Analyse der nichtlinearen Empfindlichkeit sensitiver Schichten von ionensensitiven Feldeffekttransistoren
Diplomarbeit
Bearbeitungsstatus:
abgeschlossen
Bearbeiter:
Michael Wiendl
Betreuer:
- Kühnhold, Ralf
Abschlussjahr:
1999
Beschreibung
Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) sind chemische Sensoren zur Messung des pH - Werts in Flüssigkeiten. Sie haben in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse gefunden, da sie mit Standardmethoden der Halbleitertechnik hergestellt werden können. ISFETs verbinden die sensitiven Eigenschaften von Glaselektroden mit den impendanzwandelnden Eigenschaften von Metall - Oxid - Silicium Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Im Vergleich zur konventionellen Glaselektrode, die heute zur Bestimmung des pH - Werts verwendet wird, zeigen ISFETs jedoch nichtideales Verhalten wie Drift- und Hystereseeffekte. Die Abhängigkeit des Ausgangssignals von ISFETs vom pH - Wert wird dargestellt durch die Empfindlichkeit einer Isolatorschicht auf H+ - Ionen in einer Elektrolytlösung. An der Grenzfläche Isolator / Elektrolyt treten Effekte auf, die in der Einsatzspannung von ISFETs eine Drift hervorrufen. Derartige Effekte sind die Hydratisierung der Oberfläche der sensitiven Schicht, die Diffusion von H+ - Ionen in eine vergrabene Schicht und die Oxidation der Oberfläche der sensitiven Schicht.
In dieser Arbeit sind physikalische Modelle zur Beschreibung nichtidealer Effekte dargestellt. Ausgehend von diesen Modellen ergibt sich das Oberflächenpotential und die Einsatzspannung von ISFETs. Das Oberflächenpotential ist die Differenz zwischen dem Potential an der Oberfläche der sensitiven Schicht und dem Elektrolytpotential. Somit beinhaltet das Oberflächenpotential die pH - Abhängigkeit des Ausgangssignals eines ISFETs. Zur Beschreibung der Diffusionsvorgänge der Hydratisierung und der Bildung einer vergrabenen Schicht werden dynamische Modelle aufgestellt. Die Betrachtung der Hydratisierung beschränkt sich auf die Kapazitätsänderung der Isolatorschicht. Die Oberflächenoxidation wird statisch betrachtet durch die vom pH - Wert abhängige Bildung von zusätzlichen Oberflächengruppen, die eine Verschiebung des Oberflächen-potentials bewirken. Die Implementierung der Modelle auf einem Computer führt zur Simulation der nichtidealen Drift- und Hystereseeffekte. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Programm werden verschiedene physikalische und chemische Bedingungen variiert, um das reale Verhalten von ISFETs zu simulieren.