¿Qué son los semiconductores orgánicos? Materiales, dispositivos y aplicaciones.
1. ¿Qué son los semiconductores orgánicos?
Los semiconductores orgánicos son materiales electrónicos a base de carbono, fabricados a partir de polímeros conjugados y moléculas pequeñas. Se utilizan para construir dispositivos electrónicos orgánicos, como células solares orgánicas, OLED y transistores orgánicos de efecto de campo. A diferencia de los semiconductores inorgánicos cristalinos, como el silicio o los compuestos del grupo III-V, los semiconductores orgánicos suelen ser sistemas moleculares con una estructura y una energía desordenadas, en lugar de sólidos periódicos (véase ??).
Esto significa que los semiconductores orgánicos no deben considerarse como versiones de bajo rendimiento del silicio. Son una clase diferente de semiconductor. Su comportamiento electrónico está controlado por estados moleculares localizados, desorden energético, ocupación de trampas, formación de excitones y morfología a nanoescala. Estas características hacen que la electrónica orgánica sea tecnológicamente atractiva, pero también hacen que el modelado de dispositivos semiconductores orgánicos sea físicamente distinto de la simulación de semiconductores cristalinos convencionales.
2. ¿En qué se diferencian los semiconductores orgánicos de los semiconductores inorgánicos?
En los semiconductores cristalinos, los átomos se disponen en una red periódica y, a menudo, se pueden describir los portadores de carga utilizando estados de banda extendidos. Esto da lugar a bandas de conducción y de valencia relativamente bien definidas, como se muestra en ??. En los semiconductores orgánicos, el empaquetamiento molecular es menos ordenado y el entorno electrónico local varía de un punto a otro. El resultado es una amplia densidad de estados localizados en lugar de un borde de banda definido (??).
Por lo tanto, el transporte de carga en materiales orgánicos se describe a menudo como un proceso de salto térmicamente activado entre estados localizados, en lugar de un transporte similar al de una banda a través de estados extendidos. Los portadores de carga pueden quedar atrapados en estados de baja energía, liberarse posteriormente mediante activación térmica y volver a ser capturados en otro lugar. Esto hace que la movilidad aparente dependa en gran medida de la temperatura, la densidad de portadores, el campo eléctrico, el grado de desorden energético y la ocupación de las trampas.
Otra diferencia importante radica en la física de los excitones. En muchos materiales optoelectrónicos orgánicos, la absorción de luz produce pares de electrones y huecos unidos, denominados excitones, en lugar de generar inmediatamente portadores libres. Si un fotón absorbido produce una corriente eléctrica útil depende de la difusión, la disociación, la recombinación de los excitones y de la disposición a nanoescala de los materiales donantes y aceptores.
3. Materiales semiconductores orgánicos: polímeros y moléculas pequeñas.
Los materiales semiconductores orgánicos se suelen dividir en dos grandes categorías: polímeros conjugados y moléculas pequeñas. Los polímeros consisten en largas cadenas moleculares con sistemas de electrones deslocalizados \(\pi\) a lo largo de la cadena principal, mientras que las moléculas pequeñas son compuestos de menor peso molecular diseñados para tener energías de orbitales frontera, espectros de absorción y comportamiento de empaquetamiento adecuados.
La ventaja de esta flexibilidad química radica en que se puede ajustar la banda prohibida óptica, los niveles de energía, la solubilidad, la cristalinidad y la morfología mediante el diseño molecular. Esta es una de las razones por las que los materiales orgánicos son atractivos para la fotovoltaica, la emisión de luz, los sensores y la electrónica flexible. La desventaja es que el comportamiento del dispositivo puede ser extremadamente sensible a las condiciones de procesamiento, la separación de fases, la orientación molecular y la estructura interfacial.
4. Dispositivos electrónicos orgánicos
Los semiconductores orgánicos se utilizan en varias categorías importantes de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos orgánicos. En cada caso, el comportamiento del dispositivo no solo está determinado por las propiedades electrónicas del material, sino también por la absorción óptica, la morfología, las interfaces, los contactos y la recombinación.
- Células fotovoltaicas orgánicas convierte la luz absorbida en corriente eléctrica. Por lo general, utilizan heterouniones donante-aceptor para separar los excitones en portadores libres. Consulte tutorial sobre la simulación de células solares orgánicas para ver un ejemplo práctico de OghmaNano.
- Diodos orgánicos emisores de luz (DOEL) inyectar electrones y huecos en las capas orgánicas, donde se recombinan para formar estados excitados emisores. La interferencia óptica, la posición de la zona de recombinación y el acoplamiento de salida pueden afectar significativamente la emisión final. Consulte Tutorial sobre la óptica de películas delgadas coherentes OLED.
- Transistores orgánicos de efecto de campo (TOFET) utilice un campo aplicado a la compuerta para acumular carga en la interfaz de un semiconductor orgánico. Su funcionamiento se controla mediante la inyección de corriente en el contacto, la movilidad, el desorden interfacial y el transporte limitado por las trampas. Consulte la Tutorial sobre la simulación de OFET..
5. ¿Por qué la modelización de los semiconductores orgánicos es diferente?
La simulación de semiconductores orgánicos debe tratar explícitamente el desorden y los estados de trampa. Un modelo simple de deriva-difusión con movilidad constante y recombinación entre bandas a menudo resulta insuficiente, ya que la densidad de portadores, la movilidad, la recombinación y el campo eléctrico interno están interrelacionados a través de la densidad de estados y la ocupación de las trampas.
Por ejemplo, modificar la intensidad de la iluminación o el voltaje aplicado altera la ocupación de las trampas. El cambio en la ocupación de las trampas modifica la densidad de portadores libres. La modificación de la densidad de portadores libres afecta la recombinación y la conductividad. El cambio resultante en la distribución de la carga modifica, a su vez, el campo eléctrico interno y la extracción de carga. Este ciclo de retroalimentación es una de las razones por las que los modelos de dispositivos orgánicos deben incluir la física de los estados de trampa.
La recombinación suele estar facilitada por la presencia de trampas y, con frecuencia, se describe utilizando Recombinación de Shockley-Read-HallEn los semiconductores orgánicos desordenados, los modelos de tipo SRH no son simplemente una corrección menor: a menudo son esenciales para describir la captura, emisión y recombinación de portadores a través de estados localizados. Por este motivo, la simulación de dispositivos orgánicos se entiende mejor como un proceso acoplado que incluye el transporte, la captura, la recombinación y la electrostática, en lugar de simplemente como un cálculo del flujo de corriente.
6. Ventajas de los semiconductores orgánicos
Los semiconductores orgánicos son interesantes porque se pueden procesar de maneras que resultan difíciles o costosas para los semiconductores inorgánicos convencionales. Muchos materiales orgánicos pueden depositarse a baja temperatura, procesarse a partir de soluciones, imprimirse en grandes superficies e integrarse en sustratos ligeros o flexibles.
Estas propiedades los hacen interesantes para aplicaciones en las que la flexibilidad mecánica, la fabricación a baja temperatura, el recubrimiento de grandes superficies o la capacidad de ajustar el espectro son más importantes que lograr la máxima movilidad de los portadores de carga. Las pantallas OLED son el ejemplo comercial más claro, pero los semiconductores orgánicos también siguen siendo importantes para la fotovoltaica, los fotodetectores, los sensores, los dispositivos portátiles y la electrónica de bajo costo.
7. Limitaciones y desafíos
El mismo mecanismo que permite un procesamiento flexible también genera limitaciones. Los semiconductores orgánicos suelen tener una movilidad menor que los materiales inorgánicos cristalinos, presentan efectos de atrapamiento más pronunciados y son más sensibles a la morfología. La estabilidad también puede ser un problema importante, especialmente en presencia de oxígeno, humedad, calor, alta densidad de corriente o exposición prolongada a la luz.
Las interfaces son especialmente importantes. La selectividad del contacto, las barreras de inyección, las trampas en la interfaz y la morfología cerca de los electrodos pueden influir de manera significativa en el comportamiento del dispositivo. Por este motivo, el rendimiento medido de un dispositivo orgánico no suele ser una característica exclusiva del material activo, sino del conjunto completo del dispositivo, su proceso de fabricación y las condiciones de medición.
8. En qué ámbitos podrían destacar los semiconductores orgánicos.
Es poco probable que los semiconductores orgánicos reemplacen al silicio cristalino en todas las aplicaciones. El silicio sigue siendo el material predominante en aquellos casos en los que la alta movilidad, la estabilidad a largo plazo y la producción a gran escala son factores decisivos. Los materiales orgánicos tienen más posibilidades de destacar en aquellos ámbitos donde sus propiedades distintivas son importantes: flexibilidad mecánica, procesamiento a baja temperatura, dispositivos ligeros, absorción o emisión ajustables y compatibilidad con la fabricación a gran escala.
Las pantallas OLED demuestran que los semiconductores orgánicos pueden ofrecer un rendimiento superior cuando la física del dispositivo, la ingeniería de materiales y el proceso de fabricación están bien coordinados. Las oportunidades futuras incluyen la fotovoltaica flexible, la captación de energía en interiores, los fotodetectores orgánicos, los sensores biomédicos, la electrónica portátil y los sistemas híbridos en los que los materiales orgánicos se integran con tecnologías inorgánicas o de perovskita.
9. Simulación de semiconductores orgánicos en OghmaNano.
OghmaNano está diseñado para simular dispositivos semiconductores orgánicos como sistemas ópticos, eléctricos y morfológicos interconectados. Incluye el transporte por deriva y difusión, la distribución de los estados de trampa, la recombinación de Shockley-Read-Hall y la recombinación fuera del equilibrio, la dinámica de los excitones, la generación óptica y la caracterización en el dominio de la frecuencia, todo ello en un único flujo de trabajo.
Para obtener una visión general de los tutoriales disponibles, consulte simulación de dispositivos semiconductores orgánicos. En esa página encontrará enlaces a ejemplos relacionados con OPV, OLED, OFET, SCLC, excitones, heterouniones masivas y ejemplos en el dominio de la frecuencia.