Բիո-Սենսորներ

Սենսորներ

Դաշտային և երկբևեռ տրանզիստորները ունեն աշխատանքի տարբեր սկզբունքներ։ Դաշտային տրանզիստորներում հոսանքի անցումը պայմանավորված է երկայնական էլեկտրական դաշտում ուղե-տարի երկարությամբ հիմնական լիցքակիրների շարժումով։ Այդ հոսանքի մեծությունը կարելի է ղեկավարել լայնակի էլեկտրական դաշտի օգնությամբ։ Հիշեցնենք, որ երկբևեռ տրանզիստորում լիցքի տեղափոխման պրոցեսին ակտիվորեն մասնակցում են նաև ոչ հիմնական լիցքակիրները։ Ուստի դաշտային տրանզիստորը միաբևեռ սարք է, այն ղեկավարվում է լարումով։ Այս սարքում առաքիչից կլանիչ հոսող հոսանքը որոշվում, կառավարվում և մոդուլացվում է փականին կիրառված պոտենցիալով։ Դաշտային տրանզիստորը ունի չորս էլեկտրոդներ, որոնք միացված են առաքիչին, կլանիչին, փականին և տակդիրին։ Ներկայումս հիմնականում տակդիրին որևէ պոտենցիալ չի կիրառվում, այնպես որ բավարարվում են երեք էլեկտրոդով։ Դաշտային տրանզիստորները լինում են երկու տեսակի՝ կառավարող p-n անցումով և մեկուսացված փականով (ՄԴԿ) տրանզիստորներ։ Դաշտային տրանզիստորների աշխատանքի հիմնական սկզբունքը հիմնված է հոսանքատար կիսահաղորդչում՝ հոսանքին ուղղահայաց կիրառված էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ հիմնական լիցքակիրների կոնցենտրացիայի մոդուլացման երևույթի վրա։ Այն պատենտագրվել է Լիլենֆելդի և Հեյլի կողմից, կետային և երկբևեռ տրանզիստորների աշխատանքի սկզբունքի բացահայտումից համարյա քառորդ դար առաջ։ Սակայն կառավարող p-n անցումով դաշտային տրանզիստորները իրականություն են դարձել միայն XX դարի 50-ական թվականների սկգբին, իսկ սիլիցիումային ՍԴԿ-տրանզիստորները՝ 60-ականների կեսերիս։ Այդ տարիներին աշխարհում հիմնական գիտական գաղափարները ձևավորող Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր Շոկլիին, իր գործընկերների հետ, համենայն դեպս հաջողվեց պատենտավորել կառավորող p-n անցումով դաշտային տրանզիստորները, բայց ՄԴԿ-ի տրանզիստորի ուղղությամբ հայտերը մերժվեցին։

Դաշտային էֆեկտով իոնազգայուն բիո-սենսորներ

Ժամանակակից էլեկտրոնային միկրոհամակարգերը հաճախ պարունակում են տարբեր տեսակի սենսորներ, որոնց աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է կիսահաղորդչի մակերևույթին և ծավալում ընթացող ֆիզիկական երևույթների վրա։ Այն մասնագիտացված բնագավառները, որոնք նախատեսված են օդի, ջրի և սննդի աղերի մաքրության մոնիթորինգի վրա զարգանում են արդյունաբերական շատ երկրներում։ Այս կոմպլեքս համակարգերի համակարգչային կիսաավտոմատեցված դիզայնի համար ինժեներները համապատասխան սարքերի և մոդելավորման միջոցների կարիք ունեն։ Մագիստրոսական թեզը նվիրված է դաշտային էֆեկտի վրա հիմնված իոնա-զգայուն սարքերի (ISFET) աշխատանքի քննարկմանը, մասնավորապես էլեկտրալիտի թթվայնուտյան/հիմնայնությունից կիսահաղորդչի մակերևութային պոտենցիալի կախվածության տեսական ուսումնասիրությանը։ ISFET-երը լայնորեն օգտագործվում են տարբեր իոնների կոնցենտրացիայի որոշման համար։ Առաջարկվող ISFET մոդելը պարունակում է սովորական մետաղ-օքսիդ-կիսահաղորդիչ դաշտային տրանզիստոր՝ կոմպլեքս էլեկտրոքիմիական փականով։ Էլեկտրական չափումներով հաստատված այս մոդելը իրականացված է նորովի ներկայացված VHDL-AMS (Very high speed hardware description language mixed-signals) ստանդարտով և մոդուլացված է սիգմա-դելտա անալոգա-թվային փոխակերպիչի հետ (∑-∆ ADC) միասին։ Այս սարքերը կարելի է օգտագործել նաև ջրի մաքրության մոնիթորինգի համակարգի ստեղծման նպատակով։ Ջրածնի իոնների կոնցենտրացիայի նկատմամբ զգայուն ISFET-երը հիմք են հանդիսանում գրեթե բոլոր իոնային կոնցենտրացիայի սենսորների համար։ Այլ իոնների նկատմամբ տրանզիստորի զգայնությանը կարող ենք հասնել ծածկելով փականի դիէլեկտրիկ նյութը հատուկ իոն-սելեկտիվ մեմբրանով։ Վերջապես սենսորները ինտեգրացվում են տվյալների ստացման միավորին, որը հավաքելով ինֆորմացիան բոլոր դաշտային բազաներից, փոխանցում է նախնական տվյալը ջրի որակի մոնիթորինգի կայանին։ Բազմաթիվ աշխատանքներ կատարվել են MOS տեխնոլոգիայի վրա հիմնված ISFET-երը բնութագրելու համար։ Առավել խորը ուսումնասիրվել են պրոտոնների զգայուն ISFET-երը։ Այս սարքերի զգայնությունը pH-ի նկատմամբ ընդհանուր առմամբ բացատրվում է այսպես կոչված հանգույց-կապերի մոդելով, ըստ որի մեկուսիչի մակերևույթին գտնվող H+ կապող հանգույցներով է պայմանավորված pH-ի կախվածությունը ISFET-ի մեկուսիչ շերտում լիցքի բաշխումից։

ISFET Սենսորի ործողության սկզբունքը

Ըստ էության ISFET-ի կառուցվածքը նույն է, ինչ որ սովորական MOSFET-ը, բացառությամբ այն փաստի, որ ստանդարտ մետաղ-կիսահաղորդիչ-դիէլեկտրիկ փականը փոխարինվում է ավելի կոմպլեքս կառուցվածքով, որը զգայուն է ջրածնի իոնի կոնցենտրացիայի նկատմամբ։ ISFET-ի կառուցվածքը բաղկացած է չափման էլեկտրոդից և դիէլեկտրիկ փականից, որոնց միջև էլեկտրալիտի շերտն է։ Էլեկտրալիտում իոնի կոնցենտրացիան ազդում է փականի պոտենցիալի վրա, որն իր հերթին փոխում է տրանզիստորի շեմային լարումը։ Այս եղանակով ջրածնի իոնի կոնցենտրացիան էլեկտրաստատիկ հսկողություն իրականացնում է կլանիչ-ակունք հոսանքի վրա։ ISFET-երը սովորաբար աշխատում են կլանիչի հաստատուն հոսանքի ռեժիմում, ինչը նշանակում է, որ էլեկտրալիտում իոնների կոնցենտրացիայի փոփոխման հետևանքով կլանիչի հոսանքի փոփոխումը կոմպենսացվում է չափման էլեկտրոդի պոտենցիալի (փականի լարման) համաձայնեցմամբ։ Այդ իսկ պատճառով ISFET-ի զգայնությունը սովորաբար արտահայտվում է ինչպես փականի լարման փոփոխություն՝ ջրածնի իոնի կոնցենտրացիայի pH տասնյակ փոփոխության դեպքում։ Նշենք, որ pH նշանակում է –log[H+]։ Օրինակ. եթե pH-ի արժեքը 2 է, ապա ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան 10-2 մոլ/լ է։ ISFET-ի զգայնությունը գլխավորապես կախված է փականի դիէլեկտրիկի նյութի ընտրությունից։ Առավել հաճախ օգտագործվող նյութերն են սիլիցիումի օքսիդները կամ նիտրիդները։ Չնայած այն բանի, որ այդ նյութերի շարքում ջրածնի իոնի կոնցենտրացիայի նկատմամբ առանձնահատուկ բարձր զգայնություն է ցոցաբերում ալյումինի օքսիդը, տոխնոլոգիական համատեղելիության նպատակով հետազոտվող ISFET-»ի փականը սովորաբար ստեղծվում է 50 նմ հաստությամբ սիլիցիումի նիտրիդի և օքսիդի շերտերից։

Պինդ մարմին-հեղուկ սահմանի մոդելը

ISFET սենսորներում պինդ մարմին-հեղուկ սահմանին տեղի ունեցող երևույթների տեսական հետազոտությունները (այս դեպքում խոսքը դիէլեկտրիկ-էլեկտրալիտ բաժանման սահմանի մասին է) տրվել է բազմաթիվ հեղինակների կողմից։ Սովորաբար ISFET-ի գործողությունը բացատրվում է այսպես կոչված հանգուցային կապերի տեսությամբ, որը կապում է կիսահաղորդչի մակերևութային պոտենցիալը հետազոտվող լուծույթում առկա ջրածնի իոնների կոնցենտրացիայի հետ։ Այս տեսության համաձայն լուծույթում գտնվող իոնը փոխազդում է դիելեկտրիկի մակերևույթին գտնվող դրական կամ բացասական լիցքավորված ակտիվ հանգույցների հետ՝ ստեղծելով ջրածնի ակտիվ հանգույցների զույգեր և հետևաբար փոխելով մեկուսչի մակերևույթին գտնվող ակտիվ հանգույցների լիցքի վերջնական արժեքը։ Սա իր հերթին ազդում է տրանզիստորի ուղետարի հոսանքի վրա՝ շեմային լարման փոփոխման միջոցով։ Նշենք նաև, որ ջրածնի իոնների ակտիվ հանգույցները կարող են փոխազդել ոչ միայն ջրածնի իոնների, այլ նաև չափվող լուծույթում առկա այլ իոնների, այսպես կոչված «խանգարող (կամ ավելցուկային) իոնների» հետ։ Բոլոր այս քիմիական պրոցեսները, որոնք տեղի են ունենում ֆազի սահմանին դարձելի են և բնութագրվում են բեկման k հաստատունով, որը կախված է ջերմաստիճանից։ Իոնների՝ ակտիվ հանգույցների հետ կապվելու պատճառով էլեկտրալիտում առաջանում է իոնների կոնցենտրացիայի գրադիենտ, ըստ Գուի-Չափման-Ստեռնի (Gouy-Chapman-Stern) տեսության էլեկտրալիտ-դիէլեկտրիկ սահմանին առաջանում է այսպես կոչված կրկնակի շերտ։ Կրկնակի շերտը բաղկացած է դիֆուզիոն շերտից և Հելմհոլցի շերտից։ Հելմհոլցի շերտը պարունակում է ադսորբցված ջրածնի իոնններ և ադսորբցված անիոնների և կատիոնների ընդհանուր մակարդակ։ C-ն, σ-ն և ψ-ն համապատասխանաբար նշանակում են միավոր մակերեսի ունակություն։ D-ն, AK-ն, S-ը, C-ն և ins-ը համապատասխանաբար վերաբերվում են դիֆուզիոն շերտին, «խանգարող» անիոնների կամ կատիոնների ընդհանուր մակարդակին, մեկուսչի մակերևույթին, տրանզիստորի ուղետարին և փականի մեկուսչին։ Հիմնվելով այդ տեսության վրա և ընդունելով, որ մեկուսչի մակերևույթին գտնվող ակտիվ հանգույցների թիվը հաստատուն է, կարելի է ստանալ ոչ գծային հավասարումների համակարգ, որը կբնութագրի բոլոր մեծությունների միջև կապը։

Գրականություն

1. Վ.Մ. Հարությունյան Միկրոէլեկտրոնիկայի ֆիզիկական հիմունքները/Երևանի պետ. համալս.-Եր.։ Երևանի համալս. Հրատ., 2009,342 էջ.

2. M.J. Dean, M.W. Shinwari, J.C Ranuarez. Journal Applied Physics. v.100 (2006) 074703.

3. A.V. Surmalyan, F.V. Gasparyan. In։ Proc. 7th lnt. Conf. ”Semicond. Micro-and Nanoelcctronic”, Yerevan 2009, pp 67–70.

4. M. Janicki, M. Daniel, M. Szermer, A. Napieralski. Ion sensitive field effect transistor