بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ترانزیستور حساس به یون برومید شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی حساسیت ترانزیستور موردنظر به پارامترهایی مانند ضخامت و جنس اکسید گیت و طول گیت برای رسیدن به بالاترین حساسیت را ارائه میکند. بر اساس نتایج شبیهسازی با افزایش غلظت برومید، ولتاژ آستانه ISFET بطور خطی افزایش مییابد. علاوه بر این با افزایش مولار برومید، ولتاژ آستانه با افزایش ضخامت اکسید و افزایش طول کانال، افزایش مییابد. همینطور بیشترین نرخ افزایش ولتاژ آستانه ISFET با افزایش مولار برومید، به ترتیب برای جنسهای اکسید گیت SiO2، Si3N4، Al2O3 و Ta2O5 بدست آمدهاند.
مقدمه
اعمال یک میدان الکتریکی از هر منبعی به سطح نیمه رسانا غلظت حاملهای بار متحرک را افزایش یا کاهش می-دهد. اگر میدان باعث افزایش غلظت حاملها شود، به اصطلاح سطح انباشته شده و سطح نیمهرسانا، از این حیث که بار اضافی در سطح ظاهر شده و میدان الکتریکی به آن رسوخ نمیکند، بسیار شبیه به فلز عمل میکند. از سویی دیگر، اگر میدان حاملهای متحرک را به بیرون از سطح براند، یک ناحیه بار فضایی - ناحیه تخلیه - حاوی اتمهای یونیزه شده که در شبکه ثابت هستند، فاصلهای محسوس را در نیمهرسانا ایجاد میکنند.
این میدان را می توان به چند روش ایجاد کرد. نیمههادی را می توان به فرم یک خازن و یک پتانسیل خارجی اعمال شده - IGFET1 - ساخت، یا اینکه می توان میدان را از اثر الکتروشیمیایی بین مواد مختلف به وجود آورد . - ISFET - ترانزیستور اثر میدان حساس به یون - ISFET - 2 افزارهای شامل الکترودهای انتخابگر یون - غشا - و ترانزیستور اثر میدانی - FET - میباشد. غشا در این ترانزیستورها غلظت یون یا تغییر موضعی دانسیته بار در محلول الکترولیت را اندازهگیری کند.
در سال 2012 ژوکسین دانگ و همکارانش مفهوم ترکیب نانولوله کربن و ترانزیستور اثر میدانی حساس یونی - ISFET - را برای تشخیص pH پیشنهاد دادند. در این مرجع احتمال قرارگیری نانولولههای کربن بین الکترود سورس و الکترود درین با استفاده از دی الکتروفورز - DEP - 3 مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج این مقاله نشان میدهد RT / F In ai1 / ai2 که نانولوله کربن یک ماده نوید بخش برای بهبود کارایی و کاهش قیمت سنسورهای شیمیایی pH فعلی است .[1] در سال 2013 برازینی و همکارانش به بررسی حساسیت pH ساختار چندلایه InAIN/GaN رشد یافته بر روی زیرلایههای Si پرداختند.
بر اساس نتایج این مقاله، مانع بزرگتر تحرک اثر میدانی بزرگتری از خود نشان میدهد ولی مانع نازکتر یک Ids/ S+ بهبود یافته مربوط به نفوذ بیشتر بر چگالی 2DEG از محیط را نشان میدهد. اندازه گیریهای بدون الکترود مرجع تایید کرد که چگونه مانع نازک عملکرد سنسور را بهبود میبخشد تا در یک نقطه نزدیکتر به رسانایی متقابل کار کند .[2] در سال 2013 ژوکسین دانگ و همکارانش از ترکیب ترانزیستور اثر میدانی حساس یونی با سیستمهای میکروالکترومکانیکی - MEMS - 4 تکنیکی برای تشخیص pH پیشنهاد دادند.
تازگی این دستگاه در شناسایی محلولهای هدف با حجمهایی در وسعت زیر میکرولیتری است. با بسته بندی الکتریکی مناسب، تراشه ISFET قادر است مقادیر pH محلولهایی تا 2/5 ʽL را شناسایی کند. نتایج، یک سنجش خطی pH با دقت 10/7 mV/pHرا نشان میدهند .[3] در سال 2015 چیاچن و همکارانش یک pH-ISFET بر پایه GaN که با استفاده از H2O2 آماده شده بود را بررسی کردند. این افزاره حساسیت ولتاژ بالاتر ، حساسیت جریان بالاتر، نرخ انحراف پایینتر، پسماند به شدت کمتر و نرخ افت ولتاژ پایینتر بعد از 28 روز را نشان داد.
علاوه بر این، تاثیرات تداخلی ناچیزی از یونهای Na+ و K+ مشاهده شد .[4] در سال 2015 فی ایکسو و همکارانش به طراحی و پیاده سازی یک سنسور pH-ISFET با قابل اطمینان بالا و توان مصرفی پایین درون یک کپسول تشخیصی بیسیم برای نظارت بر pH دستگاه گوارش انسان پرداختند. جزء تشخیصی دستگاه یک FET حساس یونی با ولتاژ آستانهای متفاوت با تمرکز یونهای هیدروژن بود. یک الکترود مرجع Ag/AgCl که با KCI مخلوط پوشانده شده بود در این دستگاه تشخیص pH بکار گرفته شد .[5]
مدلسازی ISFET
سنسورهای یونی سنسورهای شیمیایی هستند. این به معنی آن است که تفاوت در پتانسیل الکتریکی در حد فاصل جامد مایع بعنوان تابعی از غلظت یون مورد اندازهگیری قرار میگیرد. این اندازهگیری طبق معادله نرنست میباشد: - 1 - که در اینجا R ثابت گازها، T دمای مطلق و F ثابت فارادی میباشد. حساسیت بر طبق RT/F مشابه با kT/q در فیزیک حالت جامد است. غلظتهای یونی c1 بر مبنای فعالیت آورده شدهاند ai=fici، که در آن fi ضریب فعالیت است. در محلولهای رقیق مقدار fi برابر با یک است. این معادله بیان میکند که اگر در یک طرف حد فاصل فعالیت یون مورد نظر ثابت باشد، مقدار پتانسیل الکتریکی مستقیما متناسب با لگاریتم فعالیت یون در طرف دیگر است.
همانطور که اشاره شد، ISFET ترانزیستوری است که در آن گیت فلزی با گیت مایع جایگزین شده و معمولا بصورت یک الکترود در محلول الکترولیت فرو رفته است - شکل . - 1 الکترولیت یک محلول تحت آزمایش است که شامل ذرههای باردار مثل بیومولکولهای باردار یا یونهای برومید است. اکسید گیت به طور مستقیم در معرض محلول الکترولیت قرار دارد و معمولا با دریافت کنندهها اصلاح میشود که اجازه شناسایی یک گونه هدفدار را می-دهد.
برای استفاده از شناساگر PH یک اکسید گیت خالی با گروه هیدروکسیل - -OH - به عنوان دریافت کننده داشته باشیم، چون آنها در محلول با پروتونها واکنش میدهند. وقتی گونه هدف گذاری شده با دریافت کننده واکنش داد، ذرههای باردار یک سطح پتانسیل حسگر یونی 0 روی سطح سنسور به وجود میآورند، که شبیه یک شکل:1 ساختار نوعی ISFET که فلز گیت با یک محلول تحت آزمایش شامل گونههای هدفگذاری شده باردار - دایرههای قرمز - جایگزین شده [6] ولتاژ گیت اعمال شده Vg عمل میکند. سطح پتانسیل حسگر یونی 0 ولتاژ آستانه Vth را همانطور که در معادله زیر نشان داده شده جابجا میکند .[7]
در این رابطه Eref پتانسیل ثابت مرجع، 0 پتانسیل سطح حسگر یونی، sol پتانسیل دوقطبی سطح حلال، Si تابع کار سیلیکون است. بار Qox نشانگر بارهای به تله افتاده در اکسید و Cox ظرفیت اکسید است. نکته اینکه ولتاژ آستانه آنگونه که برای MOSFET با تابع کار فلز مشخص میشد، تعیین نمیشود، بلکه با پتانسیل سطح حسگر یونی مشخص میشود. همه عبارتها ثابت هستند به جز پتانسیل سطح حسگر یونی که به واکنش گونه هدف گذاری شده با دریافت کننده بستگی دارد. بنابراین، تغییر Vth سیگنال الکتریکی مشخصه برای سنسور است.
علاوه بر این برای مدلسازی قابلیت تحرک حامل در کانال ISFET از مدلی دقیق برای شبیهسازی و تخریب قابلیت تحرک حامل درون لایه وارون استفاده شده است. در این مدل وابستگی قابلیت تحرک حامل به چگالی ناخالصی و دما را با سه جز بیان میشوند و این اجزا بر اساس قانون Matthiessen ترکیب میشوند .[8] جز اول - ʽAC - قابلیت تحرک سطحی محدود شده با پراکندگی فونونهای آکوستیک، جز دوم - ʽsr - ضریب صافی سطح، جز سوم - ʽb - قابلیت تحرک حامل محدود شده با پراکندگی ناشی از درههای فونونی هستند.
نتایج شبیهسازی
شکل 2 تاثیر مول برومید به ازای ولتاژ درین 0/1 ولت، ولتاژ گیت 2 ولت را بر قدر مطلق ولتاژ آستانه ISFET نشان میدهد. بر اساس این شکل با افزایش غلظت برومید، قدر مطلق ولتاژ آستانه ISFET بطور خطی افزایش مییابد.
