Ионоселективные полевые транзисторы

Полевые транзисторы, используемые в биосенсорных устройствах, обладают химической чувствительностью, которая обеспечивается за счет формирования химически чувствительной мембраны. В связи с химической чувствительностью такие полевые транзисторы названы ионоселективными (ИСПТ). Первый ИСПТ был описан в 1972 г. как прибор, который предназначался для измерения ионных потоков в мембранах нервных клеток. Автор определил его как прибор, сочетающий химическую чувствительность стеклянного электрода со свойством полевого транзистора как усилительного элемента, используемого в микроэлектронике и характеризующегося высоким входным сопротивлением.

Прежде чем описать принцип работы ИСПТ, рассмотрим принципы функционирования элемента электронных устройств – полевого транзистора на МОП-структуре. В полевом транзисторе, как и в биполярном, используются свойства границы контакта полупроводниковых материалов с различными типами проводимости (так называемые p-n переходы). Особенность полевого транзистора состоит в том, что проводимость в структуре p-n-p или n-p-n регулируется не электрическим током, а электрическим полем.

Схематически МОП-структура показана на рис. 13. Основу структуры представляет полупроводниковая подложка p- или n-типа. На поверхности полупроводника сформирован слой диэлектрика, на который напылением наносится металлический электрод. В качестве диэлектрика в таких структурах, как правило, используются тонкие, порядка 100 нм, слои окислов, например SiO₂, в связи с чем структуры носят название металл-окисел-полупроводник (МОП), отражающее их композицию.

Рассмотренную выше МОП-структуру можно превратить в модель полевого транзистора, если дополнить ее боковыми электродами (6). Ток, протекающий через полупроводник, включенный в цепь через боковые контакты, зависит от потенциала, который подается на металлический электрод, тонким слоем изолирующего материала отделенный от поверхности полупроводника. Важность этого принципа

 

 

Рис. 13. Схема устройства полевого транзистора МОП-типа. 1 – кремниевая подложка р -типа; 2 – диэлектрик; 3 – электрод затвора; 4 – исток; 5 – сток; 6 – контакты к истоку и стоку; V_з, V_с – потенциалы затвора и стока соответственно

для создания полупроводниковых приборов, управляемых полем (потенциометрических), состоит в том, что при таком способе управления практически не потребляется энергия, так как ток, протекающий через диэлектрик, крайне мал.

Работа прибора, состоящего из полупроводниковой подложки р-типа (1), в которой диффузией или ионной имплантацией созданы две области (4, 5) n-типа (сток и исток), проявляется в том, что, когда на металлическом контакте на изоляторе (слое окисла) (3) между истоком и стоком, называемом электродом затвора, отсутствует напряжение, электроды сток и исток являются двумя р-n переходами, включенными навстречу друг другу. Ток, который может течь в этом случае от истока к стоку, по величине незначителен. Когда к затвору приложено достаточно большое положительное напряжение, под ним в полупроводнике образуется инверсионный слой n-типа (2), и области истока и стока оказываются соединенными «поверхностным» каналом, через который может течь большой ток. Проводимость канала модулируется изменением напряжения на затворе.

Первое электронное устройство такого типа было изготовлено в 1960 г. В настоящее время полевые транзисторы нашли широкое применение в различных электронных схемах.

Ионоселективный полевой транзистор имеет подобную структуру (рис. 14). Однако в отличие от элемента электронных схем поверхность окисла не покрывается металлом: на нее наносится ионоселективная мембрана. В первом полевом ИСПТ ее роль выполнял сам слой изолятора из двуокиси кремния, который изменял потенциал в зависи-

 

Рис. 14. Структура ИСПТ. 1 - кремниевая подложка; 2 – диэлектрик; 3 – химически чувствительная мембрана; 4 – исток; 5 – сток; 6 – изолирующее покрытие

 

мости от рН среды, т. е. для того, чтобы превратить МОП-транзистор в ИСПТ, достаточно заменить металлический электрод затвора на ионочувствительную мембрану. В ИСПТ электрический потенциал на затворе возникает в цепи электрод сравнения–мембрана–подложка. Принципы формирования электрического потенциала на мембране не отличаются от таковых в потенциометрических ионоселективных электродах и были рассмотрены ранее.

Первые ИСПТ содержали мембрану, обеспечивающую рН-чувстви-тельность. Причем такая функция ИСПТ может быть обеспечена различными изоляторами: Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, Ta₂O₅ и др. В настоящее время наиболее широко применяются первое и последнее в списке соединения. ИСПТ – это современные электрохимические датчики, которые постоянно совершенствуются. В настоящее время созданы ИСПТ, чувствительные к ионам хлорида, натрия, калия и др.

Какими же преимуществами перед другими датчиками обладают ИСПТ?

1. Повышенной помехозащищенностью от воздействия внешних электромагнитных полей.

2. Компактностью. Современные пленочные технологии производства микроэлектронных устройств позволяют разместить на одном квадратном миллиметре несколько десятков транзисторов.

3. Малые размеры датчика определяют и малый расход наиболее дорогостоящих материалов в биосенсорном устройстве – тест-объекта. Как показывает расчет, расходы биологических материалов пропорциональны поверхности датчика и составляют около 0,2–0,4 нг/мм².

4. По своим эксплуатационным характеристикам ИСПТ близок к потенциометрическим датчикам, поэтому на его основе могут быть созданы биосенсорные устройства таких же типов с использованием широкого круга биологических тестирующих элементов.

5.На основе ИСПТ с применением микроэлектронных технологий могут быть созданы биосенсорные устройства, осуществляющие комплексный анализ (своего рода ионоселективная микросхема).

Однако ИСПТ не лишен и недостатков, главный из которых заключается в недолговечности (по причине воздействия влаги) датчика. В связи с этим недостатком современные биосенсоры на основе ИСПТ работоспособны не более 1–2 недель.

 

Ионоселективный диод

В связи с тем, что добиться хорошей влагоизоляции ИСПТ весьма сложно, проводились поиски других типов полупроводниковых потенциометрических приборов, которые могли бы являться основой химического датчика. Описаны основной принцип функционирования ионоселективного диода и технология его изготовления. Диод изготавливали на основе n-типа кремния, а р-n переход создавался путем сложной и тяжело контролируемой процедуры вплавления алюминия в кремний и его сквозной диффузии через пластину. На область р-n перехода наносилась мембрана, обеспечивающая ионную чувствительность (Н⁺, К⁺). При функционировании прибора на электрод сравнения подавалось отрицательное смещение, которое создавало у поверхности диода инверсионный слой р-типа, увеличивая тем самым площадь р-n перехода. Изменения ионного состава среды сопровождались изменением проводимости и емкости диода. Величина изменения емкости была незначительной и составляла единицы пФ на десятикратное изменение концентрации ионов, в то же время диод обладал высокой чувствительностью к свету, мешающей измерениям. Однако этот датчик характеризуется большей долговечностью.