由于半導(dǎo)體生物傳感器的低成本、迅速反應(yīng)、檢測準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),，對于此類傳感器的研究和開發(fā)進(jìn)行了大量投入,。特別是基于場效應(yīng)晶體管 （FET） 的生物傳感器或生物場效應(yīng)管,，它們被廣泛用于各種應(yīng)用：如生物研究，即時診斷,，環(huán)境應(yīng)用，以及食品安全,。
生物場效應(yīng)管將生物響應(yīng)轉(zhuǎn)換為分析物,，并將其轉(zhuǎn)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間 （I-t） 可以與分析物的檢測和幅度相關(guān),。
根據(jù)設(shè)備上的終端數(shù)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(shù)分析儀是多個SMU與交互式軟件相結(jié)合的集成系統(tǒng),。這種可配置的測試系統(tǒng)將這些測量簡化為一個集成系統(tǒng)，包括硬件,、交互軟件、圖形和分析功能,。
圖1. 4200A-SCS參數(shù)分析儀
本應(yīng)用指南描述了典型的生物場效應(yīng)管,，及如何將SMU和被測器件進(jìn)行電氣連接,，定義了常見的直流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(xiàng)以達(dá)到理想測量結(jié)果,。
一、生物場效應(yīng)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(xì)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(yīng)轉(zhuǎn)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(guān)。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(tǒng)晶體管的測量儀器是一樣的。
在這些設(shè)備上執(zhí)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(shè)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(dǎo)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(diǎn)是大量摻雜n+的區(qū)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(dāng)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(dǎo)電通道,。電流開始從漏極流向源極。電流流動的方向與帶負(fù)電的電子的運(yùn)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?xùn)艠O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(chǎn)生的漏極電流,。除了加載電壓和測量電流外，還可以遠(yuǎn)程控制SMU改變電壓源的極性,，并設(shè)置合適的鉗位電流,，以防止過大的電流損壞設(shè)備,。
根據(jù)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(dāng)使用多個SMU時,，SMU的時間必須同步,，這在4200A-SCS參數(shù)分析儀內(nèi)會自動完成。
三,、BioFETs示例
在本節(jié)中，將提供常見生物場效應(yīng)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效應(yīng)管、擴(kuò)展柵極FET和離子敏感型FET,。
Back-Gated BioFET
在背柵生物場效應(yīng)管中，如圖5所示,，電和化學(xué)絕緣材料將半導(dǎo)體層與導(dǎo)電通道分開,。當(dāng)生物受體暴露于特定的分析物或生物元素時,，F(xiàn)ET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(yōu)勢,，因?yàn)樗€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(kuò)展柵FET（EGFET）
圖6顯示了一個擴(kuò)展柵FET,，它包括一個傳感結(jié)構(gòu)和一個MOSFET,。在這種生物場效應(yīng)管中，傳感結(jié)構(gòu)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(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SMU測量的MOSFET的轉(zhuǎn)移特性（ID?vs. VREF）將根據(jù)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(yīng)用包括檢測特定分子，如葡萄糖,、pH值和離子種類,。
圖6. 擴(kuò)展柵FET
離子選擇FET（ISFET）
如圖7所示,，離子選擇場效應(yīng)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(guān),。ISFET廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，如pH值監(jiān)測、葡萄糖測量和抗體檢測,。
ISFET與EGFET一樣，由傳感結(jié)構(gòu)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(jié)合在一起的,。ISFET具有與MOSFET相同的基本結(jié)構(gòu)，包括柵極,、漏極和源極,。然而，傳統(tǒng)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(zhǔn)電極和襯底之間施加,，并在FET的漏極和源極之間形成反轉(zhuǎn)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(dāng)電解質(zhì)溶液的離子濃度變化時,，F(xiàn)ET的漏極電流也隨之變化,，并由SMU2測量。
四,、直流I-V測量
本節(jié)描述了用于表征生物場效應(yīng)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(yīng)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(guān)系,。轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)分析儀生成的,。
圖8. 轉(zhuǎn)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(jìn)行測試的項(xiàng)目,。這些測試和項(xiàng)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(guān)函數(shù),，如圖10所示,。這些曲線是使用4200A-SCS參數(shù)分析儀中的兩個SMU生成的。在這種情況下,，SMU1連接?xùn)艠O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(guān)系,。或者,，柵極電壓可以保持恒定,，但對生物組分進(jìn)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(shù)圖，可以監(jiān)測生物晶體管傳感器的動態(tài)響應(yīng),，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(yīng)用中，當(dāng)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(yōu)化
在本節(jié)中，將描述實(shí)現(xiàn)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(shù)，允許足夠的穩(wěn)定時間,，以及規(guī)范使用以避免損壞設(shè)備。
運(yùn)行“空白”測試
一旦系統(tǒng)設(shè)置好,，運(yùn)行“空白”或空測以確保一切設(shè)置和配置正確是一個好方法。這個測試將通過測量設(shè)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(jù)需要對測試電路和設(shè)置進(jìn)行調(diào)整,。根據(jù)設(shè)備的類型不同，這個操作可能是可執(zhí)行的也可能是不可能的,。
最小化噪聲讀數(shù)
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(nèi),。噪聲可能由幾種原因引起,，可能需要一些實(shí)驗(yàn)來確定其來源。
當(dāng)帶電物體接近被測電路時,，會產(chǎn)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(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)定,。錯誤的讀數(shù)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(yīng)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(shè)計(jì)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(dá)、電腦屏幕或?qū)嶒?yàn)室或試驗(yàn)臺內(nèi)或附近的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾,。它們可以通過屏蔽和過濾或通過去除或關(guān)閉噪聲源來控制,。
綜上所述,，為了最大限度地減少噪聲讀數(shù)：
讓所有帶電物體，包括人,、導(dǎo)體遠(yuǎn)離測試電路的敏感區(qū)域
避免在測試區(qū)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(shè)置窗口中使用自定義速度模式進(jìn)行調(diào)整
用導(dǎo)電外殼將被測設(shè)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(wǎng)狀屏幕,，將測試電路封閉起來。
圖12. 導(dǎo)電屏蔽殼連接到Force LO
限制電流
為了防止在進(jìn)行I-V表征時損壞設(shè)備,，設(shè)置鉗位值以限制可以流過設(shè)備的電流量。這可以在Clarius軟件中通過將每個SMU的當(dāng)前鉗位值設(shè)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(wěn)定時間
當(dāng)測量低電流（<1μA）時，需要允許足夠的穩(wěn)定時間,，以確保在施加或改變電流或電壓后測量的穩(wěn)定性,，例如當(dāng)掃描柵極電壓和測量漏極電流時。影響電路穩(wěn)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(guān)矩陣,。
測量電路的穩(wěn)定時間可以通過繪制電流與時間到階躍電壓的關(guān)系來確定,。穩(wěn)定時間可以通過圖形直觀地確定。一旦確定了穩(wěn)定時間,，該值可以用作Clarius軟件的測試設(shè)置窗口中的電壓掃描延遲時間,。
六、結(jié)論
基于FET的生物傳感器由于其成本低,、反應(yīng)快、檢測準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),，研究和開發(fā)得到了加強(qiáng),。生物OFET將對分析物的生物響應(yīng)轉(zhuǎn)換成可以通過直流I-V儀器輕松測量的電信號。4200A-SCS參數(shù)分析儀中的SMU用于執(zhí)行生物場效應(yīng)管的I-V表征,，使用適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)置和應(yīng)用適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)可以達(dá)到理想測量結(jié)果。
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