РН метр на ISFET структурі. Як визначити значення рН розчину?

Рис. 3.12. Схема ISFET-структури

На основі польового ефекту працює й іонно-селективний польовий транзистор (ISFET), за допомогою якого можна вимірювати рН розчину та кількість іонів у розчинах. На рис. 3.12 показано просту ISFET-структуру, яка схожа зі структурою рис. 3.1, проте в останньої відсутній звичайний металевий затвор. Ця структура занурюються в розчин з іонною провідністю. Як і у випадку польового транзистора, в ISFET-структурі індукується канал n-типу за допомогою напруги, яка прикладається до референтного електрода. Вважається, що референтний електрод точно показує потенціал у розчині незалежно від зарядів розчинених речовин чи рН розчину.

Адсорбція молекул на оксидний шар (підзатворний діелектрик) веде до перерозподілу напруги між ОПЗ напівпровідника та оксиду. Наприклад, для розчину з малим значенням рН протони є домінуючими адсорбатами; якщо значення рН велике, то домінуючими адсорбатами будуть ОН– іони. На поверхні виникає подвійний зарядовий шар – так званий шар Гемгольца. На рис. 3.13 показано розподіл іонів у розчині азотної кислоти HNO₃ (рН мале) і на межі з поверхнею SiO₂. Шар Гемгольца буде складатися з іонів NO₃– у розчині та Н+ на поверхні. Ефективний потенціал на поверхні SiO₂, який створює індукований канал у польовому транзисторі, буде дорівнювати:

Рис. 3.13. Природа подвійного зарядового шару Гемгольца на поверхні SiO2 для розчину концентрованої азотної кислоти

(3.21)

де – потенціал подвійного зарядового шару Гемгольца, який залежить від концентрації всіх адсорбованих іонів, V_G – напруга на референтному електроді, const – постійна, яка характеризує потенціал електрода. Оскільки залежить від рН, то струм у каналі змінюється з рН при постійному V_G. У випадку сильного іонного зв'язку між адсорбованими молекулами та SiO₂:

де pH*– відповідає випадку, коли сумарний адсорбований заряд дорівнює нулю або "точці нульового заряду". Взагалі pH може змінюватись від 0 до 14, що відповідає зміні концентрації іонів водню від 10 до 10–14 моль/л.

При кімнатній температурі зміна рН на 1 веде до зміни потенціалу на 55 мВ. Недоліки таких рН-метрів: по-перше, відбувається гідратація підзатворного діелектрика, коли у водних розчинах SiO₂ трансформується на SiOН, що веде до зміни діелектричної проникності, перерозподілу напруг у структурі і, відповідно, до дрейфу параметрів сенсора. Ця проблема вирішується шляхом використання захисних покриттів Si₃N₄, IrO_x, Ta₂O₅, Al₂O₃, які наносяться на поверхню підзатворного діелектрика SiO₂; по-друге, використання референтного електрода несумісне з планарною технологією інтегральних схем. Однак ISFET-структури набули популярності, особливо при дослідженні біологічних об'єктів і створені напівпровідникових біосенсорів.