Semiconductor orgánico

Un semiconductor orgánico es un compuesto orgánico bajo la forma de un cristal o un polímero, que muestra propiedades similares a las de los semiconductores inorgánicos. Los semiconductores orgánicos se pueden dividir en dos familias: polímeros (formados por largas cadenas de monómeros) y oligómeros (formados por una o pocas moléculas). La obtención de capas delgadas por medio de estos semiconductores es diferente según se trabaje con polímeros o moléculas pequeñas.

Estas propiedades son la conductividad eléctrica por los electrones y los huecos, y la presencia de una banda prohibida. Estos materiales han dado lugar a la electrónica orgánica, o electrónica de los plásticos. Por orgánica se entienden las moléculas que se basan en el carbono, las moléculas básicas para la vida. Se llama orgánica en oposición a los semiconductores inorgánicos, como el silicio.

En 1977 Hideko Shirakawa en colaboración con Alan Heeger y Alan MacDiarmi descubren los polímeros conductores. Ellos publicaron su descubrimiento en el artículo titulado: «Synthesis of electrically contucting organic polymers» y son galardonados con el Premio Nobel en el año 2000.

El efecto de campo apareció por primera vez en moléculas orgánicas en 1964, tras el análisis de láminas de ftalocianina de cobre. Tiempo después, el descubrimiento de los polímeros conductores dio interés en el uso de materiales , en especial en OFETs, debido a sus propiedades eléctricas y ópticas. En 1983, se observó el primer efecto de campo en polímeros, en una interfase de poliacetileno/polisiloxano. Aunque fue hasta 1986, cuando se fabricó el primer transistor de efecto de campo de estado sólido el cual utilizaba lámina semiconductora basada en tiofeno.

La conductividad eléctrica en un semiconductor orgánico está asegurada por los portadores de carga, de los que conocemos bien dos tipos: los electrones (los electrones π *) y los huecos (los electrones π no pareados). En general, los sólidos orgánicos son aislantes. Sin embargo, en los cristales formados por moléculas orgánicas que contienen uniones conjugadas π, o incluso los polímeros que contengan uniones conjugadas π, los electrones pueden moverse libremente en los recubrimientos de nubes de electrones π, lo que permite la conducción de electricidad. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son ejemplos de este tipo de semiconductores. Sin embargo, los polímeros conductores tienen una elevada resistencia frente a los conductores inorgánicos. Se pueden dopar los materiales orgánicos con metales para aumentar su conductividad.

Para los polímeros el proceso habitual de depósito es la técnica conocida como spin-coating. El proceso consiste en obtener una disolución del polímero en un disolvente orgánico que se vierte en una pequeña cantidad sobre el sustrato que se utiliza. Posteriormente se rota el sustrato a gran velocidad, por encima de 1000 revoluciones por minuto, distribuyéndose el líquido sobre su superficie. Al evaporarse el disolvente se obtienen capas delgadas bastante uniformes del polímero semiconductor con grosores de centenares de nanómetros. Por el contrario, en pequeñas moléculas, los semiconductores orgánicos se depositan mediante evaporación térmica en cámaras de vacío.

Los semiconductores orgánicos poseen características similares a los semiconductores inorgánicos. La siguiente tabla muestra sus correspondencias de manera sucinta:

Además, como los semiconductores inorgánicos, los semiconductores orgánicos pueden ser dopados, es decir, que pueden producir electrones en exceso (dopaje N ) o huecos (dopaje P). En los semiconductores inorgánicos, esto se hace, generalmente, por implantación iónica, es decir, mediante la adición de iones en los semiconductores. Estos iones tienen electrones de valencia extra o en defecto, según el caso, lo que permite añadir los portadores de carga deseados. Sin embargo, esta técnica requiere mucha energía para dopar las películas de los semiconductores orgánicos, que son demasiado frágiles para este tipo de intervención. La técnica preconizada es exponer la película de semiconductores orgánicos al paso de vapor de un oxidante o un reductor, que tiene el efecto de eliminar o añadir electrones a la película. Los semiconductores muy dopados tales como la polianilina (Ormecon) y el PEDOT: PSS también son llamados metales orgánicos.

Los semiconductores orgánicos ofrecen varias ventajas:

Esta tecnología también presenta algunas limitaciones:

Los semiconductores orgánicos son utilizados en el ámbito de la optoelectrónica para el desarrollo de:

Los materiales orgánicos que presentan semiconductores orgánicos tipo n son muy escasos. Su existencia es importante para la fabricación de uniones p-n, diodos emisores de luz p-n, y transistores bipolares. Un material transporta electrones cuando presenta un LUMO accesible para la inyección del electrón y un solapamiento π efectivo para que llegue a movilidades de carga efectivas. El primer semiconductor tipo n tuvo Aparición en OFETs en 1990, al estudiarse transistores de efecto de campo usando ftalocianinas de tierras (Pc2Lu y Pc2Tm) como lámina semiconductora.

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