2.1.2 Контакт полупроводника с раствором

В случае, когда полупроводник n-типа находится в контакте с раство- ром, содержащим окислительно-восстановительную пару Ox/R, уро- вень Ферми определяется окислительно-восстановительным потенци- алом Е°. Если E_F полупроводника выше Е°, электроны будут стекать с полупроводника в раствор, а энергетические зоны (ВЗ и ЗП) вблизи границы поднимутся вверх (рис. 2.3).

Рис 2.3. Формирование соединения между полупроводником n-типа и раствором, содержащим окислительно-восстановительную пару Ox—R: а) до контакта; б) в равновесии в темноте; в) после попадания на поверхность контакта излучения с энергией hν > Е_с

Если на поверхность контакта падает излучение, энергия которого превышает значение Е_G (ширину запрещенной зоны), произойдет разделение электронов и дырок. Дырки будут мигрировать к поверхности с потенциалом, эквивалентным потенциалу ВЗ, где будет происходить окисление R в Ох. Электроны же будут перемещаться вглубь полупроводника и в цепь внешней нагрузки либо поглощаться акцептором электронов (Ох), восстанавливая его. Описанное явление называют фотокатализом. В качестве фотокаталитического материала широко используют диоксид титана.

2.1.3 Полевой транзистор

Полевой транзистор специально сконструирован для отслеживания изменений, происходящих в МДП-структуре. За инверсией типа проводимости в приграничной области полупроводника р-типа (подложки) следят с помощью двух элементов n-типа, расположенных с разных ее сторон. Чаще всего используют полевой транзистор с изолированным затвором. Его схема показана на рис. 2.4. Кремниевые сток (5) и исток (4) с проводимостью n-типа разделены кремниевой подложкой с проводимостью р-типа. В качестве диэлектрика (2) используется диоксид кремния. Между стоком и истоком подается напряжение V_D. Затво- ром служит металл (3), изолированный от остальной структуры, так что вся МДП-структура напоминает плоский конденсатор (рис. 2.5).

Рис. 2.4 - Схема полевого транзистора с изолированным затвором:

1 — кремниевая подложка р-типа;

2 — диэлектрик;

3 — металлический затвор;

4 — исток п-типа;

5 — сток n-типа;

6 — металлические контакты на стоке и истоке

На затвор подается напряжение смещения V_G, и измеряется ток I_D, направленный от стока к истоку. При пороговом напряжении V_T в крем- ниевой подложке происходит инверсия проводимости от р-типа к п-типу. При небольшом положительном V_D и V_G < V_T проводимость кремниевой подложки дырочная (р-типа), и тока из истока нет (исток находится под положительным напряжением относительно подложки). При V_G > V_T в приповерхностной области подложки происходит инверсия типа прово- димости (с дырочной на электронную), и ток начинает течь от стока к ис- току без преодоления p-n-перехода. Теперь, варьируя V_G, можно изменять поток электронов из приповерхностной области и таким образом контро- лировать проводимость. I_D течет от истока к стоку, а его величина линейно зависит от электрического сопротивления инверсионного канала и от V_D.

Рис. 2.5. Схематическое изображение изолированного затвора в полевом транзисторе.

М - металл; Д - диэлектрик; П - полупроводник

Для того чтобы сделать из описанного устройства сенсор, в затвор вместо металла помещают распознающий элемент, например, аналит- чувствительную мембрану. Таким образом получают химически чувст- вительные полевые транзисторы (ХЧПТ), схема которых показана на рисунке 2.6.

Рис. 2.6. Схема полевого транзистора, в затворе которого имеется

аналит-чувствительная мембрана (ХЧПТ).

1 — кремниевая подложка; 2 — диэлектрик; 3 — аналит-чувствительная мембрана; 4 — сток; 5 — исток; 6 — изолирующая заливка; 7 — раствор аналита;

8 — электрод сравнения

В этой конструкции аналит-чувствительная мембрана (3) находит- ся в контакте с раствором определяемого вещества (7). Цепь замыкает электрод сравнения (8), который следует за источником напряжения смещения V_G. Таким образом, V_G уменьшается на величину мембран- ного потенциала и потенциала раствора.

Ток можно измерять напрямую при постоянном V_G с использова- нием схемы, показанной на рис. 2.7. С другой стороны, можно поддер- живать постоянным ток I_D и менять напряжение V_G. В этом случае на- пряжение измеряют с помощью схемы, показанной на рис. 2.28, кото- рая используется в целом, ряде сенсоров на основе полевых транзисторов. Помимо ХЧПТ различают также полевые транзисторы с ионоселективными электродами (ИСПТ) и ферментные полевые тран- зисторы (ФПТ), в затворе которых помещена ферментная система.

Рис. 2.7. Электрическая схема для измерения I_D при постоянном затворном напряжении: А – операционны усилитель; R₁=1kOm; R₂=470 Ом

Рис. 2.8. Электрическая схема для измерения V_G при постоянном токе стока: А₁ и А₂ - операционные усилители; R₁ =1 кОм; R₂ = R₃ = 100 кОм; R₄ = 20 кОм, R₅ = 470 Ом; С = 10 пФ