【泰克应用分享】FET生物传感器的直流I-V特性研究

[导读]SMU是一种既可以输出又可以测量电流和电压的仪器，可以用来对FET的栅极和漏极施加电压。本应用指南描述了典型的生物场效应管，及如何将SMU和被测器件进行电气连接，定义了常见的直流I-V测试和用于进行测量的仪器，并解释了测量注意事项以达到理想测量结果。

由于半导体生物传感器的低成本、迅速反应、检测准确等优点，对于此类传感器的研究和开发进行了大量投入。特别是基于场效应晶体管（FET）的生物传感器或生物场效应管，它们被广泛用于各种应用：如生物研究，即时诊断，环境应用，以及食品安全。

生物场效应管将生物响应转换为分析物，并将其转换为可以使用直流I-V技术轻松测量的电信号。输出特性（Id-Vd）、传输特性（Id-Vg）和电流测量值相对于时间（I-t）可以与分析物的检测和幅度相关。

根据设备上的终端数量，可以使用多个源测量单元（SMU）轻松完成这些直流I-V测试。SMU是一种既可以输出又可以测量电流和电压的仪器，可以用来对FET的栅极和漏极施加电压。如图1所示，Keithley 4200A-SCS参数分析仪是多个SMU与交互式软件相结合的集成系统。这种可配置的测试系统将这些测量简化为一个集成系统，包括硬件、交互软件、图形和分析功能。

图1. 4200A-SCS参数分析仪

本应用指南描述了典型的生物场效应管，及如何将SMU和被测器件进行电气连接，定义了常见的直流I-V测试和用于进行测量的仪器，并解释了测量注意事项以达到理想测量结果。

一、生物场效应管/BioFET感器

生物晶体管传感器包含一个晶体管和一个生物敏感层，用于检测类似于生物分子等生物成分。图2显示了一个简化的图，说明了生物晶体管传感器是如何工作的。

图2. 使用生物传感器和直流I-V测量仪器检测和测量生物成分

使用生物传感器，生物成分如葡萄糖、病毒、PH值或癌细胞等被传感元件（如生物受体、传感膜或碳纳米材料）检测，这些传感元件是生物传感器的一部分。该装置将对被分析物的生物反应转化为电信号。生物元件的检测和浓度与流过晶体管的漏极电流有关。然后使用直流I-V测量仪器测量FET的电信号。这些测量仪器与测量传统晶体管的测量仪器是一样的。

在这些设备上执行的常见直流I-V测试包括传输特性、输出特性、阈值电压、开路电位和设备的栅极漏电流。

二、MOSFET概述

许多生物晶体传感器基于MOSFET或金属氧化物半导体FET，这是一个带有绝缘栅极的三端或四端FET。

图3显示了一个n沟道MOSFET或nMOS晶体管，具有四个端子：栅极、漏极、源极和体极（块体）。源极和漏极触点是大量掺杂n+的区域。衬底为低掺杂材料p-。栅极用一层很薄的氧化层（通常是SiO2）与通道绝缘。

图3. MOSFET简化电路

当电压源连接到栅极和漏极端并施加偏置电压Vg和Vd时，在源极和漏极端之间形成导电通道。电流开始从漏极流向源极。电流流动的方向与带负电的电子的运动方向相反。栅极电压与载流子一起控制通道。

图4. 使用SMU测试MOSFET的直流I-V特性

如图4所示，电路中的两个电源可以替换为SMU。SMU可以提供电压和测量电流，以确定MOSFET的I-V特性。在本例中，一个SMU连接到栅极端子上，施加栅极电压并测量栅极泄漏电流。第二个SMU连接到漏极端，施加漏极电压并测量由此产生的漏极电流。除了加载电压和测量电流外，还可以远程控制SMU改变电压源的极性，并设置合适的钳位电流，以防止过大的电流损坏设备。

根据I-V测量需求，SMU也可以连接到MOSFET的Source和Bulk端。本示例中，Source端和Bulk端分别连接在SMU的LO终端上。当使用多个SMU时，SMU的时间必须同步，这在4200A-SCS参数分析仪内会自动完成。

三、BioFETs示例

在本节中，将提供常见生物场效应管的示例以及如何与这些器件进行电气连接。这些例子包括背栅生物场效应管、扩展栅极FET和离子敏感型FET。

Back-Gated BioFET

在背栅生物场效应管中，如图5所示，电和化学绝缘材料将半导体层与导电通道分开。当生物受体暴露于特定的分析物或生物元素时，FET的I-V特性将受到影响。在这种情况下，漏极电流与生物因素有关，如病原体或其他生物分析物。

图5. 背栅BioFET

电路中的两个SMU用于偏置和表征器件。一个SMU连接到栅极，第二个SMU连接到漏极。源端可以连接到4200A-SCS的接地单元，也可以连接到第三个SMU。

在这个例子中，SMU1提供栅极电压，也可以用来测量栅极泄漏电流。有时使用电源来加载栅极电压SMU的使用提供了一个优势，因为它还可以测量栅极泄漏电流，这有助于研究器件的I-V特性。栅极电压用于控制通道宽度，并可用于增加对分析物的灵敏度，因此更容易测量漏极电流。SMU2连接到漏极端并施加漏极电压（VD）并测量漏极电流（ID）。

扩展栅FET（EGFET）

图6显示了一个扩展栅FET，它包括一个传感结构和一个MOSFET。在这种生物场效应管中，传感结构和MOSFET在物理上分为两部分。由于MOSFET与传感元件是分离的，因此可以使用市售的MOSFET作为传感器。EGFET有一个与MOSFET栅极直接接触的工作电极。工作电极在电解质溶液中也有传感膜，用于检测分析物。

在这种配置中，SMU1连接到参考电极并输出参考电压（VREF）。该电压用于控制FET的通道宽度。SMU2施加漏极电压（VD）并测量漏极电流（ID）。与背栅FET一样，由两个SMU测量的MOSFET的转移特性（ID vs. VREF）将根据分析物而变化。SMU也可以用来测量输出特性（ID vs. VD）和器件的栅漏电流。EGFET的一些应用包括检测特定分子，如葡萄糖、pH值和离子种类。

图6. 扩展栅FET

离子选择FET（ISFET）

如图7所示，离子选择场效应晶体管（ISFET）用于测量溶液中的离子浓度。离子浓度与流过晶体管的漏极电流有关。ISFET广泛应用于生物医学领域，如pH值监测、葡萄糖测量和抗体检测。

ISFET与EGFET一样，由传感结构和MOSFET组成。与EGFET不同的是，传感元件和FET在物理上不是分开的，而是结合在一起的。ISFET具有与MOSFET相同的基本结构，包括栅极、漏极和源极。然而，传统的MOSFET的金属栅极被溶液中的参考电极和离子敏感膜所取代。这个例子展示了一个硅沟道，但该沟道也可以由石墨烯、硅纳米线或碳纳米管等其他材料制成。

图7. ISFET

在本例中，参考电极连接到SMU1，施加电压并测量栅极电流。栅极电压在基准电极和衬底之间施加，并在FET的漏极和源极之间形成反转层。FET的漏极连接到SMU2，加漏极电压并测量漏极电流。背部端接有需要时用于连接ISFET的衬底和GNDU的Force LO。当电解质溶液的离子浓度变化时，FET的漏极电流也随之变化，并由SMU2测量。

四、直流I-V测量

本节描述了用于表征生物场效应管的常见直流I-V测量，包括传输特性（Id-Vg）、输出特性（Id-Vd）和漏电流与时间测量（Id-t）。

传输特性（Id-Vg）

生物场效应管上最常见的电气测量可能是传输特性，它绘制漏极电流与栅极电压的关系。转移特性通常与正在研究的病原体或其他生物因素的浓度有关。

在这个测试中，一个SMU扫描栅极电压，第二个SMU在恒定漏极电压下测量产生的漏极电流。图8显示了四条不同的曲线，代表了四种不同浓度的病原体。这些曲线是使用4200A-SCS参数分析仪生成的。

图8. 转移特性

Clarius软件库中附带了一个FET传输特性的测试，以及一个对传输和输出特性都进行测试的项目。这些测试和项目可以通过在软件的Select视图中在Library的搜索栏中输入biofet来找到。这个测试的Configure截图如图9所示。

图9. 在Clarius软件中配置测试视图以测量生物晶体管的Id-Vg

输出特性（Id-Vd）

另一种常见的测试是确定FET的输出特性，即漏极电流与漏极电压的相关函数，如图10所示。这些曲线是使用4200A-SCS参数分析仪中的两个SMU生成的。在这种情况下，SMU1连接栅极提供步进电压，而连接漏极的SMU2则扫描电压并测量产生的电流。

为了测试FET的功能，多个栅极阶跃可以生成一系列曲线，并显示漏极电流对栅极电压的依赖关系。或者，栅极电压可以保持恒定，但对生物组分进行改变，以观察不同组分或浓度如何影响漏极电流。

图10. 输出特性

漏极电流 vs. 时间（Id-t）

通过绘制漏极电流随时间的函数图，可以监测生物晶体管传感器的动态响应，如图11所示。漏极电流的大小会随着分析物浓度的变化而变化。在这种应用中，当漏极电流被测量时，栅极和漏极电压偏置都保持恒定，因此只有分析物在变化。

图11. 漏极电流与时间趋势图

五、测量优化

在本节中，将描述实现最佳测量的方法，包括进行空白测试/空测，以最大限度地减少噪声读数，允许足够的稳定时间，以及规范使用以避免损坏设备。

运行“空白”测试

一旦系统设置好，运行“空白”或空测以确保一切设置和配置正确是一个好方法。这个测试将通过测量设备的I-V特性来建立一个基线电流，以确保它在没有添加任何生物成分的情况下是正常工作的。在添加生物组件之前，可以根据需要对测试电路和设置进行调整。根据设备的类型不同，这个操作可能是可执行的也可能是不可能的。

最小化噪声读数

噪声可能是测量低电流时最常见的问题之一。生物晶体管的漏极电流或栅漏电流可以在nA和pA范围内。噪声可能由几种原因引起，可能需要一些实验来确定其来源。

当带电物体接近被测电路时，会产生静电干扰。在高阻抗电路中，这种电荷不会迅速衰减，可能导致测量结果不稳定。错误的读数可能是由于直流或交流静电场造成的，因此静电屏蔽将有助于最大限度地减少这些场对测试的影响。

静电屏蔽可以只是一个简单的金属盒，将测试电路封闭起来。探针台通常包括一个静电/EMI屏蔽或可选的暗盒。屏蔽应连接到测量电路LO端，即SMU的Force LO端子。Force LO端子位于SMU三轴电缆的外屏蔽层或位于GNDU上。所有电缆都需要采用低噪声设计并屏蔽。每个42XX-SMU配有两根低噪声三轴电缆。

另一种降噪方法是控制外部噪声源。这些噪声源是由马达、电脑屏幕或实验室或试验台内或附近的其他电气设备产生的干扰。它们可以通过屏蔽和过滤或通过去除或关闭噪声源来控制。

综上所述，为了最大限度地减少噪声读数：

• 让所有带电物体，包括人、导体远离测试电路的敏感区域；

• 避免在测试区域附近移动和振动；

• 控制或消除外部噪声源；

• 增加测量的积分时间，可以在Clarius的测试设置窗口中使用自定义速度模式进行调整；

• 用导电外壳将被测设备屏蔽，并将外壳与测试电路公共端子（Force LO）连接，如图12所示。屏蔽可以只是一个简单的金属盒或网状屏幕，将测试电路封闭起来。