业大学Karl Leo等人利用厚度约20nm的具有高结晶有序度的p型和n型红荧烯薄膜，采用以前从未被描述的垂直架构制备了具有优异器件性能的有机双极晶体管。该器件具有高差分放大（超过100）和优于传统器件的高频性能。这些双极晶体管还可以深入了解少数载流子扩散长度这是有机半导体的一个关键参数。该结果为具有更快开关速度的高性能有机电子器件的新概念打开了大门。
技术方案：
1、实现了高转换频率的晶体管器件
作者估计了设备的转换频率——一个表征晶体管速度的量——并发现它是1.6 GHz（1 GHz 是 109Hz）。该值远高于有机场效应晶体管的记录转换频率，垂直配置的器件为40MHz，水平配置的器件为160 MHz。然而，过渡频率是间接评估的，因此需要进一步的工作来直接估计此类器件的指标和品质因数，并确定结晶有机双极结晶体管是否适用于高频应用。
2、拓展晶体管用于测量半导体特性
除了扩大有机设备的产品组合外，作者表明他们的晶体管可用于测量称为少数载流子扩散长度的半导体特性，该特性以前没有在有机半导体中进行过探测。该指标定义了少数载流子在与相反电荷的载流子重新结合之前可以行进的距离，是优化双极结型晶体管效率的关键参数。本研究表明，有机双极结型晶体管可能会提供一种获取这一基本参数的方法，从而更好地了解这些材料并增强现有技术。
技术优势：
1. 首次创建垂直构架
传统的水平设计有机场效应晶体管很难实现减少电荷载流子行进的距离以提高其性能。本工作采用前所未有的垂直构建制备了基于n 型和 p 型掺杂红荧烯的晶体薄膜的有机双极结晶体管（OBJT）。与普通的炉内生长单晶相比，这些薄膜是直接在基板表面制成的，可用于大规模生产。
2. 实现了创纪录的高垂直电荷载流子迁移率
展示使超快二极管器件能够在千兆赫兹范围内运行的创纪录的高垂直电荷载流子迁移率，证明了这种高度有序薄膜的出色器件潜力。在这里，证明了基于结晶红荧烯薄膜的OBJT为实现千兆赫有机电子学提供了一条有希望的途径。
3. 可用于解析有机半导体参数
本工作的OBJT 基于高度结晶的红荧烯薄膜晶体，不仅为超高频有机晶体管提供了一条有希望的途径，而且还允许研究重要的基本物理参数，例如估计约为 50 nm的少数载流子扩散长度红荧烯晶体的掺杂浓度为5 wt%。
技术细节
开发OBJT
使用这些高度结晶的掺杂薄膜生产了一个 OBJT。器件的底部是垂直堆叠矩形发射电极，中间是指状结构的基极电极和矩形集电极（顶部）电极。最终器件是pnp型，具有n型掺杂基极，因为p型少数扩散长度会由于更高的迁移率而更高。与有机二极管类器件一样，在p和n掺杂薄膜之间添加本征薄膜以改善反向泄漏行为，最终形成pinip结构。发射极和集电极由金制成，以促进有效的空穴注入，而基极由铝制成，以更好地注入电子。在基极的发射极侧添加了一层n掺杂的C60薄膜，以进一步促进电子注入。可以在基极顶部添加额外的本征和弱掺杂材料层，以最大程度地减少基极-集电极泄漏。在这里，正交晶体被成功地用于 OBJT，因为它们具有各向同性的电荷传输特性。
作者首先研究一种基于斜方晶球晶体的器件，在基电极顶部沉积了更多的阻挡层。分别研究基极-发射极二极管、基极-集电极二极管和发射极-集电极 pinip 结构，以检查组件级别的功能。正如预期的那样，从发射极到集电极的直流电流是完全对称的，这个电流大大高于通过二极管本身的电流。还研究了一种基于正交小片晶体的器件，在基电极顶部不使用阻挡层，。器件在低电流下的晶体管操作降低了，因为基极偏置的变化和二极管寄生电流的变化过度补偿了任何基于扩散的放大。然而，在基极电流较高时，输出集电极电流大幅增加，晶体管明显显示出大信号放大，虽然只是中等值。在高基极电流下的不稳定行为可能是由器件中的高电流密度引起的，这接近于自热效应的开始。因此，在基于掺杂红荧烯晶体的 OBJT 器件中，可以观察到差分和绝对电流放大。
OBJT的TCAD模拟
作者执行技术计算机辅助设计 (TCAD) 模拟，以探究OBJT器件中的电荷传输和优化器件几何形状的设计规则。模拟基于显示大信号放大的设备堆栈，制作的器件和实验数据作为校准TCAD模拟器的参考。各个组件的IV特性在校准的模拟结果和测量数据之间显示出良好的一致性，从而证实了器件操作的可行性。基于校准的TCAD、静电势、电场、载流子密度和电流，模拟和提取不同偏置条件和几何形状的分布。仿真提供了对晶体管关键参数（基极的指状设计）的洞察，并提供了最佳数值。总体而言，仿真证实了具有差分和大信号放大的 OBJT 的操作。此外，为如何进一步改进设备提供了明确的设计指南。
OBJT的运算速度
对于任何类型的晶体管来说，最重要的动态性能参数是单位增益截止频率。直接测量这个量需要足够的大信号放大和操作稳定性。在本文的OBJT中，仅在施加的最高偏置下获得大信号放大，这导致操作行为不稳定。作者通过评估系统的电阻-电容时间来合理地估计最大运行速度。与FET的计算类似，使用静态特性以转换频率的形式估计最大运行速度。直接跃迁频率测量与文献中的跨导/电容估计之间的高度一致性证实了能够估计OBJTs的频率响应。该OBJT具有1.6 GHz的转换频率，这与单个基于红荧烯的二极管的运行速度相似，因此提供了比当前有机晶体管技术水平高出一大步（10-40 倍）。OBJT 具有优势的两个原因是：1.与大多数 OSC 相比，具有更高迁移率的高结晶薄膜；2.与垂直双极结晶体管设计相关的器件的超低电容。
少数载流子扩散长度
这里测量的放大率并不代表晶体管本身的本征放大率，而是作为电路的器件的本征放大率。放大的观察证明少数载流子通过基极扩散，对于具有1 wt%基极掺杂的器件，少数扩散长度至少为20 nm。此外，通过实验改变了掺杂的性质和碱基的结构，基极掺杂从 1 wt% 增加到 5 wt% 和基极层厚度的增加都大大降低了电流放大。OBJT对基极厚度和掺杂浓度的强烈依赖性与少数载流子扩散操作有关，这与基于大多数载流子传输的有机可渗透基极晶体管操作形成鲜明对比。在这些测量的基础上，通过拟合经典的双极跃迁关系以及校准的 TCAD 模拟，估计空穴通过n掺杂红荧烯的扩散长度约为50 nm。
展望
总之，本文展示了一个功能性OBJT，提供了有机晶体管路线图上缺失的一块拼图。本工作的OBJT 基于高度结晶的红荧烯薄膜晶体，不仅为超高频有机晶体管提供了一条有希望的途径，而且还允许研究重要的基本物理参数，例如估计约为 50 nm 的少数载流子扩散长度红荧烯晶体的掺杂浓度为5 wt%。这些结果将为下一代高性能有机电子器件铺平了道路，并为理解高迁移率 OSC 中的载流子扩散物理提供了工具。随着晶体薄膜质量的提高，一些通常与有机半导体相关的限制可能会被解除。正如本工作中有机双极结晶体管所示，这一进展拓宽了在晶体有机电子新兴时代基于有机技术的视野。此类设备可实现的高速切换将允许探索长期以来被认为是有机电子学无法实现的技术，例如千兆赫电子学。
