FET 生物传感器的直流I-V 特性研究

由于半导体生物传感器具备低成本、快速反应和精准检测等优点，因此对于这类传感器的研究和开发投入了大量的精力。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，它们广泛应用于各种领域：包括生物研究、即时诊断、环境应用以及食品安全等。

生物场效应管将生物响应转化为分析物，并将其转换为可以通过直流I-V技术轻松测量的电信号。这些输出特性（Id-Vd）、传输特性（Id-Vg）以及电流测量值随时间的变化（I-t）都与分析物的检测结果和幅度息息相关。

根据设备上的终端数量，我们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是一种既可以输出也可以测量电流和电压的仪器，可以用于对FET的栅极和漏极施加电压。如图1所示，Keithley 4200A-SCS参数分析仪是一个集成系统，它将多个SMU与交互式软件相结合。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。

　　图12. 导电屏蔽壳连接到Force LO

　　限制电流

　　为了防止在进行I-V表征时损坏设备，设置钳位值以限制可以流过设备的电流量。这可以在Clarius软件中通过将每个SMU的当前钳位值设置为安全水平来完成。这是一个可编程限制，以确保电流不超过用户定义的水平。

　　提供足够的稳定时间

　　当测量低电流（<1µA）时，需要允许足够的稳定时间，以确保在施加或改变电流或电压后测量的稳定性，例如当扫描栅极电压和测量漏极电流时。影响电路稳定时间的因素包括测试电路的分流电容和器件电阻。分流电容包括电缆、测试夹具、探头和开关矩阵。

　　测量电路的稳定时间可以通过绘制电流与时间到阶跃电压的关系来确定。稳定时间可以通过图形直观地确定。一旦确定了稳定时间，该值可以用作Clarius软件的测试设置窗口中的电压扫描延迟时间。

　　六、结论

　　基于FET的生物传感器由于其成本低、反应快、检测准确等优点，研究和开发得到了加强。生物OFET将对分析物的生物响应转换成可以通过直流I-V仪器轻松测量的电信号。4200A-SCS参数分析仪中的SMU用于执行生物场效应管的I-V表征，使用适当的仪器设置和应用适当的测量技术可以达到理想测量结果。