【導讀】由于半導體生物傳感器的低成本、迅速反應、檢測準確等優(yōu)點(diǎn)，對于此類(lèi)傳感器的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量投入。特別是基于場(chǎng)效應晶體管 (FET) 的生物傳感器或生物場(chǎng)效應管，它們被廣泛用于各種應用：如生物研究，即時(shí)診斷，環(huán)境應用，以及食品安全。
由于半導體生物傳感器的低成本、迅速反應、檢測準確等優(yōu)點(diǎn)，對于此類(lèi)傳感器的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量投入。特別是基于場(chǎng)效應晶體管 (FET) 的生物傳感器或生物場(chǎng)效應管，它們被廣泛用于各種應用：如生物研究，即時(shí)診斷，環(huán)境應用，以及食品安全。
生物場(chǎng)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(shù)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(shí)間 (I-t) 可以與分析物的檢測和幅度相關(guān)。
根據設備上的終端數量，可以使用多個(gè)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(lái)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(gè)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(jiǎn)化為一個(gè)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(chǎng)效應管，及如何將SMU和被測器件進(jìn)行電氣連接，定義了常見(jiàn)的直流I-V測試和用于進(jìn)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(chǎng)效應管/BioFET感器
生物晶體管傳感器包含一個(gè)晶體管和一個(gè)生物敏感層，用于檢測類(lèi)似于生物分子等生物成分。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的圖，說(shuō)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?jì)x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(guò)晶體管的漏極電流有關(guān)。然后使用直流I-V測量?jì)x器測量FET的電信號。這些測量?jì)x器與測量傳統晶體管的測量?jì)x器是一樣的。
在這些設備上執行的常見(jiàn)直流I-V測試包括傳輸特性、輸出特性、閾值電壓、開(kāi)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(gè)帶有絕緣柵極的三端或四端FET。
圖3顯示了一個(gè)n溝道MOSFET或nMOS晶體管，具有四個(gè)端子：柵極、漏極、源極和體極（塊體）。源極和漏極觸點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)，在源極和漏極端之間形成導電通道。電流開(kāi)始從漏極流向源極。電流流動(dòng)的方向與帶負電的電子的運動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)SMU連接到漏極端，施加漏極電壓并測量由此產(chǎn)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(guò)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(gè)SMU時(shí)，SMU的時(shí)間必須同步，這在4200A-SCS參數分析儀內會(huì )自動(dòng)完成。
三、BioFETs示例
在本節中，將提供常見(jiàn)生物場(chǎng)效應管的示例以及如何與這些器件進(jìn)行電氣連接。這些例子包括背柵生物場(chǎng)效應管、擴展柵極FET和離子敏感型FET。
Back-Gated BioFET
在背柵生物場(chǎng)效應管中，如圖5所示，電和化學(xué)絕緣材料將半導體層與導電通道分開(kāi)。當生物受體暴露于特定的分析物或生物元素時(shí)，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(guān)，如病原體或其他生物分析物。
圖5. 背柵BioFET
電路中的兩個(gè)SMU用于偏置和表征器件。一個(gè)SMU連接到柵極，第二個(gè)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(gè)SMU。
在這個(gè)例子中，SMU1提供柵極電壓，也可以用來(lái)測量柵極泄漏電流。有時(shí)使用電源來(lái)加載柵極電壓SMU的使用提供了一個(gè)優(yōu)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(gè)擴展柵FET，它包括一個(gè)傳感結構和一個(gè)MOSFET。在這種生物場(chǎng)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(gè)與MOSFET柵極直接接觸的工作電極。工作電極在電解質(zhì)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(gè)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(lái)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(lèi)。
圖6. 擴展柵FET
離子選擇FET（ISFET）
如圖7所示，離子選擇場(chǎng)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(guò)晶體管的漏極電流有關(guān)。ISFET廣泛應用于生物醫學(xué)領(lǐng)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(kāi)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(gè)例子展示了一個(gè)硅溝道，但該溝道也可以由石墨烯、硅納米線(xiàn)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(shí)用于連接ISFET的襯底和GNDU的Force LO。當電解質(zhì)溶液的離子濃度變化時(shí)，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(chǎng)效應管的常見(jiàn)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(shí)間測量（Id-t）。
傳輸特性（Id-Vg）
生物場(chǎng)效應管上最常見(jiàn)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(guān)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(guān)。
在這個(gè)測試中，一個(gè)SMU掃描柵極電壓，第二個(gè)SMU在恒定漏極電壓下測量產(chǎn)生的漏極電流。圖8顯示了四條不同的曲線(xiàn)，代表了四種不同濃度的病原體。這些曲線(xiàn)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(gè)FET傳輸特性的測試，以及一個(gè)對傳輸和輸出特性都進(jìn)行測試的項目。這些測試和項目可以通過(guò)在軟件的Select視圖中在Library的搜索欄中輸入biofet來(lái)找到。這個(gè)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(jiàn)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(guān)函數，如圖10所示。這些曲線(xiàn)是使用4200A-SCS參數分析儀中的兩個(gè)SMU生成的。在這種情況下，SMU1連接柵極提供步進(jìn)電壓，而連接漏極的SMU2則掃描電壓并測量產(chǎn)生的電流。
為了測試FET的功能，多個(gè)柵極階躍可以生成一系列曲線(xiàn)，并顯示漏極電流對柵極電壓的依賴(lài)關(guān)系?；蛘?，柵極電壓可以保持恒定，但對生物組分進(jìn)行改變，以觀(guān)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(shí)間（Id-t）
通過(guò)繪制漏極電流隨時(shí)間的函數圖，可以監測生物晶體管傳感器的動(dòng)態(tài)響應，如圖11所示。漏極電流的大小會(huì )隨著(zhù)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(shí)，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(shí)間趨勢圖
五、測量?jì)?yōu)化
在本節中，將描述實(shí)現最佳測量的方法，包括進(jìn)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(shí)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(gè)好方法。這個(gè)測試將通過(guò)測量設備的I-V特性來(lái)建立一個(gè)基線(xiàn)電流，以確保它在沒(méi)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(jìn)行調整。根據設備的類(lèi)型不同，這個(gè)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(shí)最常見(jiàn)的問(wèn)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(shí)驗來(lái)確定其來(lái)源。
當帶電物體接近被測電路時(shí)，會(huì )產(chǎn)生靜電干擾。在高阻抗電路中，這種電荷不會(huì )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(chǎng)造成的，因此靜電屏蔽將有助于最大限度地減少這些場(chǎng)對測試的影響。
靜電屏蔽可以只是一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬盒，將測試電路封閉起來(lái)。探針臺通常包括一個(gè)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(gè)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(shí)驗室或試驗臺內或附近的其他電氣設備產(chǎn)生的干擾。它們可以通過(guò)屏蔽和過(guò)濾或通過(guò)去除或關(guān)閉噪聲源來(lái)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(dòng)和振動(dòng)
? 控制或消除外部噪聲源
? 增加測量的積分時(shí)間，可以在Clarius的測試設置窗口中使用自定義速度模式進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單的金屬盒或網(wǎng)狀屏幕，將測試電路封閉起來(lái)。
圖12. 導電屏蔽殼連接到Force LO
限制電流
為了防止在進(jìn)行I-V表征時(shí)損壞設備，設置鉗位值以限制可以流過(guò)設備的電流量。這可以在Clarius軟件中通過(guò)將每個(gè)SMU的當前鉗位值設置為安全水平來(lái)完成。這是一個(gè)可編程限制，以確保電流不超過(guò)用戶(hù)定義的水平。
提供足夠的穩定時(shí)間
當測量低電流（<1μA）時(shí)，需要允許足夠的穩定時(shí)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(shí)。影響電路穩定時(shí)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(kāi)關(guān)矩陣。
測量電路的穩定時(shí)間可以通過(guò)繪制電流與時(shí)間到階躍電壓的關(guān)系來(lái)確定。穩定時(shí)間可以通過(guò)圖形直觀(guān)地確定。一旦確定了穩定時(shí)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(shí)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(yōu)點(diǎn)，研究和開(kāi)發(fā)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(guò)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(chǎng)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(shù)可以達到理想測量結果。
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