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29.03.2013 | Mikroelektronik | Im Fokus | Onlineartikel

Leistungsstabile organische Bauelemente

Autor:
Andreas Burkert

Organische Halbleiter sind in der Elektronik beliebt. Dank ihrer mittlerweile hohen Leistung, kommen sie beispielsweise in Mobiltelefonen zum Einsatz. Bei größeren Geräten heizen sich die organischen Bauelemente jedoch so unkontrolliert auf, dass sie zusammenbrechen oder ungleichmäßig Strom leiten.

Organische Halbleiter finden sich in der Elektronik in immer mehr Anwendungen. Organische Solarzellen beispielsweise als Folien gefertigt können mittlerweile kleine Mengen Strom produzieren. Wissenschaftler hoffen, durch Alternativen zu den Standard-Solarzellen, preiswerte Solarzellen-Konzepte entwickeln zu können, wie sie die beiden Autoren Hans-Günther Wagemann und Heinz Eschrich in ihrem Buch „Alternative Solarzellen-Konzepte“ vorstellen.
Organische LEDs können aber auch als großflächige Bauteile zur Beleuchtung von Räumen eingesetzt werden. Doch wenn der Stromfluss zu stark wird, treten plötzlich Inhomogenitäten in der Helligkeit auf, die Fläche erscheint fleckig. Die Ursache dafür ist bekannt: Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur stark zu, so dass der Strom durch das Bauteil entsprechend ansteigt und das Material erwärmt. So entsteht eine Rückkopplungsschleife, in der das Bauteil immer weiter aufgeheizt wird – Experimente enden dann häufig damit, dass das Bauteil zerstört wird.

Gefährliche Eigenerwärmung

Das dafür „verantwortliche“ sogenannte Arrhenius-Gesetz kennen die Wissenschaftler zwar auch für organische Bauteile. Doch bislang waren solche Effekte nur bei inorganischen Halbleitern bekannt. Bauelemente, die so stark auf Temperaturen reagieren, dass Rückkopplungen entstehen können, werden Thermistoren genannt. Insbesondere bei Leistungselektronik werden gezielt Thermistoren eingesetzt. Inzwischen erreichen organische Halbleiter aber ebenfalls den Bereich der Selbsterwärmung. Das Prinzip ist eigentlich schon lange bekannt, allerdings ist es noch niemandem aufgefallen, dass es auch in der organischen Elektronik gilt. Wissenschaftler haben nun bemerkt, dass organische Halbleiter doch prädestiniert für elektro-thermische Rückkopplungseffekte sein sollten. Mit dieser Erkenntnis wurden spezielle Messungen an den Bauteilen durchgeführt.
Die Experimente hatten bereits gezeigt, dass die Ströme bei Selbsterwärmung enorm stiegen. Wenn die Berechnungen aber stimmten, musste es einen Punkt geben, ab dem trotz einer Steigerung der Stromstärke die Spannung zurückgeht – was der Intuition widerspricht. Das würde bedeuten, dass es zwei unterschiedliche stabile Stromstärke-Niveaus gäbe, die sich in einem kleinen Bereich der Spannung überschneiden – dort können sie von einem Niveau auf das andere umkippen. Durch diese Modell-Vorhersagen konnte dieser Effekt für organische Halbleiter gemessen werden.

Temperaturstabile OLEDs

Dabei wurden für die Kohlenstoffverbindung C60 die Abläufe im Bauteil zwischen zwei Punkten gemessen. Um den Effekt in seinem vollen Umfang zu erfassen, musste nicht nur ein Rückgang der Spannung gezeigt werden, sondern auch das Umschalten zwischen den zwei stabilen Stromstärke-Niveaus. Anhand der Modellrechnung war von vornherein klar, dass ein zerstörungsfreier Nachweis nur möglich ist, wenn das Bauteil gekühlt wird und durch einen Vorwiderstand geschützt wird. Damit war es den Physikern dann möglich, tatsächlich die Bistabilität des Bauelementes aufzuzeichnen. Bei den beiden Umschaltspannungen wechselte der Strom abrupt seine Stärke um einen Faktor 10.
Axel Fischer vom Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden erläutert: „Wir haben die Kohlenstoffverbindung C60 für unsere Messungen verwendet, weil diese sehr temperaturstabil ist. Damit können wir das Arrhenius-Gesetz in Reinkultur beobachten. Außerdem erreichen Schichten aus C60 bereits bei kleinen Spannungen sehr hohe Ströme, so dass die typischen Thermistoreffekte einfach nachgewiesen werden können.“ Mit dem erweiterten Verständnis der Selbsterwärmung in organischen Halbleitern können die Forscher organische Bauelemente nun so weiterentwickeln, dass sie die störenden Effekte minimieren, beispielsweis durch eine geometrisch andere Konstruktion der Wärmeableitung und der elektrischen Kontakte. So könnten dann großflächige Leuchtfolien in Zukunft gleichmäßiges Licht abstrahlen.

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