FET 生物傳感器的直流I-V 特性研究

由于半導體生物傳感器的低成本、迅速反應、檢測準確等優點，對于此類傳感器的研究和開發進行了大量投入。特別是基于場效應晶體管 (FET) 的生物傳感器或生物場效應管，它們被廣泛用于各種應用：如生物研究，即時診斷，環境應用，以及食品安全。

生物場效應管將生物響應轉換為分析物，并將其轉換為可以使用直流I-V技術輕松測量的電信號。輸出特性 (Id-Vd)、傳輸特性 (Id-Vg) 和電流測量值相對于時間 (I-t) 可以與分析物的檢測和幅度相關。

根據設備上的終端數量，可以使用多個源測量單元(SMU) 輕松完成這些直流I-V測試。SMU是一種既可以輸出又可以測量電流和電壓的儀器，可以用來對FET的柵極和漏極施加電壓。如圖1所示，Keithley 4200A-SCS參數分析儀是多個SMU與交互式軟件相結合的集成系統。這種可配置的測試系統將這些測量簡化為一個集成系統，包括硬件、交互軟件、圖形和分析功能。

圖1. 4200A-SCS參數分析儀

本應用指南描述了典型的生物場效應管，及如何將SMU和被測器件進行電氣連接，定義了常見的直流I-V測試和用于進行測量的儀器，并解釋了測量注意事項以達到理想測量結果。

一、生物場效應管/BioFET感器

生物晶體管傳感器包含一個晶體管和一個生物敏感層，用于檢測類似于生物分子等生物成分。圖2顯示了一個簡化的圖，說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測量儀器檢測和測量生物成分

使用生物傳感器，生物成分如葡萄糖、病毒、PH值或癌細胞等被傳感元件（如生物受體、傳感膜或碳納米材料）檢測，這些傳感元件是生物傳感器的一部分。該裝置將對被分析物的生物反應轉化為電信號。生物元件的檢測和濃度與流過晶體管的漏極電流有關。然后使用直流I-V測量儀器測量FET的電信號。這些測量儀器與測量傳統晶體管的測量儀器是一樣的。

在這些設備上執行的常見直流I-V測試包括傳輸特性、輸出特性、閾值電壓、開路電位和設備的柵極漏電流。

二、MOSFET概述

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

圖3顯示了一個n溝道MOSFET或nMOS晶體管，具有四個端子：柵極、漏極、源極和體極（塊體）。源極和漏極觸點是大量摻雜n+的區域。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簡化電路

當電壓源連接到柵極和漏極端并施加偏置電壓Vg和Vd時，在源極和漏極端之間形成導電通道。電流開始從漏極流向源極。電流流動的方向與帶負電的電子的運動方向相反。柵極電壓與載流子一起控制通道。

圖4. 使用SMU測試MOSFET的直流I-V特性

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

根據I-V測量需求，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。當使用多個SMU時，SMU的時間必須同步，這在4200A-SCS參數分析儀內會自動完成。

三、BioFETs示例

在本節中，將提供常見生物場效應管的示例以及如何與這些器件進行電氣連接。這些例子包括背柵生物場效應管、擴展柵極FET和離子敏感型FET。

Back-Gated BioFET

在背柵生物場效應管中，如圖5所示，電和化學絕緣材料將半導體層與導電通道分開。當生物受體暴露于特定的分析物或生物元素時，FET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，如病原體或其他生物分析物。

圖5. 背柵BioFET

電路中的兩個SMU用于偏置和表征器件。一個SMU連接到柵極，第二個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SMU。

在這個例子中，SMU1提供柵極電壓，也可以用來測量柵極泄漏電流。有時使用電源來加載柵極電壓SMU的使用提供了一個優勢，因為它還可以測量柵極泄漏電流，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，并可用于增加對分析物的靈敏度，因此更容易測量漏極電流。SMU2連接到漏極端并施加漏極電壓（VD）并測量漏極電流（ID）。

擴展柵FET（EGFET）

圖6顯示了一個擴展柵FET，它包括一個傳感結構和一個MOSFET。在這種生物場效應管中，傳感結構和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有一個與MOSFET柵極直接接觸的工作電極。工作電極在電解質溶液中也有傳感膜，用于檢測分析物。

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）并測量漏極電流（ID）。與背柵FET一樣，由兩個SMU測量的MOSFET的轉移特性（ID vs. VREF）將根據分析物而變化。SMU也可以用來測量輸出特性（ID vs. VD）和器件的柵漏電流。EGFET的一些應用包括檢測特定分子，如葡萄糖、pH值和離子種類。

圖6. 擴展柵FET

離子選擇FET（ISFET）

如圖7所示，離子選擇場效應晶體管（ISFET）用于測量溶液中的離子濃度。離子濃度與流過晶體管的漏極電流有關。ISFET廣泛應用于生物醫學領域，如pH值監測、葡萄糖測量和抗體檢測。

ISFET與EGFET一樣，由傳感結構和MOSFET組成。與EGFET不同的是，傳感元件和FET在物理上不是分開的，而是結合在一起的。ISFET具有與MOSFET相同的基本結構，包括柵極、漏極和源極。然而，傳統的MOSFET的金屬柵極被溶液中的參考電極和離子敏感膜所取代。這個例子展示了一個硅溝道，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，施加電壓并測量柵極電流。柵極電壓在基準電極和襯底之間施加，并在FET的漏極和源極之間形成反轉層。FET的漏極連接到SMU2，加漏極電壓并測量漏極電流。背部端接有需要時用于連接ISFET的襯底和GNDU的Force LO。當電解質溶液的離子濃度變化時，FET的漏極電流也隨之變化，并由SMU2測量。

四、直流I-V測量

本節描述了用于表征生物場效應管的常見直流I-V測量，包括傳輸特性（Id-Vg）、輸出特性（Id-Vd）和漏電流與時間測量（Id-t）。

傳輸特性（Id-Vg）

生物場效應管上最常見的電氣測量可能是傳輸特性，它繪制漏極電流與柵極電壓的關系。轉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。

在這個測試中，一個SMU掃描柵極電壓，第二個SMU在恒定漏極電壓下測量產生的漏極電流。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參數分析儀生成的。

圖8. 轉移特性

Clarius軟件庫中附帶了一個FET傳輸特性的測試，以及一個對傳輸和輸出特性都進行測試的項目。這些測試和項目可以通過在軟件的Select視圖中在Library的搜索欄中輸入biofet來找到。這個測試的Configure截圖如圖9所示。

圖9. 在Clarius軟件中配置測試視圖以測量生物晶體管的Id-Vg

輸出特性（Id-Vd）

另一種常見的測試是確定FET的輸出特性，即漏極電流與漏極電壓的相關函數，如圖10所示。這些曲線是使用4200A-SCS參數分析儀中的兩個SMU生成的。在這種情況下，SMU1連接柵極提供步進電壓，而連接漏極的SMU2則掃描電壓并測量產生的電流。

為了測試FET的功能，多個柵極階躍可以生成一系列曲線，并顯示漏極電流對柵極電壓的依賴關系?；蛘?，柵極電壓可以保持恒定，但對生物組分進行改變，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. 時間（Id-t）

通過繪制漏極電流隨時間的函數圖，可以監測生物晶體管傳感器的動態響應，如圖11所示。漏極電流的大小會隨著分析物濃度的變化而變化。在這種應用中，當漏極電流被測量時，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. 漏極電流與時間趨勢圖

五、測量優化

在本節中，將描述實現最佳測量的方法，包括進行空白測試/空測，以最大限度地減少噪聲讀數，允許足夠的穩定時間，以及規范使用以避免損壞設備。

運行“空白”測試

一旦系統設置好，運行“空白”或空測以確保一切設置和配置正確是一個好方法。這個測試將通過測量設備的I-V特性來建立一個基線電流，以確保它在沒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，可以根據需要對測試電路和設置進行調整。根據設備的類型不同，這個操作可能是可執行的也可能是不可能的。

最小化噪聲讀數

噪聲可能是測量低電流時最常見的問題之一。生物晶體管的漏極電流或柵漏電流可以在nA和pA范圍內。噪聲可能由幾種原因引起，可能需要一些實驗來確定其來源。

當帶電物體接近被測電路時，會產生靜電干擾。在高阻抗電路中，這種電荷不會迅速衰減，可能導致測量結果不穩定。錯誤的讀數可能是由于直流或交流靜電場造成的，因此靜電屏蔽將有助于最大限度地減少這些場對測試的影響。

靜電屏蔽可以只是一個簡單的金屬盒，將測試電路封閉起來。探針臺通常包括一個靜電/EMI屏蔽或可選的暗盒。屏蔽應連接到測量電路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計并屏蔽。每個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、電腦屏幕或實驗室或試驗臺內或附近的其他電氣設備產生的干擾。它們可以通過屏蔽和過濾或通過去除或關閉噪聲源來控制。

綜上所述，為了最大限度地減少噪聲讀數：

• ?  讓所有帶電物體，包括人、導體遠離測試電路的敏感區域

• ?  避免在測試區域附近移動和振動

• ?  控制或消除外部噪聲源

• ?  增加測量的積分時間，可以在Clarius的測試設置窗口中使用自定義速度模式進行調整

• ?  用導電外殼將被測設備屏蔽，并將外殼與測試電路公共端子（Force LO）連接，如圖12所示。屏蔽可以只是一個簡單的金屬盒或網狀屏幕，將測試電路封閉起來。

圖12. 導電屏蔽殼連接到Force LO

限制電流

為了防止在進行I-V表征時損壞設備，設置鉗位值以限制可以流過設備的電流量。這可以在Clarius軟件中通過將每個SMU的當前鉗位值設置為安全水平來完成。這是一個可編程限制，以確保電流不超過用戶定義的水平。

提供足夠的穩定時間

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

測量電路的穩定時間可以通過繪制電流與時間到階躍電壓的關系來確定。穩定時間可以通過圖形直觀地確定。一旦確定了穩定時間，該值可以用作Clarius軟件的測試設置窗口中的電壓掃描延遲時間。

六、結論

基于FET的生物傳感器由于其成本低、反應快、檢測準確等優點，研究和開發得到了加強。生物OFET將對分析物的生物響應轉換成可以通過直流I-V儀器輕松測量的電信號。4200A-SCS參數分析儀中的SMU用于執行生物場效應管的I-V表征，使用適當的儀器設置和應用適當的測量技術可以達到理想測量結果。