FET 生物傳感器的直流I-V 特性研究

由于半導(dǎo)體生物傳感器的低成本、迅速反應(yīng)、檢測(cè)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于此類傳感器的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量投入。特別是基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的生物傳感器或生物場(chǎng)效應(yīng)管，它們被廣泛用于各種應(yīng)用：如生物研究，即時(shí)診斷，環(huán)境應(yīng)用，以及食品安全。

生物場(chǎng)效應(yīng)管將生物響應(yīng)轉(zhuǎn)換為分析物，并將其轉(zhuǎn)換為可以使用直流I-V技術(shù)輕松測(cè)量的電信號(hào)。輸出特性 (Id-Vd)、傳輸特性 (Id-Vg) 和電流測(cè)量值相對(duì)于時(shí)間 (I-t) 可以與分析物的檢測(cè)和幅度相關(guān)。

根據(jù)設(shè)備上的終端數(shù)量，可以使用多個(gè)源測(cè)量單元(SMU) 輕松完成這些直流I-V測(cè)試。SMU是一種既可以輸出又可以測(cè)量電流和電壓的儀器，可以用來(lái)對(duì)FET的柵極和漏極施加電壓。如圖1所示，Keithley 4200A-SCS參數(shù)分析儀是多個(gè)SMU與交互式軟件相結(jié)合的集成系統(tǒng)。這種可配置的測(cè)試系統(tǒng)將這些測(cè)量簡(jiǎn)化為一個(gè)集成系統(tǒng)，包括硬件、交互軟件、圖形和分析功能。

圖1. 4200A-SCS參數(shù)分析儀

本應(yīng)用指南描述了典型的生物場(chǎng)效應(yīng)管，及如何將SMU和被測(cè)器件進(jìn)行電氣連接，定義了常見(jiàn)的直流I-V測(cè)試和用于進(jìn)行測(cè)量的儀器，并解釋了測(cè)量注意事項(xiàng)以達(dá)到理想測(cè)量結(jié)果。

一、生物場(chǎng)效應(yīng)管/BioFET感器

生物晶體管傳感器包含一個(gè)晶體管和一個(gè)生物敏感層，用于檢測(cè)類似于生物分子等生物成分。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的圖，說(shuō)明了生物晶體管傳感器是如何工作的。

圖2. 使用生物傳感器和直流I-V測(cè)量?jī)x器檢測(cè)和測(cè)量生物成分

使用生物傳感器，生物成分如葡萄糖、病毒、PH值或癌細(xì)胞等被傳感元件（如生物受體、傳感膜或碳納米材料）檢測(cè)，這些傳感元件是生物傳感器的一部分。該裝置將對(duì)被分析物的生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。生物元件的檢測(cè)和濃度與流過(guò)晶體管的漏極電流有關(guān)。然后使用直流I-V測(cè)量?jī)x器測(cè)量FET的電信號(hào)。這些測(cè)量?jī)x器與測(cè)量傳統(tǒng)晶體管的測(cè)量?jī)x器是一樣的。

在這些設(shè)備上執(zhí)行的常見(jiàn)直流I-V測(cè)試包括傳輸特性、輸出特性、閾值電壓、開(kāi)路電位和設(shè)備的柵極漏電流。

二、MOSFET概述

許多生物晶體傳感器基于MOSFET或金屬氧化物半導(dǎo)體FET，這是一個(gè)帶有絕緣柵極的三端或四端FET。

圖3顯示了一個(gè)n溝道MOSFET或nMOS晶體管，具有四個(gè)端子：柵極、漏極、源極和體極（塊體）。源極和漏極觸點(diǎn)是大量摻雜n+的區(qū)域。襯底為低摻雜材料p-。柵極用一層很薄的氧化層（通常是SiO2）與通道絕緣。

圖3. MOSFET簡(jiǎn)化電路

當(dāng)電壓源連接到柵極和漏極端并施加偏置電壓Vg和Vd時(shí)，在源極和漏極端之間形成導(dǎo)電通道。電流開(kāi)始從漏極流向源極。電流流動(dòng)的方向與帶負(fù)電的電子的運(yùn)動(dòng)方向相反。柵極電壓與載流子一起控制通道。

圖4. 使用SMU測(cè)試MOSFET的直流I-V特性

如圖4所示，電路中的兩個(gè)電源可以替換為SMU。SMU可以提供電壓和測(cè)量電流，以確定MOSFET的I-V特性。在本例中，一個(gè)SMU連接到柵極端子上，施加?xùn)艠O電壓并測(cè)量柵極泄漏電流。第二個(gè)SMU連接到漏極端，施加漏極電壓并測(cè)量由此產(chǎn)生的漏極電流。除了加載電壓和測(cè)量電流外，還可以遠(yuǎn)程控制SMU改變電壓源的極性，并設(shè)置合適的鉗位電流，以防止過(guò)大的電流損壞設(shè)備。

根據(jù)I-V測(cè)量需求，SMU也可以連接到MOSFET的Source和Bulk端。本示例中，Source端和Bulk端分別連接在SMU的LO終端上。當(dāng)使用多個(gè)SMU時(shí)，SMU的時(shí)間必須同步，這在4200A-SCS參數(shù)分析儀內(nèi)會(huì)自動(dòng)完成。

三、BioFETs示例

在本節(jié)中，將提供常見(jiàn)生物場(chǎng)效應(yīng)管的示例以及如何與這些器件進(jìn)行電氣連接。這些例子包括背柵生物場(chǎng)效應(yīng)管、擴(kuò)展柵極FET和離子敏感型FET。

Back-Gated BioFET

在背柵生物場(chǎng)效應(yīng)管中，如圖5所示，電和化學(xué)絕緣材料將半導(dǎo)體層與導(dǎo)電通道分開(kāi)。當(dāng)生物受體暴露于特定的分析物或生物元素時(shí)，F(xiàn)ET的I-V特性將受到影響。在這種情況下，漏極電流與生物因素有關(guān)，如病原體或其他生物分析物。

圖5. 背柵BioFET

電路中的兩個(gè)SMU用于偏置和表征器件。一個(gè)SMU連接到柵極，第二個(gè)SMU連接到漏極。源端可以連接到4200A-SCS的接地單元，也可以連接到第三個(gè)SMU。

在這個(gè)例子中，SMU1提供柵極電壓，也可以用來(lái)測(cè)量柵極泄漏電流。有時(shí)使用電源來(lái)加載柵極電壓SMU的使用提供了一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗€可以測(cè)量柵極泄漏電流，這有助于研究器件的I-V特性。柵極電壓用于控制通道寬度，并可用于增加對(duì)分析物的靈敏度，因此更容易測(cè)量漏極電流。SMU2連接到漏極端并施加漏極電壓（VD）并測(cè)量漏極電流（ID）。

擴(kuò)展柵FET（EGFET）

圖6顯示了一個(gè)擴(kuò)展柵FET，它包括一個(gè)傳感結(jié)構(gòu)和一個(gè)MOSFET。在這種生物場(chǎng)效應(yīng)管中，傳感結(jié)構(gòu)和MOSFET在物理上分為兩部分。由于MOSFET與傳感元件是分離的，因此可以使用市售的MOSFET作為傳感器。EGFET有一個(gè)與MOSFET柵極直接接觸的工作電極。工作電極在電解質(zhì)溶液中也有傳感膜，用于檢測(cè)分析物。

在這種配置中，SMU1連接到參考電極并輸出參考電壓（VREF）。該電壓用于控制FET的通道寬度。SMU2施加漏極電壓（VD）并測(cè)量漏極電流（ID）。與背柵FET一樣，由兩個(gè)SMU測(cè)量的MOSFET的轉(zhuǎn)移特性（ID vs. VREF）將根據(jù)分析物而變化。SMU也可以用來(lái)測(cè)量輸出特性（ID vs. VD）和器件的柵漏電流。EGFET的一些應(yīng)用包括檢測(cè)特定分子，如葡萄糖、pH值和離子種類。

圖6. 擴(kuò)展柵FET

離子選擇FET（ISFET）

如圖7所示，離子選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）用于測(cè)量溶液中的離子濃度。離子濃度與流過(guò)晶體管的漏極電流有關(guān)。ISFET廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如pH值監(jiān)測(cè)、葡萄糖測(cè)量和抗體檢測(cè)。

ISFET與EGFET一樣，由傳感結(jié)構(gòu)和MOSFET組成。與EGFET不同的是，傳感元件和FET在物理上不是分開(kāi)的，而是結(jié)合在一起的。ISFET具有與MOSFET相同的基本結(jié)構(gòu)，包括柵極、漏極和源極。然而，傳統(tǒng)的MOSFET的金屬柵極被溶液中的參考電極和離子敏感膜所取代。這個(gè)例子展示了一個(gè)硅溝道，但該溝道也可以由石墨烯、硅納米線或碳納米管等其他材料制成。

圖7. ISFET

在本例中，參考電極連接到SMU1，施加電壓并測(cè)量柵極電流。柵極電壓在基準(zhǔn)電極和襯底之間施加，并在FET的漏極和源極之間形成反轉(zhuǎn)層。FET的漏極連接到SMU2，加漏極電壓并測(cè)量漏極電流。背部端接有需要時(shí)用于連接ISFET的襯底和GNDU的Force LO。當(dāng)電解質(zhì)溶液的離子濃度變化時(shí)，F(xiàn)ET的漏極電流也隨之變化，并由SMU2測(cè)量。

四、直流I-V測(cè)量

本節(jié)描述了用于表征生物場(chǎng)效應(yīng)管的常見(jiàn)直流I-V測(cè)量，包括傳輸特性（Id-Vg）、輸出特性（Id-Vd）和漏電流與時(shí)間測(cè)量（Id-t）。

傳輸特性（Id-Vg）

生物場(chǎng)效應(yīng)管上最常見(jiàn)的電氣測(cè)量可能是傳輸特性，它繪制漏極電流與柵極電壓的關(guān)系。轉(zhuǎn)移特性通常與正在研究的病原體或其他生物因素的濃度有關(guān)。

在這個(gè)測(cè)試中，一個(gè)SMU掃描柵極電壓，第二個(gè)SMU在恒定漏極電壓下測(cè)量產(chǎn)生的漏極電流。圖8顯示了四條不同的曲線，代表了四種不同濃度的病原體。這些曲線是使用4200A-SCS參數(shù)分析儀生成的。

圖8. 轉(zhuǎn)移特性

Clarius軟件庫(kù)中附帶了一個(gè)FET傳輸特性的測(cè)試，以及一個(gè)對(duì)傳輸和輸出特性都進(jìn)行測(cè)試的項(xiàng)目。這些測(cè)試和項(xiàng)目可以通過(guò)在軟件的Select視圖中在Library的搜索欄中輸入biofet來(lái)找到。這個(gè)測(cè)試的Configure截圖如圖9所示。

圖9. 在Clarius軟件中配置測(cè)試視圖以測(cè)量生物晶體管的Id-Vg

輸出特性（Id-Vd）

另一種常見(jiàn)的測(cè)試是確定FET的輸出特性，即漏極電流與漏極電壓的相關(guān)函數(shù)，如圖10所示。這些曲線是使用4200A-SCS參數(shù)分析儀中的兩個(gè)SMU生成的。在這種情況下，SMU1連接?xùn)艠O提供步進(jìn)電壓，而連接漏極的SMU2則掃描電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流。

為了測(cè)試FET的功能，多個(gè)柵極階躍可以生成一系列曲線，并顯示漏極電流對(duì)柵極電壓的依賴關(guān)系?；蛘?，柵極電壓可以保持恒定，但對(duì)生物組分進(jìn)行改變，以觀察不同組分或濃度如何影響漏極電流。

圖10. 輸出特性

漏極電流 vs. 時(shí)間（Id-t）

通過(guò)繪制漏極電流隨時(shí)間的函數(shù)圖，可以監(jiān)測(cè)生物晶體管傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如圖11所示。漏極電流的大小會(huì)隨著分析物濃度的變化而變化。在這種應(yīng)用中，當(dāng)漏極電流被測(cè)量時(shí)，柵極和漏極電壓偏置都保持恒定，因此只有分析物在變化。

圖11. 漏極電流與時(shí)間趨勢(shì)圖

五、測(cè)量?jī)?yōu)化

在本節(jié)中，將描述實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量的方法，包括進(jìn)行空白測(cè)試/空測(cè)，以最大限度地減少噪聲讀數(shù)，允許足夠的穩(wěn)定時(shí)間，以及規(guī)范使用以避免損壞設(shè)備。

運(yùn)行“空白”測(cè)試

一旦系統(tǒng)設(shè)置好，運(yùn)行“空白”或空測(cè)以確保一切設(shè)置和配置正確是一個(gè)好方法。這個(gè)測(cè)試將通過(guò)測(cè)量設(shè)備的I-V特性來(lái)建立一個(gè)基線電流，以確保它在沒(méi)有添加任何生物成分的情況下是正常工作的。在添加生物組件之前，可以根據(jù)需要對(duì)測(cè)試電路和設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)設(shè)備的類型不同，這個(gè)操作可能是可執(zhí)行的也可能是不可能的。

最小化噪聲讀數(shù)

噪聲可能是測(cè)量低電流時(shí)最常見(jiàn)的問(wèn)題之一。生物晶體管的漏極電流或柵漏電流可以在nA和pA范圍內(nèi)。噪聲可能由幾種原因引起，可能需要一些實(shí)驗(yàn)來(lái)確定其來(lái)源。

當(dāng)帶電物體接近被測(cè)電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電干擾。在高阻抗電路中，這種電荷不會(huì)迅速衰減，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。錯(cuò)誤的讀數(shù)可能是由于直流或交流靜電場(chǎng)造成的，因此靜電屏蔽將有助于最大限度地減少這些場(chǎng)對(duì)測(cè)試的影響。

靜電屏蔽可以只是一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬盒，將測(cè)試電路封閉起來(lái)。探針臺(tái)通常包括一個(gè)靜電/EMI屏蔽或可選的暗盒。屏蔽應(yīng)連接到測(cè)量電路LO端，即SMU的Force LO端子。Force LO端子位于SMU三軸電纜的外屏蔽層或位于GNDU上。所有電纜都需要采用低噪聲設(shè)計(jì)并屏蔽。每個(gè)42XX-SMU配有兩根低噪聲三軸電纜。

另一種降噪方法是控制外部噪聲源。這些噪聲源是由馬達(dá)、電腦屏幕或?qū)嶒?yàn)室或試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)或附近的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾。它們可以通過(guò)屏蔽和過(guò)濾或通過(guò)去除或關(guān)閉噪聲源來(lái)控制。

綜上所述，為了最大限度地減少噪聲讀數(shù)：

• ?  讓所有帶電物體，包括人、導(dǎo)體遠(yuǎn)離測(cè)試電路的敏感區(qū)域

• ?  避免在測(cè)試區(qū)域附近移動(dòng)和振動(dòng)

• ?  控制或消除外部噪聲源

• ?  增加測(cè)量的積分時(shí)間，可以在Clarius的測(cè)試設(shè)置窗口中使用自定義速度模式進(jìn)行調(diào)整

• ?  用導(dǎo)電外殼將被測(cè)設(shè)備屏蔽，并將外殼與測(cè)試電路公共端子（Force LO）連接，如圖12所示。屏蔽可以只是一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬盒或網(wǎng)狀屏幕，將測(cè)試電路封閉起來(lái)。

圖12. 導(dǎo)電屏蔽殼連接到Force LO

限制電流

為了防止在進(jìn)行I-V表征時(shí)損壞設(shè)備，設(shè)置鉗位值以限制可以流過(guò)設(shè)備的電流量。這可以在Clarius軟件中通過(guò)將每個(gè)SMU的當(dāng)前鉗位值設(shè)置為安全水平來(lái)完成。這是一個(gè)可編程限制，以確保電流不超過(guò)用戶定義的水平。

提供足夠的穩(wěn)定時(shí)間

當(dāng)測(cè)量低電流（<1μA）時(shí)，需要允許足夠的穩(wěn)定時(shí)間，以確保在施加或改變電流或電壓后測(cè)量的穩(wěn)定性，例如當(dāng)掃描柵極電壓和測(cè)量漏極電流時(shí)。影響電路穩(wěn)定時(shí)間的因素包括測(cè)試電路的分流電容和器件電阻。分流電容包括電纜、測(cè)試夾具、探頭和開(kāi)關(guān)矩陣。

測(cè)量電路的穩(wěn)定時(shí)間可以通過(guò)繪制電流與時(shí)間到階躍電壓的關(guān)系來(lái)確定。穩(wěn)定時(shí)間可以通過(guò)圖形直觀地確定。一旦確定了穩(wěn)定時(shí)間，該值可以用作Clarius軟件的測(cè)試設(shè)置窗口中的電壓掃描延遲時(shí)間。

六、結(jié)論

基于FET的生物傳感器由于其成本低、反應(yīng)快、檢測(cè)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，研究和開(kāi)發(fā)得到了加強(qiáng)。生物OFET將對(duì)分析物的生物響應(yīng)轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)直流I-V儀器輕松測(cè)量的電信號(hào)。4200A-SCS參數(shù)分析儀中的SMU用于執(zhí)行生物場(chǎng)效應(yīng)管的I-V表征，使用適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)置和應(yīng)用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)可以達(dá)到理想測(cè)量結(jié)果。