Prowadzone są szeroko zakrojone inwestycje w badania i rozwój bioczujników na bazie półprzewodników ze względu na ich niski koszt, szybką reakcję i dokładność detekcji. W szczególności bioczujniki wykorzystujące tranzystory polowe (FET), czyli tzw. bioFET, są używane w wielu różnych dziedzinach, takich jak np. badania biologiczne, diagnostyka medyczna, ochrona środowiska, a nawet bezpieczeństwo żywności.

BioFET przekształca odpowiedź biologiczną na działanie analitu w sygnał elektryczny, który można łatwo zmierzyć za pomocą technik DC I-V. Charakterystyki wyjściowe (Id-Vd), charakterystyki przejściowe (Id-Vg) i pomiary prądu w funkcji czasu (I-t) można powiązać z wykrywaniem i ilością analitu.

Parametry w testach DC I-V można łatwo mierzyć, używając różnych jednostek do pomiarów źródła (SMU) o różnej liczbie zacisków pomiarowych. SMU to przyrząd, który może wytwarzać i mierzyć prąd i napięcie. Można go używać do dostarczania napięcia do zacisków bramki i drenu układu FET. Zintegrowanym systemem, który łączy wiele SMU z interaktywnym oprogramowaniem jest analizator parametrów Keithley 4200A-SCS pokazany na rysunku 1. Ten konfigurowalny przyrząd upraszcza pomiary, łącząc je w jeden zintegrowany system, który obejmuje sprzęt, interaktywne oprogramowanie, grafikę i możliwości analizy.

Niniejsza nota aplikacyjna opisuje typowe układy bioFET, wyjaśnia sposób wykonania połączeń elektrycznych między SMU a czujnikiem, definiuje typowe testy DC I-V oraz przyrządy używane do prowadzenia pomiarów, a także wyjaśnia kwestie pomiarowe w celu uzyskania optymalnych wyników.

Rysunek 1. Analizator parametrów 4200A-SCS

Czujnik BioFET

BioFET łączy tranzystor z warstwą bioczułą, która może wykrywać komponent, taki jak cząsteczki biologiczne. Uproszczony diagram ilustrujący sposób działania czujnika bioFET pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Wykrywanie i pomiar komponentów biologicznych za pomocą czujnika bioFET i analizatora DC I-V

Czynniki i komponenty biologiczne, takie jak glukoza, wirusy, odczyn PH lub komórki rakowe są wykrywane przez układ bioFET, zawierający bioreceptory, membrany czujnikowe lub nanomateriał węglowy oraz tranzystor polowy (FET). Urządzenie przekształca odpowiedź biologiczną na działanie analitu na sygnał elektryczny. Wykrywanie obecności i pomiar stężenia czynnika biologicznego wpływa na prąd drenu przepływający przez tranzystor. Sygnał elektryczny z tranzystora FET jest następnie mierzony za pomocą przyrządów pomiarowych do pomiaru charakterystyk DC I-V. Są to takie same przyrządy, których używa się do pomiaru tradycyjnych tranzystorów.

Typowe testy DC I-V wykonywane za pomocą tych urządzeń obejmują charakterystykę przenoszenia, charakterystykę wyjściową, napięcie progowe, potencjał obwodu otwartego i prąd upływu bramki urządzenia.

Przegląd układów MOSFET

Wiele czujników bioFET wykorzystuje tranzystory MOSFET. Tranzystor taki jest trzy- lub czteroelektrodowym tranzystorem FET z izolowaną bramką.

Rysunek 3 przedstawia tranzystor MOSFET z kanałem typu n (tzw. tranzystor nMOS) z czterema elektrodami: bramką, drenem, źródłem, a także masą. Kontakty źródła i drenu to silnie domieszkowane obszary typu n+. Podłoże jest materiałem słabo domieszkowanym typu p-. Bramka jest izolowana od kanału bardzo cienką warstwą tlenku, często jest to SiO₂.

Rysunek 3. Uproszczony układ MOSFET

Gdy do bramki i drenu są przyłożone napięcia polaryzacji Vg i Vd, pomiędzy kontaktami źródła i drenu powstaje kanał przewodzący. Prąd zaczyna płynąć z drenu do źródła. Kierunek przepływu prądu jest przeciwny do kierunku ruchu ujemnie naładowanych elektronów. Napięcie bramki steruje kanałem, regulując ilość nośników ładunku.

Na rysunku 4 pokazano jak dwa zasilacze w obwodzie można zastąpić jednostkami SMU, które mogą dostarczać napięcie i mierzyć prąd w celu pomiaru charakterystyk I-V tranzystora MOSFET. W tym przykładzie jedna jednostka SMU jest podłączona do bramki i podaje napięcie bramki oraz mierzy prąd upływu. Drugi moduł SMU jest podłączony do drenu i wymusza napięcie drenu oraz mierzy wynikowy prąd.

Oprócz wymuszania napięcia i pomiaru prądu, w SMU można zdalnie zmienić biegunowość źródła napięcia i ustawić prąd graniczny, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia.

W zależności od żądanych pomiarów I-V, jednostkę SMU można również podłączyć do zacisków źródła i do masy tranzystora MOSFET. Tutaj elektrody źródła i masy podłączono jednak do zacisków LO jednostek SMU.

W przypadku korzystania z wielu jednostek SMU należy zadbać o ich synchronizację czasową. Odbywa się to automatycznie w analizatorze parametrów 4200A-SCS.

Rysunek 4. Dwie jednostki SMU są używane do pomiaru charakterystyk DC I-V tranzystora MOSFET

Przykładowe układy BioFET

W tej sekcji przedstawimy przykłady typowych układów bioFET, a także sposób wykonania połączeń elektrycznych z tymi urządzeniami. Omówiono tu bioFET z cofniętą bramką, FET z rozszerzoną bramką oraz jonoczuły FET.

BioFET z tylną bramką

W układzie bioFET z cofniętą bramką, pokazanym na rysunku 5, materiał izolujący elektrycznie i chemicznie oddziela warstwę półprzewodnika od kanału przewodzącego. Kiedy bioreceptor zostanie wystawiony na działanie określonego analitu lub elementu biologicznego, wpłynie to na charakterystykę I-V tranzystora FET. W tym przypadku prąd drenu można powiązać z ilością czynnika biologicznego, np. patogenu lub innego analitu biologicznego.

Dwie jednostki SMU w obwodzie służą do zasilania i pomiaru charakterystyki urządzenia. Jedna z nich jest podłączona do bramki, a druga do drenu. Źródło można podłączyć do masy jednostki 4200A-SCS lub do trzeciej jednostki SMU.

W tym przykładzie jednostka SMU1 dostarcza napięcie bramki i może być również użyta do pomiaru prądu upływu bramki. Czasami do wytwarzania napięcia jest używany zasilacz, ale korzystniejsze jest użycie SMU. Można wtedy również mierzyć prąd upływu bramki, co jest pomocne podczas badania charakterystyk I-V urządzenia. Napięcie bramki jest używane do sterowania szerokością kanału. Może być także wykorzystane do zwiększenia czułości na analit, dzięki czemu łatwiej jest zmierzyć prąd drenu. SMU2 jest podłączony do drenu, wymusza napięcie (V_D), a także mierzy prąd drenu (I_D).

Rysunek 5. BioFET z cofniętą bramką (back-gated bioFET)

FET z rozszerzoną bramką (EGFET)

Rysunek 6 przedstawia tranzystor FET z rozszerzoną bramką, który obejmuje zarówno strukturę czujnikową, jak i tranzystor MOSFET. W takim układzie bioFET, struktura czujnikowa i tranzystor MOSFET są oddzielone fizycznie od siebie. Ponieważ tranzystor oddzielono od elementu czujnikowego, to jako przetwornik można zastosować dostępny na rynku tranzystor MOSFET.

EGFET ma elektrodę roboczą, która jest bezpośrednio połączona z bramką tranzystora MOSFET. Elektroda robocza wyposażona w membranę czujnikową jest zanurzona w roztworze elektrolitu i służy do wykrywania analitu. W tej konfiguracji SMU1 podłączony do elektrody odniesienia wymusza napięcie odniesienia (V_REF). To napięcie służy do sterowania szerokością kanału tranzystora FET. SMU2 wymusza napięcie drenu (V_D), a także mierzy prąd drenu (I_D).

Podobnie jak w przypadku FET z cofniętą bramką, charakterystyka przejściowa (I_D w funkcji V_REF) tranzystora MOSFET mierzona przez dwie jednostki SMU zmienia w zależności od analitu. Jednostki SMU można również używać do pomiaru charakterystyk wyjściowych (I_D w funkcji V_D) i prądu upływu bramki urządzenia.

Niektóre zastosowania EGFET obejmują wykrywanie określonych cząsteczek, np. glukozy, pomiary pH i stężenia jonów.

Rysunek 6. FET z rozszerzoną bramką

FET jonoczuły (ISFET)

Przedstawiony na Rysunku 7 jonoczuły tranzystor polowy (ISFET) jest używany do pomiaru stężenia jonów w roztworze. Stężenie jonów wiąże się z prądem drenu przepływającym przez tranzystor. ISFET są używane w szerokim zakresie zastosowań biomedycznych, takich jak monitorowanie pH, pomiary glukozy i wykrywanie przeciwciał.

Czuły na jony FET, podobnie jak EGFET, zawiera zarówno strukturę czujnikową, jak i tranzystor MOSFET. Jednak w przeciwieństwie do EGFET, element czujnikowy i tranzystor FET nie są fizycznie oddzielone. ISFET ma taką samą podstawową strukturę jak tranzystor MOSFET, w tym bramkę, dren i źródło. Jednak metalową bramkę tradycyjnego tranzystora MOSFET zastąpiono przez elektrodę odniesienia w roztworze i jonoczułą membranę. W pokazanym tutaj przykładzie występuje kanał krzemowy, ale kanał może być również wykonany z innych materiałów, np. takich jak grafen, nanowłókna krzemowe lub nanorurki węglowe.

W opisanym przykładzie elektroda odniesienia jest podłączona do SMU1, który wymusza napięcie i mierzy prąd bramki. Napięcie bramki przykładane między elektrodą odniesienia a podłożem powoduje utworzenie warstwy inwersyjnej między drenem i zaciskami źródła tranzystora FET. Dren tranzystora FET podłączono do SMU2, który wymusza napięcie i mierzy prąd drenu. Tylna elektroda służy do podłączenia podłoża ISFET do zacisku Force LO w GNDU. Kiedy stężenie jonów w roztworze elektrolitu zmienia się, zmienia się również prąd drenu z FET, mierzony przez SMU2.

Rysunek 7. FET jonoczuły (ISFET)