DE10044842A1 - Organischer Gleichrichter, Schaltung, RFID-Tag und Verwendung eines organischen Gleichrichters - Google Patents

Organischer Gleichrichter, Schaltung, RFID-Tag und Verwendung eines organischen Gleichrichters

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen organischen Gleichrichter, beispielsweise einen, über den die Energieversorgung eines organischen integrierten Schaltkreises (plastic inegrated circuit) stattfindet. Der organische Gleichrichter zeichnet sich dadurch aus, dass er organisches leitfähiges und/oder halbleitendes Material umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen organischen Gleichrichter, bei­ spielsweise einen über den die Energieversorgung eines orga­ nischen integrierten Schaltkreises (plastic integrated circu­ it) stattfindet.
Organische integrierte Schaltkreise auf der Basis von Organi­ schen Feld-Effekt-Transistoren (OFETs) werden für mikroelekt­ ronische Massenanwendungen und Wegwerf-Produkte wie kontakt­ los auslesbare Identifikations- und Produkt-"tags" gebraucht (RFID-tags: radio frequency identification - tags). Dabei kann auf das excellente Betriebsverhalten der Silizium- Technologie verzichtet werden, aber dafür sollten sehr nied­ rige Herstellungkosten und mechanische Flexibilität gewähr­ leistet sein. Die Bauteile wie z. B. elektronische Strich- Kodierungen (Barcodes), sind typischerweise Einwegeprodukte. Die Energieversorgung findet bei diesen Systemen über eine Antenne statt, die, elektromagnetische Strahlung von einer Basis Station und/oder einem Sender aufnimmt und in Wechsel­ strom wandelt.
Aus der WO 99/30432 ist bekannt, dass zumindest eine Diode eingesetzt wird, die den Wechselstrom in Gleichstrom wandelt. Diese Diode besteht aus einem speziell verschalteten Transis­ tor (vgl. dort Fig. 2). Durch diese Anordnung ist die Fre­ quenz, die von der Diode aufgenommen werden kann limitiert, da die organischen Transistoren, die hier als Gleichrichter eingesetzt werden, in der Regel deutlich langsamer schalten (< 100 kHz) als die Sendefrequenz der entsprechenden Basis Sta­ tionen (typischerweise Radiofrequenz von ca. 13 MHz) ist.
Dadurch besteht die Notwendigkeit, für eine optimierte Be­ triebsweise eines RFID-Tag-Systems eine Frequenzangleichung sozusagen über eine Hybridlösung aufzubauen, wobei ein orga­ nischer integrierter Schaltkreis mit einer anorganischen Si­ lizium-Diode gekoppelt wird.
Diese Kopplung zweier Techniken bringt mehrere Nachteile mit sich die von Herstellungskosten, der Verarbeitbarkeit und der Wartung bis zur Entsorgung alle Stadien des RFID-Tag-Systems umfassen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Stand der Technik dahingehend zu verbessern, dass ein Gleichrichter aus im we­ sentlichen organischen Materialien und ein RFID-Tag, mehrere organische Feld-Effekt-Transistoren umfassend, geschaffen wird, der eine Diode umfasst, die Radiofrequenzen gleichrich­ ten kann. Zudem ist Aufgabe der Erfindung mehrere Verwen­ dungsmöglichkeiten für einen organischen Gleichrichter an­ zugeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Gleichrichter, basierend auf einer zumindest einer organischen Diode, mit zumindest einer leitfähigen und einer halbleitenden Schicht, wobei zumindest eine der beiden Schichten leitfähiges und/oder halbleitendes organisches Material umfasst. Außerdem ist Gegenstand der Er­ findung eine Schaltung in der ein organischer Gleichrichter integriert ist. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung eines organischen Gleichrichters und letztlich ist noch ein organischer RFID-Tag mit einem integrierten organi­ schen Gleichrichter Gegenstand der Erfindung.
Unter "integriert" wird hier verstanden, dass der Gleichrich­ ter Bestandteil der integrierten Schaltung (integrated circu­ it) ist.
In dem "organischen Gleichrichter" nach der Erfindung wird zumindest eine der p/n-dotierten leitfähigen Schichten einer herkömmlichen p/n-Halbleiter-Diode durch ein organisches leit­ fähiges Material ergänzt und/oder ersetzt. Ebenso kann bei einer herkömmlichen Metall/Halbleiter Diode (Schottky-Diode) zumindest eine Schicht durch eine organische Schicht ersetzt werden. Vorzugsweise werden in beiden Dioden jeweils beide leitfähigen Schichten durch organisch leitfähiges Material ersetzt.
Alle Schaltungen, die Gleichrichter, die aus dem Prinzip Ano­ de/n-dotierte Schicht/PN-Übergangsschicht/p-dotierte Schicht/Kathode oder die aus dem Prinzip metallischer Lei­ ter/Halbleiter aufgebaut sind, umfassen, können durch die genannten organischen Gleichrichter ersetzt werden.
Ein Gleichrichter kann nur eine einzelne Diode sein, mehrere Dioden umfassen und/oder zusätzlich einen Kondensator haben.
Zwar steht im Vordergrund der Erfindung die Verwendung der organischen Diode als Gleichrichter für einen ID-Tag und/oder einen RFID-Tag, aber die Erfindung soll nicht darauf be­ schränkt sein.
Vorzugsweise umfasst der Gleichrichter einen Kondensator, da­ mit die Spannung, die hinter dem Gleichrichter pulsierend an­ kommt geglättet wird. Dazu können bekannte Schaltungen, in denen z. B. ein Kondensator C parallel zum Lastwiderstand ge­ schaltet wird, eingesetzt werden.
Über die Wahl der Abmessung, der kapazitiven Fläche des Gleichrichters lässt sich die Schaltfrequenz des Gleichrich­ ters einstellen, bevorzugt wird eine Abmessung gewählt, die eine möglichst hohe Schaltfrequenz (z. B. im MHz-Bereich) er­ laubt. Dies kann z. B. durch eine dicke Zwischenschicht er­ reicht werden, welche die Kapazität erniedrigt. Gleichzeitig wird die kapazitive Fläche aber so ausgelegt, dass eine mas­ senfertigungstaugliche Herstellung und ein ausreichender Stromfluss gewährleistet ist.
Ebenso ist die Schaltung einer Gleichrichter-Brücke mit Lade­ kondensator und/oder Lastwiderstand denkbar, insbesondere zur Entnahme größerer Gleichströme.
Der organische Gleichrichter besteht zumindest aus zwei Schichten, kann aber auch zur Optimierung weitere Schichten (z. B. zur Anpassung der Austrittsarbeit) umfassen. So kann z. B. eine undotierte halbleitende Schicht eingefügt werden, welche die Kapazität verringert und damit höhere Frequenzen ermöglicht.
Solche Schaltungen sind aus Lehrbüchern bekannt.
Der Begriff "organisches Material" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder anorganischen Kunststoffen, die im Englischen z. B. mit "plastics" bezeich­ net werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium) und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Mate­ rial als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschrän­ kung auf polymere oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecu­ les" denkbar.
Als Material für die organischen leitfähigen Materialien kön­ nen z. B. Polyanilin (PANI) oder PEDOT (Polyethylendioxythi­ ophen) verwendet werden. Als Material für die organischen halbleitenden Materialien eignen sich z. B. Polythiophene oder Polyfluorene.
Dabei ist das organische halbleitende oder halbleitende Mate­ rial an das organische halbleitende Material so angepasst, dass die Struktur des Gleichrichters bei Anlegen einer Span­ nung eine typische Diodenkennlinie ergibt, wobei der Strom nur in einer Richtung fließt und in der anderen Richtung weitgehend gesperrt ist.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur er­ läutert:
Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Gleich­ richters.
In der Fig. 1 sieht man den schematischen Aufbau einer Gleichrichterdiode. Zu sehen ist die Zuleitung 1, durch die Wechselstrom an die Kathode 2 gelangt. Von der Kathode 2 ge­ langen bei positiver Spannung Elektronen in das organische Leitermaterial 3 und von dort in das halbleitende Material 4 und durch die Leitermaterialschicht 5 durch an die Anode 6. Die Zuleitung 7 nimmt die Elektronen dann auf. Im Falle nega­ tiver Spannung schließt der Gleichrichter und das halbleiten­ de Material sperrt den Stromfluss.
Die Halbleiterschicht soll dabei nicht zu dünn sein, bei­ spielsweise mit Schichtdicken von 50 bis 2000 nm. Die Schicht­ dicke der Leitermaterialien ist nicht so relevant, um einen möglichst niedrigen Ohm'schen Anschlusskontakt zu haben, sollten sie dicker sein als die Halbleiterschichten.
Der in Fig. 1 beschriebene Aufbau zeigt nur ein einfaches Beispiel. Zur Optimierung können auch weitere Schichten (z. B. zur Anpassung der Austrittsarbeit)eingefügt werden. Die Lei­ termaterialien müssen dabei so an das Halbleitermaterial an­ gepasst werden, dass die Struktur eine Diodenkennlinie er­ gibt, in anderen Worten, dass der Strom nur in einer Richtung fließt und in der anderen weitgehend gesperrt wird. Dabei sollte das Verhältnis der Ströme mindestens 10/1 nach Mög­ lichkeit jedoch < 105/1 sein. In Durchlassrichtung soll schon bei möglichst kleinen Spannungen annähernd der gesamte zur Verfügung stehende Strom fließen.
Der organische Gleichrichter soll eine so geringe Abmessung (kapazitive Fläche) besitzen, das eine Schaltfrequenz von mindestens 10 KHz erreicht wird, möglichst jedoch im MHz- Bereich. Eine typische Frequenz für RfID-Tags ist 13,56 MHz, bevorzugt wird dies mit dem Gleichrichter erreicht.
Organische Gleichrichter können vielseitig verwendet werden. Beispielsweise können sie in
  • - integrierten Schaltungen allgemein
  • - "Ident-Systemen" (Ident-Tags, RFID (Radio Frequenz Ident Tags) z. B. für
  • - elektronischer Barcode
  • - elektronische Tickets
  • - Plagiatschutz
  • - Produktinformation
  • - Sensoren
  • - organischen Displays mit integrierter Elektronik
zum Einsatz kommen.

Claims (13)

1. Gleichrichter, basierend auf zumindest einer organischen Diode, mit zumindest einer leitfähigen und einer halbleiten­ den Schicht, wobei zumindest eine der beiden Schichten leit­ fähiges und/oder halbleitendes organisches Material umfasst.
2. Gleichrichter nach Anspruch 1, bei dem beide Schichten or­ ganisch leitfähiges Material umfassen.
3. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Diode einen Mehrschichtaufbau mit zumindest zwei leitfähigen Schichten mit dazwischen einer halbleitenden Schicht hat.
4. Gleichrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, der eine Schaltfrequenz im Mega-Hertz-Bereich hat.
5. Gleichrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, der eine dicke Zwischenschicht zur Erniedrigung der Kapazität hat.
6. Gleichrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, der weitere Schichten aus leitfähigem und/oder halbleitendem or­ ganischen Material umfasst.
7. Schaltung mit organischem Gleichrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen Kondensator umfasst.
8. Schaltung mit organischem Gleichrichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Gleichrichter-Brücke mit La­ dekondensator und/oder Lastwiderstand umfasst.
9. Verwendung eines organischen Gleichrichters in einer in­ tegrierten Schaltung.
10. Verwendung eines organischen Gleichrichters in einem Ident-System.
11. Verwendung eines organischen Gleichrichters in einem Sensor.
12. Verwendung eines organischen Gleichrichters in einem or­ ganischen Display mit integrierter Elektronik.
13. RFID-Tag mit integrierter Schaltung, das zumindest einen organischen Feld-Effekt-Transistor (OFET) und einen inte­ grierten organischen Gleichrichter umfasst.
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