Электрохимический транзистор: что с патентами?

Электрохимический транзистор — это электронное устройство, принцип работы которого основан на электрохимических процессах, а не на традиционных твердотельных полупроводниках с электронно-дырочным механизмом проводимости. Такие транзисторы используют электролиты, органические полупроводники и металлооксидные материалы с ионным и солитонным механизмами проводимости. 

В электрохимическом транзисторе есть канал (полупроводниковый или проводящий слой), электроды истока и стока, а также электрод затвора, который находится в ионном контакте с каналом через электролит. Электролит может быть жидким, гелеобразным или твёрдым. Проводимость канала регулируется за счёт окислительно-восстановительных реакций и миграции ионов между каналом и электролитом. При подаче напряжения на электрод затвора происходит взаимодействие ионов из электролита с материалом канала, что изменяет плотность электронного заряда и, соответственно, ток стока. В зависимости от полярности напряжения и характера реакций канал может переходить из проводящего состояния в изолирующее и наоборот. Например, при положительном напряжении на затворе катионы из электролита вводятся в канал, что может привести к электрохимическому восстановлению материала (например, PEDOT:PSS) и снижению его проводимости. При снятии напряжения ионы возвращаются в электролит, и ток стока возвращается к первоначальному значению. Некоторые материалы канала могут удерживать мигрировавшие ионы даже после снятия напряжения на затворе, что позволяет использовать такие транзисторы в качестве запоминающих устройств. 

О них сегодня мы и поговорим.

Особенности

Низкое рабочее напряжение (обычно менее 1 В), что делает электрохимические транзисторы перспективными для применения в биологических системах, биосенсорах и биоэлектронике.  

Возможность интеграции с биологическими системами. Это открывает пути для применения в нейроморфных вычислениях, нейронных интерфейсах, а также для мониторинга состояния здоровья, биомаркеров и других задач.  

Разнообразие материалов. В качестве электролита могут использоваться полимеры, ионные жидкости, ионные гели, водные жидкие электролиты. Для каналов часто применяют органические полупроводники, например, PEDOT:PSS, полипиррол, политиофен.

Примеры применения:

• электрохимические биосенсоры; 

• нейронные интерфейсы; 

• нейроморфные устройства; 

• мониторинг развития растений; 

• носимые устройства для биомедицинского зондирования (измерение уровня натрия, калия в крови, частоты сердечных сокращений и т. д.). 

Таким образом, электрохимические транзисторы сочетают электронные и электрохимические процессы, что позволяет использовать их в специализированных областях, где требуется взаимодействие с химическими или биологическими средами.

Какие патенты на изобретения по этой теме существуют?

На портале Google.Patents поиск по запросу electrochemical transistor показывал более 100 000 документов на июнь 2026 г. В рамках МПК рейтинг тематик следующий:

• полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования энергии или информации H10D – 21,4%;

• исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств G01N – 19,7%;

• органические электрические твердотельные устройства H10K – 18,8%;

• оптические устройства G02F – 15,7%;

• сокращение выбросов парниковых газов Y02E – 15,6%;

• схемы или устройства управления индикаторными приборами с использованием статических средств для представления переменных величин G09G – 15,5%;

• способы и устройства, например батареи, для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую H01M – 9,2%;

• и т.д.

Динамика мирового патентования представлена на рис. 1.

Видно, что в 1992-2007 активность патентования резко выросла, последние 20 лет была платообразной с небольшим пиком в 2010-2013 гг.

Рейтинг патентовладельцев следующий:

1. Seiko Epson Corporation – 7%;

2. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. – 3,1%;

3. Samsung Display Co., Ltd. – 1%;

4. The Regents Of The University Of California – 1%;

5. The Board Of Trustees Of The University Of Illinois – 1%;

6. Ethicon Llc – 0,9%;

7. Acreo Ab – 0,8%;

8. Monolithic 3D Inc. – 0,8%;

9. Sony Corporation – 0,7%;

10. Northwestern University – 0,7%;

В ТОП-10 патентодержателей входят в основном японские, южнокорейские и американские компании и организации. При этом США в рейтинге представлены в основном вузами, а не техногигантами, что очень странно. Обычно в подобных рейтингах всегда присутствуют корпорации, вроде Intel или IBM. Вероятно, последним проще лицензировать или купить разработки у того же Калифорнийского университета. 

Что примечательно, на втором месте Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. О ее главе, патентом короле Японии Ямадзаки Сюмпэе, мы уже писали отдельный материал на Хабре. 

Примеры патентов:

• US10424751B2 Organic electrochemical transistors with tunable threshold voltage. Genesee Valley Innovations LLC. В одном варианте осуществления предлагается электронное устройство, которое может включать в себя, по меньшей мере, два органических электрохимических транзистора (ОЭХТ). Соответствующий ОЭХТ включает в себя проводящий канал, затвор, электрически связанный с проводящим каналом через первый электролит, и электроды истока и стока, отделенные друг от друга проводящим каналом. 

• CN113607795B Double gate organic electrochemical transistor. Hong Kong Polytechnic University HKPU. Настоящее изобретение обеспечивает транзистор и способ обнаружения и/или определения концентрации анализируемого вещества в образце с использованием транзистора.

• US12364089B2 Pressure sensor device with organic electrochemical transistors with microstructured hydrogel gating medium. University of California San Diego UCSD. Раскрыт ионтронный датчик давления с низким энергопотреблением, основанный на OECT, в котором ионный гидрогель используется в качестве твердой стробирующей среды для сформированных на нем чувствительных к давлению транзисторных элементов. 

Что в России?

В базе ФИПС патентов РФ на изобретения по рефератам на электрохимический транзистор поисковая машина выдаёт 32 ед. периода 1994-2026 гг., но большинство патентов составляет шум, например «электрохимическое осаждение плёнкой для полевых транзисторов», «защита от электрохимической коррозии устройствами с транзисторами». При ручной выборке обнаружено, увы, только два патента:

№2796202 (2023) Способ изготовления биосенсорной структуры. Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского. Изобретение относится к технологии изготовления сенсорных структур на основе твердотельного полупроводника и функционального органического покрытия и может быть использовано при создании ферментных биосенсоров на основе полевых транзисторов или структур «электролит-диэлектрик-полупроводник». 

№2859283 (2026) Способ получения композитных пленок на основе гудрона. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Изобретение относится к получению композиций на основе органических высокомолекулярных соединений, а именно к получению композитных пленок на основе гудрона на подложке из полиэтилентерефталата, и может быть использовано при изготовлении электрохимических транзисторов и неметаллических антенн. 

Патентов РФ на полезные модели по теме нет. Зарегистрированных баз данных, топологий интегральных схем и программ для ЭВМ по нашей теме в России нет. 

НИОКР

По теме электрохимический транзистор в базе ГИС «Наука» 68 документов на июнь 2026 года, в основном отчёты НИОКР.

Так, в 2025 г. Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН за грант 38,2 млн руб. от Минобрнаука выполнил НИР «Разработка функциональных органических, полимерных и гибридных материалов с заданными полупроводниковыми, оптическими, электрохимическими, сенсорными и другими свойствами, необходимыми для обеспечения создания элементной базы электроники, фотоники и оптоэлектроники нового поколения на основе нанотехнологий». Ранее было сотрудничество с Курчатовским Комплексом Синхротронных и Нейтронных Исследований НИЦ Курчатовский Институт, 2022-2025 гг.

НИР «Молекулярное конструирование полимерных металлокомплексов с редокс-активными лигандами и разработка подходов к управлению их электронно-ионной проводимостью для электрохимических транзисторов нового поколения» в 2023-2025 гг. за 3 млн руб. выполнил Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. Целью являлось создание новых функциональных материалов для каналов электрохимических транзисторов на основе проводящих полимерных комплексов никеля (II) с саленовыми лигандами и комплексное исследование влияния природы мономера, условий электрополимеризации и осуществления окислительно-восстановительных превращений на параметры электронного и ионного транспорта в данных материалах. 

Заключение

Уровень патентования в мире достаточно высокий последние 20 лет. В России он почти нулевой, хотя ведутся впечатляющие по умственной наполненности НИОКР, которые потенциально способны привести к изобретениям и соответствующим патентам.

Сделать точный прогноз рынка электрохимических транзисторов сложно из-за:

• отсутствия массовых коммерческих продуктов;

• неопределённости в сроках преодоления технологических барьеров;

• конкуренции с более зрелыми технологиями (например, кремниевыми транзисторами).

Если технология получит широкое распространение, рост рынка может быть экспоненциальным, особенно в нишевых сегментах. Однако это произойдёт только при успешном решении проблем с надёжностью и производительностью.

Пока что мы видим множество патентов у японских, южнокорейских и американских компаний и организаций.