بخشی از مقاله
چکیده
افزاره اثر میدان حساس به یون - ISFET - یک سنسور شیمیایی و بیوشیمیایی محبوب میباشد. ISFET معمولی با محدودیتهایی از نظر حساسیت مواجه است که یکی از راههای غلبه بر این مشکل، استفاده از ساختار دو گیتی مبتنی بر تکنولوژی سیلیکون بر روی عایق - SOI - میباشد. ساختار سیلیکون بر روی عایق دو گیتیکاملاً و تقریباً تهی شده بر خلاف ISFET، برای مقادیر کمتر یا بیشتر از ولتاژ مرجع، مقدار بهره حداکثری دارد.
این امر وضوح بیشتری در سنجش گونههای شیمیایی و بیوشیمیایی ایجاد میکند. در این مقاله عملکرد افزاره اثر میدان حساس به یون دو گیتی SOIکاملاًو تقریباً تهی شده - NFDSOI ISFET - را پیادهسازی و رفتار آن توسط ابزار TCAD شبیهسازی میگردد. مشاهده میشود که ولتاژ آستانه و جریان درین به ضخامت لایه فعال افزاره بستگی داشته و اثر دو گیتی هنگامیکه ضخامت لایه فعال کمتر شود، ملموستر است. همچنین با اعمال پتانسیل به گیت پشتی میتوان ولتاژ آستانه و جریان درین را دستکاری نمود.
- 1مقدمه
ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون - ISFET - که در سال 1970 توسط Bergveld اختراع شد - - Bergveld, P.,2003، یک افزاره حالت جامد میباشد که غشای شیمیایی حساس را با ترانزیستور اثر میدانی نیمهرسانا-اکسید -فلز - MOSFET - ترکیب میکند و پلتفرم محبوب برای سنجش مواد شیمیایی و بیوشیمایی به علت مزایای مختلف آن از قبیل تولید با استفاده از فناوری ساخت مدارهای مجتمع، اندازه کوچک و سازگاری با یونهای خاص و غیره میباشد
این ترانزیستور یک سنسور پتانسیلسنج میباشد که لایه حساس به یون مشخص بر روی عایق گیت - دی اکسید سیلیسیم - با تغییر خصوصیات افزاره، امکان اندازهگیری تغییرات کمی داده را بر حسب تغییرات رسانایی کانال ترانزیستور به دست میدهد. در شکل 1 ساختار افزاره اثر میدانی حساس به یون نشان داده شده است. در مقایسه با ماسفت، در ترانزیستور اثر میدانی حساسبه یون، گیت فلزی و تماس الکتریکی در ناحیه گیت وجود ندارد.در عوض، ناحیه گیت در معرض ماده مورد سنجش میباشد و از طریق یک الکترود مرجع، پتانسیل به ناحیه گیت اعمال میگردد.
وابستگی حرارتی، دریفت بلند مدت و پسماند مغناطیسی و اثر غربالگری بار، از عوامل عدم حساسیت کافی سیستمهای اندازه گیری مبتنی بر ترانزیستور معمول ISFET به ویژه برای عملیاتهای بیومدیکال و تحلیلی میباشد
وابستگی لگاریتمی بین بار موجود در مرز مشترک الکترولیت-عایق و بار منعکس شده در کانال هدایت، حساسیت یک ISFET معمولی ایده آل را تا 59.2 mV/pH میرساند که با عنوان حد نرنست - Nernst limit - شناخته شده است. برای غلبه بر این مشکل، استفاده از ساختار دو گیتی مبتنی بر تکنولوژی سیلیکون بر روی عایق - SOI - در سالهای اخیر بسیار محبوب شده است به طور کلی ساختارهای تست ماسفت همراه با ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون به منظور توصیف کیفیت دی الکتریک گیت و مرز مشترک اکسید- نیمهرسانا روی یک ویفر ساخته میشوند.
ISFETها مبتنی بر پتانسیومتری اختلاف پتانسیل میان یک الکترود مرجع و یک الکترود مبدل را اندازهگیری میکند که بیانگر تغییرات پتانسیل ناشی از تجمع گونه شیمیایی مورد نظر در سطح میباشد - . - C. Jimenez et al, 2010 حساسیت زیاد پاسخ ID به تغییرات پتانسیل سطح، تشخیص بیومولکولها به وسیله ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون را افزایش میدهد. اما محدوده بهره حداکثر در افزاره اثر میدانی حساس به یون برخلاف افزاره سیلیکون بر روی عایق دو گیتیکاملاً و تقریباً تهی شده - NFDSOI ISFET - بسیار باریک بوده که سبب عدم سنجش دقیق این افزاره میشود
در این مقاله عملکرد و رفتار افزاره NFDSOI ISFET بررسی شده است. در بخشدوم، در مورد فیزیک و عملکرد افزاره NFDSOI ISFET بحث شده و در بخش سوم به فرآیند ساخت افزاره پرداخته شده است. در بخش چهارم، مراحل و نتایج مربوط به شبیهسازی و پیادهسازی افزاره در نرم افزار شبیهساز سیلواکو دنبال میشود. درنهایت، در بخش پنجم نتیجهگیری نهایی ارائه میشود.
- 2ساختار NFDSOI ISFET
ادوات SOIکاملاً و تقریباً تهی شده - NFDSOI - میتوانند بصورت دوگانه مانندادوات کاملاً تهی شده و ادوات جزئی تهی شده رفتار کنند. این ادوات در صورتی که ضخامت فیلم سیلیکون بیشتر از مقدار حداکثر عرض تهیسازی و کمتر از دو برابر حداکثر عرض تهیسازی میباشد - - Xdmax <tSi <2Xdmax بدست میآید. tSi - ضخامت لایه فعال و Xdmax عرض حداکثر تهیسازی سیلیکون برای غلظت دوپینگ خاص میباشد
اگر بایاس گیت پشتی به گونهای باشد که قسمت تهیسازیهای جلو و عقب یکدیگر را لمس نکند، در واقع مرز مشترک گیت پشتی خنثی یا انباشته شده باشد، ترانزیستور رفتار یک افزاره تا حدودی تهی شده را داشته که دارای ویژگیهای مشابه با ادوات تودهای میباشد. از سوی دیگر، اگر بایاس گیت پشتی یک همپوشانی را مابین مناطق تهیسازی جلویی و پشتی ایجاد کند، افزاره به طور کامل تهی شده و خواصی مانند ترارسانایی بالا، میدان الکتریکی کم، رفتار کانال کوتاه عالی و ویژگی شیب زیر آستانه بهتری را نشان میدهد.
شکل 2 ساختار SOI MOSFET و شکل 3 ساختار SOI ISFET را نشان میدهد. این دو افزارهکاملاً مشابه هستند، به استثنای تماس فلزی در ناحیه گیت. SOI ISFETها همچنین متشکل از یک تماس گیت پشتی میباشد که میتواند برای کنترل جریان از طریق کانال استفاده شود. بنابراین، مزیت دو گیت را برای کنترل جریان از طریق کانال عرضه میکند.
شکل :1 ساختار ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون - ISFET -
شکل 2 ساختار افزاره SOI MOSFET
شکل :3 ساختار افزاره SOI ISFET
ولتاژ آستانه برای یک ISFET بر طبق رابطه - 1 - میباشد
که در اینجا VFB ولتاژ باند مسطح و QB بار تهی در سیلیکون و F پتانسیل فرمی است. عبارت ولتاژ باند مسطح شامل اثر الکترود مرجع، مرزهای مشترک مابین مایع و فیلم حساس در یک طرف و مایع و الکترود مرجع در طرف دیگر میباشد.
عبارت ولتاژ باند مسطح برای ISFET توسط رابطه - 2 - بیان میگردد:
که در اینجا M تابع کار ماده گیت، Si تابع کار سیلیکون، QSS چگالی حالت سطح، Qox بار ثابت اکسید، Eref پتانسیل الکترود مرجع نسبت به خلاء، sol پتانسیل دو قطبی محلول و o پتانسیل سطح است. بر اساس pH محلول، مقدار بار در سطح فیلم حساس متفاوت است، که تغییرات در پتانسیل سطح را ایجاد میکند.
