Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
напротив, сильное электрическое поле в этой области ускоряет электроны до
максимальной скорости. Следовательно, при VD > VG - К, изменение
напряжения стока не влияет на ток стока; уравнение для тока стока в
насыщенном состоянии получают, подставляя в уравнение (26.13) выражение
для напряжения насыщения стока FDsat = VG - VT:
п WC
Id = 2lT{Va ~ Ft)2' Vd > F°sa'' (26Л4)
Уравнения (26.13) и (26.14) выражают зависимости, графики которых
представлены на рис. 26.7. Эти уравнения качественно правильно (хотя
количественно и не точно) описывают целый ряд явлений, например
насыщенное и ненасыщенное состояния, постоянство силы тока при VD > FDsa,
и зависимость Vn sat от VG и VT.
На рис. 26.8 представлены графики описываемых уравнениями (26.13) и
(26.14) зависимостей тока стока от напряжения затвора VG. В насыщенном
состоянии (в области нелинейной зависимости при малой силе тока) сила
тока пропорциональна квадрату напряжения затвора, тогда как в
ненасыщенном состоянии между силой тока и напряжением затвора существует
линейная зависимость. При дальнейшем повышении напряжения затвора,
однако, ток затвора обычно начинает насыщаться и реальные
394
Глава 26
VD, В
Рис. 26.7. Графики зависимости тока стока от напряжения стока при
различных напряжениях затвора, иллюстрирующие процесс насыщения и
насыщенное состояние.
зависимости отличаются от предсказываемых теорией. Эти отклонения от
теории обусловлены двумя различными эффектами. Во-первых, при большом
напряжении затвора поле в инверсионном слое, перпендикулярное направлению
тока, снижает эффективную подвижность электронов рп, поскольку возрастает
вероятность их взаимодействия с поверхностью. Во-вторых, в ДЗПТ обычной
геометрии с кремниевой подложкой контактные площадки, на которые подается
регулирующее напряжение, обычно располагают на ребрах кристалла, тогда
как транзисторы размещают на внутренней поверхности. Тонкие металлические
полоски или сильно легированные участки кремния обычно соединяют
транзисторы с контактными площадками. Поскольку такие соединения имеют
вполне определенное сопротивление, они вносят свой вклад в общее
сопротивление на пути от стока к истоку ДЗПТ. При большой силе тока стока
обусловленное этим последовательно включенным сопротивлением Rs падение
напряжения становится заметным, и фактически между стоком и истоком
устанавливается разность потенциалов VD - /D/?s. отличающаяся от
приложенного напряжения
VG-VT, В
Рис. 26.8. Графики зависимости тока стока от напряжения затвора при
различных напряжениях стока. Штрихпунктирными линиями показаны
теоретические зависимости, сплошными - экспериментально найденные.
Химически чувствительные полевые транзисторы
395
VD. Таким образом, при большой силе тока это сопротивление обуславливает
снижение тока стока.
26.2.4. Химически чувствительный полевой транзистор
Описанный выше ДЗПТ можно трансформировать в ХЧПТ (по крайней мере
теоретически), заменив металл затвора химически чувствительной мембраной.
Если речь идет о ХЧПТ, чувствительном к частицам в растворе, то, как
показано на рис. 26.9, с помощью находящегося в растворе электрода
сравнения к области затвора прикладывается определенное напряжение.
Сравнивая рис. 26.9 и 26.5 (ХЧПТ и ДЗПТ), нетрудно видеть, что
электрические цепи ХЧПТ и ДЗПТ различаются только тем, что в первом
металл затвора заменен на комбинацию из электрода сравнения, раствора и
химически чувствительной мембраны.
Уравнения, описывающие работу ХЧПТ, легко вывести из соответствующих
уравнений для ДЗПТ, учтя разность потенциалов между новыми элементами
цепи. В этом разделе будут выведены общие уравнения, описывающие вольт-
амперные характеристики устройств через разность потенциалов на новых
границах раздела, без анализа зависимостей этой разности потенциалов от
химических свойств окружающего электролита. Механизм химической
чувствительности ХЧПТ каждого типа и соответствующие уравнения будут
рассмотрены в последующих разделах.
Вспомним, что в уравнениях (26.13) и (26.14) символом VG мы обозначали
напряжение, приложенное к металлу затвора, и, следовательно, потенциал на
поверхности диэлектрика, контактирующего с металлом затвора. Аналогичные
уравнения можно записать и для ХЧПТ, если вместо VG подставить новый
потенциал на поверхности диэлектрика. Этот потенциал будет равен сумме
потенциалов на металлическом проводе электрода сравнения (VG), на границе
раздела электрод сравнения-раствор (Eref) и на границе раздела раствор-
мембрана (4>soi-mem)- Таким путем
Рис. 26.9. Схема ХЧПТ. 1 -кремниевая подложка; 2- диэлектрик; 3-химически
чувствительная мембрана; 4-исток; 5 -сток; 6- изолирующий герметик.
396
Глава 26
получим следующие общие уравнения для ХЧПТ в растворе:
[i"WCnf * кД
ID = ^~l[VG-V*-ETCt-4>sol-mcm--^JVD VD<VDsat (26.15)
И
/d = ~v*~ Е'°{ - ")2 v°> (26Л6)
Здесь пороговое напряжение обозначено символом V*, поскольку в
определение К, (уравнения (26.5) и (26.6)) входит разность работ выхода
