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OFET: transistor organici ad effetto di campo flessibili ed economici

Il transistor organico è un dispositivo ad effetto di campo in cui la struttura, o parte di essa, viene creata adoperando materiali semiconduttori organici.

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Gli OFET (Organic Field Effect Transistor) sono dei particolari transistor costruiti con composti di carbonio e sfruttano le proprietà conduttive o semiconduttive dei materiali organici in modo analogo a quanto avviene nei transistor a film sottili inorganici. Nonostante le performance dei materiali organici non siano comparabili con quelle dei classici semiconduttori, a renderli molto interessanti sono una serie di particolari vantaggi. Prima di ogni altra cosa i bassi costi di produzione.

Tecnologie di fabbricazione dei transistor organici

Diverse sono le tecnologie di realizzazione per gli OFET, infatti questi possono essere fabbricati attraverso evaporazione sotto vuoto di piccole molecole, o mediante la procedura di solution casting, che prevede la realizzazione di film polimerici. Inoltre, la deposizione dei materiali può avvalersi di procedure semplici ed economiche come lo spin-coating o il printing; superando le difficili fasi delle tecniche litografiche, indispensabili per la realizzazione dei semiconduttori tradizionali.

La tecnologia di fabbricazione con maggior successo per questi dispositivi è quella a film sottile. Una tecnica sviluppata volutamente, a partire dagli anni ‘60, per materiali a bassa conduttività ed in particolare per semiconduttori inorganici realizzati con silicio amorfo. Perciò, questa si adatta abbastanza bene per la realizzazione di dispositivi basati su solidi intrinsecamente disordinati con una bassa mobilità elettronica come i semiconduttori organici.

L’altra qualità rilevante è la l’opportunità di eseguire tutto il processo di fabbricazione senza ricorrere a temperature elevate. Questo permette di impiegare una ampia varietà di substrati, quali vetro e plastiche o tessuti di vario tipo. Gli OFET si possono pertanto realizzare su substrati flessibili e trasparenti, aumentando la quantità delle possibili applicazioni.

Principio di funzionamento degli OFET

I transistor ad effetto campo sono composti da tre parti fondamentali: il source, che riceve la corrente; il gate, che regola l’uscita; e il drain, che scarica la corrente del transistor. La tensione applicata al gate regola la corrente d’uscita sul drain. Il flusso di corrente attraverso un OFET è determinato dai portatori di carica presenti nel semiconduttore organico e nello strato dielettrico. Quando una piccola tensione viene applicata tra gate e source (Vgs), un certo numero di lacune (portatori di cariche positive) si accumulano nel materiale. Man mano che la tensione cresce, si formano molte di queste lacune, aumentando la conduttività del semiconduttore organico.

OFET
Configurazione base di un OFET. Credits: researchgate

Meccanismo di conduzione nei transistor organici

Nei semiconduttori standard, i portatori di carica si muovono in stati delocalizzati. D’altra parte, a causa della bassa conducibilità del materiale, questo non si verifica negli OFET, dove avviene il fenomeno del hopping. Ovvero, è stato ipotizzato che in tali materiali il trasporto avviene per mezzo di salti dei portatori tra stati localizzati. In altre parole, nei cristalli disorganizzati, le lacune e gli elettroni saltano tra le molecole. Pertanto, tale meccanismo di trasporto prende il nome di hopping, un effetto tunneling indotto dai fononi (quanti di vibrazione).

Applicazioni degli OFET: l’elettronica delle grandi superfici

In molti casi vengono richiesti dei dispositivi elettronici distribuiti su superfici molto ampie, in tale circostanza i MOSFET tradizionali non sono assolutamente adatti a causa delle alte temperature e le piccole superfici richieste dal processo di fabbricazione del silicio. Un’alternativa valida è fornita dai componenti organici che, al contrario, riescono a distribuirsi uniformemente sulla superficie sfruttando un processo con una minore temperatura.

Infatti, i punti di forza dell’elettronica basata sugli OFET sono principalmente il basso costo di fabbricazione, la copertura di un’elevata area, la possibilità di ottenere dispositivi flessibili e di utilizzare substrati economici di vetro. Questi vantaggi aprono la strada ad una vasta gamma di applicazioni che vanno dal display flessibile, fino alla realizzazione di celle solari organiche in cui è richiesta un’area estesa di copertura a costi molto bassi.

Transistor organici
Circuiti logici organici. Credits: nature.com

La compatibilità del processo con i substrati di vetro, ha consentito l’integrazione dei transistor organici nei circuiti di controllo per l’indirizzamento dei pixel nei display organici AMOLED. Un’altra applicazione resa possibile dalla flessibilità degli OFET è quella dei tessuti elettronici: i dispositivi vengono integrati con le fibre tessili realizzando delle interconnessioni che possono essere conduttivi o isolanti in base alle esigenze, così da creare dei tessuti che fungono da circuiti.