用于運(yùn)行化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001 ]已知的是:使用例如由氮化鎵或碳化硅構(gòu)成的半導(dǎo)體元件來探測包含在液體中的化學(xué)物質(zhì)。相應(yīng)的半導(dǎo)體元件能夠被構(gòu)造為化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管。
[0002]關(guān)于這種化學(xué)敏感的半導(dǎo)體元件的迄今的發(fā)展尤其聚焦于其用于探測專門的化學(xué)物質(zhì)的最佳設(shè)計(jì)方案上。就這種探測而言，典型地觀測到偏置漂移(所謂的“基線漂移”)。這種偏置漂移由于具有不同時(shí)間常數(shù)的不同原因而造成。尤其是接口狀態(tài)的產(chǎn)生、充電和放電，來自附著處的自由帶電粒子的再分配，來自附著處的自由帶電粒子的間距，空穴的產(chǎn)生，在電介質(zhì)中的能移動(dòng)電荷的存在性以及在半導(dǎo)體中對弱電載荷來說相對地小的改變都屬于所述的不同原因?？偟膩碚f偏置漂移導(dǎo)致，僅僅通過對探測信號(hào)的改變進(jìn)行觀察就能夠檢測到自發(fā)出現(xiàn)的、由氣體決定的探測信號(hào)，但不可以定量測量。在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的原理的基礎(chǔ)上，不存在純粹測量的氣體傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主題是一種用于運(yùn)行具有柵極接頭的化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于，至少在運(yùn)行場效應(yīng)晶體管期間至少在場效應(yīng)晶體管的一部分內(nèi)以下述方式產(chǎn)生至少一個(gè)電場:至少在場效應(yīng)晶體管的鄰接?xùn)艠O接頭的區(qū)域內(nèi)所存在的能動(dòng)的離子積聚在場效應(yīng)晶體管的能預(yù)先給定的區(qū)域內(nèi)并且保持在那里。
[0004]在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管中存在的能動(dòng)的離子的運(yùn)動(dòng)一所述運(yùn)動(dòng)例如可能由離子漂移和/或由擴(kuò)散而引起一尤其以偏置漂移的形式對探測信號(hào)Ids產(chǎn)生作用。因此在場效應(yīng)晶體管運(yùn)行期間能動(dòng)的離子不應(yīng)當(dāng)改變其在該場效應(yīng)晶體管內(nèi)的位置。此外，場效應(yīng)晶體管的退化(Degradat1n)會(huì)引起偏置漂移，同樣要考慮防止這一點(diǎn)。
[0005]利用根據(jù)本發(fā)明的方法能夠盡量避免了化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管之內(nèi)的能動(dòng)的離子的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槟軇?dòng)的離子借助于電場在場效應(yīng)晶體管之內(nèi)被固定在一定的位置上。此夕卜，能夠通過對相應(yīng)產(chǎn)生的電場的強(qiáng)度的選擇來以不出現(xiàn)退化的方式對化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。所以，利用根據(jù)本發(fā)明的方法盡量避免了偏置漂移，從而利用根據(jù)本發(fā)明而運(yùn)行的化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管使得在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的總壽命中對包含在液體中的至少一種化學(xué)物質(zhì)的定量測量或探測成為可能。
[0006]能夠使用化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管來探測液體中的至少一種化學(xué)物質(zhì)，該液體具有在100 0C至700 °C范圍內(nèi)的溫度，優(yōu)選300 °C至500 °C范圍內(nèi)的溫度。也通過化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的、與之相關(guān)聯(lián)的熱施加使得場效應(yīng)晶體管加熱。這種對化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的加熱促進(jìn)了包含在該場效應(yīng)晶體管內(nèi)的能動(dòng)的離子的可運(yùn)動(dòng)性，這與上面提到的不利結(jié)果、尤其偏置漂移相關(guān)聯(lián)。因此以優(yōu)選的方式如此選擇所述電場:在相應(yīng)地使用化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管期間所具有的溫度情況下不出現(xiàn)能動(dòng)的離子的運(yùn)動(dòng)并且不出現(xiàn)退化。
[0007]優(yōu)選地，已經(jīng)在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管發(fā)生相應(yīng)的加熱之前就在場效應(yīng)晶體管的至少一部分內(nèi)產(chǎn)生電場且保持該電場，直至該化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管在其不運(yùn)行時(shí)被再次冷卻至正常溫度。由此在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的預(yù)熱期間避免了能動(dòng)的離子的擴(kuò)散或者說在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的冷卻期間“凍結(jié)”該化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的運(yùn)行狀態(tài)。
[0008]有利地，能動(dòng)的離子借助于在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的至少一部分內(nèi)產(chǎn)生的電場被吸引到該化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的區(qū)域內(nèi)，以該區(qū)域?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)這些離子對化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的源極接頭和漏極接頭之間的線路電流沒有作用。通過存在于相應(yīng)液體中的物質(zhì)對借助于電場而保持位置固定的能動(dòng)的離子的影響是可以忽略的，因?yàn)槟軇?dòng)的離子借助于電場會(huì)保持有效。
[0009]在開始運(yùn)行化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管時(shí)能夠首先建立有針對性的離子分布。在建立該離子分布之后能夠獲知所述化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的工作點(diǎn)并且在該化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的至少一部分中產(chǎn)生電場，直至在相應(yīng)的運(yùn)行溫度下達(dá)到該化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的穩(wěn)定狀態(tài)。所述化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管能夠根據(jù)其常規(guī)使用情況利用還存在的電場而冷卻到例如室溫，以便將能動(dòng)的離子的位置有針對性地“凍結(jié)”，尤其因而不會(huì)發(fā)生能動(dòng)的離子在未定義的狀態(tài)下反向擴(kuò)散。為了運(yùn)行所述化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管，在該化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管上施加電壓，需要該電壓來產(chǎn)生適于將能動(dòng)的離子保持在運(yùn)行溫度下的電場。所述工作點(diǎn)尤其應(yīng)當(dāng)以下述方式來選擇:在化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的運(yùn)行溫度下通過所施加的電場而不出現(xiàn)退化且有良好的信噪比以及良好的氣體敏感性。優(yōu)選地，僅使用所述被確定的工作點(diǎn)來運(yùn)行所述化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管。
[0010]為了使得測量結(jié)果可信，按照根據(jù)本發(fā)明的方法而運(yùn)行的化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管能夠與按照另一種方法而運(yùn)行的化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管一起被布置在同一芯片上。
[0011]根據(jù)一種有利的設(shè)計(jì)方案，通過在所述場效應(yīng)晶體管的源極接頭和漏極接頭之間施加電壓來產(chǎn)生所述電場。由此，能夠使得能動(dòng)的陽離子在所述源極接頭的區(qū)域內(nèi)積聚且能動(dòng)的陰離子在所述漏極接頭的區(qū)域內(nèi)積聚。
[0012]根據(jù)另一種有利的設(shè)計(jì)方案，在所述源極接頭和所述柵極接頭之間額外施加電壓。由此，能夠以下述方式來調(diào)整所述化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的工作點(diǎn):選擇該場效應(yīng)晶體管的特性曲線的、對于各評估方案來說最佳的區(qū)域。在此，應(yīng)當(dāng)保持所產(chǎn)生的電場如此之小，使得在所述化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管的期望的運(yùn)行溫度情況下不出現(xiàn)退化。
[0013]此外，本發(fā)明的主題是一種用于探測至少一種化學(xué)物質(zhì)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有至少一個(gè)化學(xué)敏感的場效應(yīng)晶體管和在通信技術(shù)方面與所述場效應(yīng)晶體管連接的電子評估裝置，其特征在于一種裝置，該裝置用于至少在運(yùn)行所述場效應(yīng)晶體管期間以下述方式在所述場效應(yīng)晶體管的至少一部分內(nèi)產(chǎn)生至少一個(gè)電場:至少在所述場效應(yīng)晶體管的鄰接所述柵極接頭的區(qū)域內(nèi)所存在的能動(dòng)的離子積聚在所述場效應(yīng)晶體管的能預(yù)先給定的區(qū)域內(nèi)并且保持在那