Transistor de efecto de campo sensible a los iones - Principio de funcionamiento del ISFET

El transistores de efecto de campo sensibles a los iones son los nuevos dispositivos integrados en los sistemas de micro-laboratorio electroquímico en un chip. Son un tipo común de transistor de efecto de campo químicamente sensible y su estructura es idéntica a la de los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico. La zona sensible representa la puerta del transistor e incorpora el medio de transducción de una concentración de iones a una tensión. En el caso del ISFET, el óxido metálico y las puertas metálicas del MOSFET general se sustituyen por una simple solución en la que se sumergen los electrodos de referencia y las capas aislantes sirven para detectar el analito específico. La naturaleza de las capas aislantes define la funcionalidad y la sensibilidad del sensor ISFET.

¿Qué es un ISFET?

La abreviatura de ISFET es Transistor de efecto de campo sensible a los iones. Es un transistor de efecto de campo que se utiliza para medir la concentración de soluciones iónicas. La concentración de iones, como el H+, se modifica en función del pH y, en consecuencia, se produce un cambio en la corriente que pasa por el transistor. En este caso, el electrodo de puerta es la solución y la tensión entre la superficie de óxido y el sustrato se debe a la vaina de iones.

Principio de funcionamiento del ISFET

El principio de funcionamiento de un electrodo de pH ISFET es una modificación del transistor de efecto de campo normal y se utiliza en muchos circuitos de amplificación. En los ISFET, la entrada se utiliza normalmente como puerta metálica, sustituida por una membrana sensible a los iones. Así, el ISFET combina la superficie de detección y un único amplificador en un solo dispositivo, lo que proporciona una salida de alta corriente y baja impedancia y permite el uso de cables de conexión sin apantallamiento innecesario. El diagrama siguiente muestra la ilustración del electrodo de pH ISFET.

Existen varias máquinas para medir el pH a partir del tradicional electrodo de vidrio. El principio de medición se basa en el control de la corriente que circula entre dos semiconductores, el drenaje y la fuente. Estos dos semiconductores están unidos a un tercer electrodo que actúa como terminal de puerta. El terminal de la puerta está directamente en contacto con la solución a medir.

Etapas de construcción del ISFET

• El proceso de fabricación del ISFET se ilustra a continuación, paso a paso
• El ISFET se fabrica con la ayuda de la tecnología CMOS y sin ningún paso de posprocesamiento
• Toda la fabricación se lleva a cabo en casa, en el laboratorio de microfabricación
• El material debe ser una oblea de silicio tipo p de 4 pulgadas
• En el ISFET, el terminal de puerta se prepara con el material SiO2, Si3N4, ambos materiales computables por el COMS.
• Hay seis pasos de enmascaramiento que consisten en la creación del pozo n, los drenajes fuente n y p, la puerta, el contacto y el material.
• El diseño de Si3N4 y SiO2 se realiza mediante el grabado de soluciones de óxido tampón

Los siguientes pasos de fabricación muestran el proceso estándar del MOSFET y hasta la deposición del nitruro de silicio como película de detección de iones. La deposición de nitruro de silicio se realiza con la ayuda del método de deposición de vapor químico mejorado por plasma. El grosor de la película se mide con un elipsómetro. Tras la deposición del nitruro, el proceso continúa con la forma de contacto utilizando la máscara de contacto.

El grabado químico húmedo BHF se utiliza para grabar las películas de nitruro y óxido subyacentes a la región de fuente y drenaje. El uso de BHF ayuda a eliminar otros pasos de grabado para el nitruro de silicio. El último y definitivo paso es la metalización en la fabricación de ISFET. En las proximidades de la región de la puerta, el transistor de efecto de campo sensible a los iones no tiene capa metálica, mientras que la metalización se realiza en los contactos de la fuente y el drenaje. Los principales y sencillos pasos en la fabricación de un transistor de efecto de campo sensible a los iones se ilustran en el siguiente diagrama.

Sensor de pH ISFET

Estos tipos de sensores son la opción ideal para la medición del pH y son necesarios para obtener un rendimiento superior. El tamaño del sensor es muy pequeño y los sensores se utilizan para aplicaciones médicas. El sensor de pH ISFET es utilizado por la FDA y la CE, que aprueban los dispositivos médicos, y también es el mejor para las aplicaciones alimentarias porque no tiene vidrio y se inserta en las sondas con la ayuda de un perfil reducido que minimiza el daño a los productos. El sensor de pH ISFET es aplicable en muchos entornos y situaciones industriales que varían en condiciones de humedad y sequedad y también en determinadas condiciones físicas, como la presión, que hacen que los electrodos de pH de vidrio convencionales sean adecuados.

Características del pH del ISFET

Las características generales del ISFET pH son las siguientes

• La sensibilidad química del ISFET está totalmente controlada por las propiedades del electrolito
• Existen diferentes tipos de materiales orgánicos para sensores de pH, como Al2O3, Si3N4, Ta2O5, que tienen mejores propiedades que el SiO2, mayor sensibilidad y baja deriva.

Ventajas del ISFET

• La respuesta es muy rápida
• Es una integración sencilla con la electrónica de medición
• Reduce el tamaño de la biología de la sonda.

Aplicaciones del ISFET

La principal ventaja del ISFET es que puede integrarse con los MOSFET y los transistores de los circuitos integrados estándar.

Desventajas del ISFET

• La gran deriva requiere un encapsulamiento inflexible de los bordes del chip y de los cables de conexión
• Aunque las propiedades de amplificación del transistor de este dispositivo son muy buenas. Para la detección de sustancias químicas, la responsabilidad de la membrana aislante ante el envenenamiento ecológico y la consiguiente rotura del transistor ha impedido que la ISFE gane popularidad en los mercados comerciales.

Este artículo describe el principio de funcionamiento del ISFET y su proceso de fabricación paso a paso. La información facilitada en el artículo proporciona los fundamentos del transistor de efecto de campo sensible a los iones; si tienes alguna pregunta sobre este artículo o sobre la fabricación de CMOS y NMOS, coméntala en la sección siguiente. Aquí tienes una pregunta: ¿cuál es la función del ISFET?

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