מוצרי האלקטרוניקה הרבים בהם אנו עושים שימוש כיום, מבוססים על טרנזיסטורים הבנויים מחומרים מוליכים למחצה קשיחים, לרוב סיליקון. תחום חדש המתפתח בימים אלו, דורש כניסה לשימוש של סוג חדש של טרנזיסטורים. תחום זה נקרא אלקטרוניקה מודפסת.
הרעיון שמאחורי תחום זה, אומר שאם ניתן היה פשוט להדפיס את המעגל האלקטרוני שאנו חפצים בו, באמצעות מעין דיו מיוחד, על גבי חומר מבודד כגון פלסטיק או אולי אפילו חתיכת בד, הרי שיכולנו ליצר מעגלים אלקטרונים בצורה מהירה, וזולה. בנוסף יכולנו לייצר מעגלים יעילים עבור חומרים גמישים (שכן ניתן להדפיס את המעגל עצמו על חומר גמיש).
כאשר החוקרים מחפשים טרנזיסטורים עבור אלקטרוניקה מודפסת, הם מתמקדים במספר תכונות נדרשות
א) מסיסות - על הטרנזיסטורים להתמוסס בממיסים מוכרים וזולים, על מנת שניתן יהיה לשלבם במעגלים באמצעות הדפסה יעילה
ב) עלות - על הטרנזיסטורים להיות זולים על מנת שעלות ייצור המעגלים האלקטרונים תהיה נמוכה
ג) הולכה חשמלית טובה
כאשר דנים בהולכה חשמלית של טרנזיסטורים, יש לקחת בחשבון כי קיימים שני סוגים של "חלקיקים" נושאי מטען. הראשונים הינם אלקטרונים מעטים המאכלסים רמת אנרגיה כמעט ריקה. טרנזיסטורים המתבססים על הולכה שכזו נקראים n-type, השניים הינם "חורים" - מחסור של אלקטרונים בודדים ברמת אנרגיה כמעט מלאה. טרנזיסטורים המתבססים על הולכה שכזו נקראים p-type.
מעגלים אלקטרונים מורכבים לרוב מטרנזיסטורים משני הסוגים יחדיו. השילוב שלהם מאפשר לבנות מעלים שעובדים במהירות, ובעלי צריכת אנרגיה נמוכה יותר
כיום המועמדים המובילים לשמש כטרנזיסטורים במעגלים מודפסים הינם טרנזיסטורים אורגנים דקים. טרנזיסטורים דומים מאוד במבנה לטרנזיסטורים המשמשים כיום במעגלי אלקטרוניקה הרגילים, אך המוליכים למחצה מהם הם מורכבים, הינם פולימרים אורגנים, דקים וגמישים.
כיצד יוצרים טרנזיסטור ממוליך למחצה המורכב מפולימר? (תיאורטית) הדבר פשוט מעל הפולימר המשמש כטרנזיסטור מונחת אלקטרודה חשמלית, אשר מופרדת מהפולימר על ידי חומר דיאלקטרי המבודד את האלקטרודה מהפולימר (תמונה 1)
כאשר מתח חיובי מופעל על האלקטרודה, נוספים מספר אלקטרונים לרמה האנרגיה המולקולארית הריקה הנמוכה ביותר בפולימר. אלקטרונים אלו יכולים להוליך חשמל, ומתקבל טרנזיסטור n-type. כאשר מתח שלילי מופעל על האלקטרודה, נגרעים מספר אלקטרונים, או שמא נאמר נוספים מספר חורים לרמת האנרגיה המולקולארית המאוכלסת הגבוהה ביותר בפולימר, חורים אלו מוליכים חשמל, ומתקבל טרנזיסטור p-type (לכל סוג טרנזיסטור p-type או n-type משתמשים לרוב בפולימר שונה)
בפועל, עד לאחרונה, הצליחו המדענים ליצר טרנזיסטורים אורגניים p-type בלבד, ולא הצליחו ליצר טרנזיסטור אורגני n-type, אשר מסוגל לפעול בתנאי האטמוספרה, מאחר והחמצן והמים שבאטמוספרה נוטים להגיב עם האלקטרונים שברמה הבלתי מאוכלסת הנמוכה של הפולימר (אשר הוספו אליה על ידי האלקטרודה החיצונית), ולהפכם לנייחים, כך שמוליכות החשמל של הפולימר נהרסת.
אולם לאחרונה, הצליחה קבוצת מדענים לייצר טרנזיסטורים מפולימר חדש אותו הם הרכיבו, אשר פועל היטב בתור טרנזיסטור n-type. החוקרים הרכיבו פולימר המורכב משני תת חלקים המשורשרים לסירוגין זה אחר זה (וחוזר חלילה). חלק ראשון עשיר באלקטרונים וחלק שני עני באלקטרונים. מסתבר ששילוב זה, מביא ליציבות של רמת האנרגיה הבלתי מאוכלסת של הפולימר, ומאפשר לאלקטרונים להוליך, גם בתנאים אטמוספריים.
החוקרים הדגימו כי הטרנזיסטור שהרכיבו, עובד היטב, באותה רמה כשל טרנזיסטורים אורגניים p-type. בנוסף, הדגימו החוקרים כי טרנזיסטור זה, ביחד עם טרנזיסטור p-type המבוסס על חומר אחר, מתמוססים בקלות וניתן ל"הדפיסם" באופן יעיל במספר שיטות. על מנת להדגים את יעילות התהליך, החוקרים אף הדפיסו מעגל חשמלי פשוט והדגימו את פעילותו.
תגלית זו מביאה את התחום לנקודה חדשה, בה קיימים טרנזיסטורים אורגניים משני הסוגים, דרישה בסיסית ליצירת מעגלים אלקטרונים יעילים, ולמעשה כבר ניתן להדפיס במעבדה מעגלים פשוטים.
התקווה הגדולה הינה, כי בתקופה הקרובה, התגלית הנ'ל, תדחוף את תחום האלקטרוניקה המודפסת קדימה, עד לרמה בה ניתן יהיה להדפיס מעגלים אלקטרונים גמישים ויעילים באופן תעשייתי.
.
'
מבנה הטרנזיסטור
משמאל - הרכיבים השונים המרכיבים את הטרנזיסטור. בכחול, מצע הפלסטיק עליו הוא מודפס. מעליו שני מגעים חשמליים מזהב. השכבה הירוקה היא הפולימר אשר "מודפס" על גבי הפלסטיק. השכבה האפורה היא החומר הדיאלקטרי, ומגע הזהב שמעליה היא האלקטרודה באמצעות מושרים נושאי מטען (אלקטרונים או חורים) בפולימר.
מימין למעלה - סכמה של הטרנזיסטור השלם.
באמצע - המבנה הכימי של הפולימרים המשמשים כמוליכים למחצה בטרנזיסטורים הללו.
ימין למטה - הפלסטיק השקוף והגמיש, עם הטרנזיסטורים המודפסים עליו.
בבליוגרפיה
A high-mobility electron-transporting polymer for printed transistors, Nature 457, 679
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
