1 Überblick über die Sensorik

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450 8.6 Chemisch sensitive Feldeffekttransistoren (CHEMFETs) 8.6 Chemisch sensitive Feldeffekttransistoren (CHEMFETs) 451
Der Drainstrom chemisch aktiver MOS-Transistoren oberhalb der Abschnürspannung
(Sättigungsbereich der MOS-Kennlinien) wird durch die Standardtheorie (Band 2, Abschnitt
10.4.1: dort werden auch die einzelnen Größen weiter erläutert) beschrieben:
Bild 8.6-3:
CHEMFET mit einem chemisch passiviertem Referenzsystem, in welches das
Meßgas nicht eindringen kann (nach [1.1]).
Die durch die chemische Reaktion gesteuerte elektrische Größe ist dabei in vielen Fällen
die Gatespannung U G , welche durch die EMK der Ladungsdoppelschicht beeinflußt
wird. Alternativ dazu können sich aber auch andere Größen, wie die Flachbandspannung
U a
FB
ändern, die ihrerseits nach (2) von einer Anzahl von Werkstoffparametern
(Arbeitsfunktionen, Oxid- und Grenzflächenladungen u.a.) beeinflußt wird. Alle diese
Größen hängen empfindlich von den Randbedingungen der chemischen Reaktion und
dem Zustand und Reinheitsgrad des Systems Gatemetall-Gateoxid-Halbleiteroberfläche
ab.
Aus der empfindlichen Abhängigkeit von vielen – in ihrer Auswirkung sehr unterschiedlichen
– Werkstoffgrößen ergibt sich auch die grundsätzliche Schwierigkeit der
CHEMFETs: Der Zustand des Systems ändert sich stark mit dem Kontaminationsgrad,
der in den meisten Fällen schwer zu kontrollieren ist, da der einstellbare Temperaturbereich
aufgrund der Anwesenheit von Flüssigkeiten oder durch den technologischen Aufbau
der Sensoren stark eingeschränkt ist. Die Sensorkennlinien sind daher in vielen Fällen
wenig langzeitstabil: Häufig verlieren die Sensoren nach einiger Zeit ihre Empfindlichkeit.
Darüber hinaus erfordert die Einführung passiver miniaturisierter Referenzsysteme
(Bild 8.6-3) eine zusätzliche Materialoptimierung.
Eine Reihe von Variationsmöglichkeiten ergibt sich für die Einkopplung der potentialbildenden
Prozesse durch chemisch reagierende Substanzen in die Halbleiteroberfläche.
Hierfür können z.B. poröse Gatemetallschichten oder spezielle Gatekonstruktionen
verwendet werden wie in Bild 8.6-4.
Auf dem Gebiet der chemisch sensitiven Halbleiterbauelemente werden zur Zeit noch
umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt mit den Zielsetzungen:
– Entwicklung neuer Systeme und Werkstoffkombinationen mit höherer Stabilität
und geringerer Anfälligkeit gegenüber Kontamination und Desensibilisierung (z.B.
durch Einführung von Schutz- und chemischen Sperrschichten)
– Begünstigung vorbestimmter chemischer Reaktionen durch Katalysatorzusätze
– Entwicklung von Sensoren mit einer (lokalen) Aufheizung, um bestimmte chemische
Reaktionen zu fördern
– Entwicklung "intelligenter" Sensoren, die aufgrund einer integrierten Datenverarbeitung
die ermittelten Daten besser auswerten können
– Entwicklung von Sensorarrays, d.h. einer Vielzahl gleichzeitig betriebener chemischer
Sensoren mit bevorzugter Empfindlichkeit für bestimmte Reaktionen.