用于测量在生物的、化学的或者其他试样处的小的电压和电势的设备和方法技术

本发明专利技术涉及用于测量在生物的、化学的或者其他试样处的小的电压和电势的设备和方法。所述设备包括至少一个具有源极、漏极和栅极的场效应晶体管，所述栅极与试样接触，并且通过栅极电介质与场效应晶体管的导电沟道绝缘，以及包括用于在源极和漏极之间施加电压的装置和用于对栅极加载偏置电压的装置。按照本发明专利技术，栅极电介质在其内部具有至少一个积聚点，所述积聚点能够从沟道捕获载流子，并且相反地发出给沟道。通过这样的积聚点永久地以统计方式将载流子与沟道交换，所述积聚点将流过沟道并且因此流过晶体管的电流与电报调制信号叠加，所述电报调制信号的表示特性的时间常数代替迄今所使用的漏极电流时间平均值可以被用作用于试样的电势或者电压的测量信号。由此所测量的信息的较大的分量鉴于所寻求的结果被分析，这明显地改善测量的灵敏度和精度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术设及一种用于测量在生物的、化学的和其他试样处的小的电压和电势的设 备和方法。
技术介绍
生物试样的许多特性与电荷的吸收、发出或者空间重组有关，并且因此可W间接 地和非侵入地通过电势的改变被测量，所述电荷在靠近测量设备时引起所述电势的改变。 运样的运种类型的测量设备经常包含场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极与试样接 触。试样在栅极处改变电势并且因此调制在预先给定的漏极源极电压的情况下通过晶体管 驱动的电流。不利的是，用于研究在生物的、化学的和其他试样处的小的电压和电势的运种 测量的信号太小。 由（S. Sorgenfrei'C.畑iu, M. Johnston'C. Nuckolls'K. L.化epard， ('Debye Screening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors"， Nano Letters 2011 (11)，3739-3743( 2011))已知一种测量设备，所述测量设备使用碳纳米 小管（NanorShrchen)作为场效应晶体管。纳米小管被功能化用于积聚具有晶格缺陷 (Fehlstelle)的生物分子。生物分子与该晶格缺陷的结合W及生物分子与所述晶格缺陷的 去禪在通过纳米小管驱动的电流中产生双能级电报噪声，利用所述双能级电报噪声可W研 究结合和去禪的动力学。
技术实现思路
任务和解决方案 本专利技术的任务是，除与晶格缺陷的结合和去禪的动力学之外，能够定量地W比按照迄 今的现有技术更好的精度测定试样的其他特性，所述其他特性能够引起电势变化。 所述任务按照本专利技术通过按照独立权利要求的设备和通过按照并列权利要求的 方法被解决。其他的有利扩展方案由对其回引的从属权利要求得出。 专利技术主题 在本专利技术的范围中阐明用于测量试样的小的电压和电势或者其他电参量的设备。所述 设备包括至少一个具有源极、漏极和栅极的场效应晶体管W及用于在源极和漏极之间施加 电压的装置W及用于对栅极加载偏置电压的装置，其中所述栅极与试样接触并且通过栅极 电介质与场效应晶体管的导电的沟道绝缘。 按照本专利技术，栅极电介质在其内部具有至少一个积聚点(Anlagerstel Ie)，所述积 聚点能够从沟道中捕获载流子并且能够相反地将载流子发出给沟道。[000引通过运样的积聚点永久地W统计方式与沟道交换载流子，所述积聚点将流过沟道 并且由此流过晶体管的电流与在两个能级之间的统计的分级波动叠加。所述能级对应于两 种可能的状态，即积聚点用载流子占用或者不被占用。运样的波动在半导体电子设备中通 常是不期望的，从而采取努力W便将所述波动最小化。因为波动的时间变化过程与在电报 线路上的莫尔斯信号的时间变化过程相似，所W为所述波动引进名称"电报噪声"（random telegraph noise(随机电报噪声））。 已认识到的是，对于载流子交换的可能性非常灵敏地取决于在积聚点的位置处的 电势如何与费米能级有关。通过生物分子的靠近引起的小的电势变化已经剧烈地改变所述 可能性。运在波动的表示特性的特征参量中、尤其在用于通过积聚点捕获和/或用于发出载 流子的时间常数中表现出来。所述时间常数分别通过两个电流能级中的每个电流能级所存 在的持续时间确定。在生物分子结合到栅极上或者仅仅触碰所述栅极之前，明显的信号已 经是可测量的。栅极在此情况下一般不被金属化。使试样直接与栅极电介质接触，所述栅极 电介质可选地可W在一些点处利用附加的分子被功能化用于结合感兴趣的试样分子。 由波动引起的、由在离散电流能级之间的突然的分级跃迁构成的有效信号在下面 被称为电报调制信号，其中所述跃迁的时间点分别W统计方式分布。 与迄今的现有技术不同，电报调制信号不是在试样与测量设备相互作用的位置 处、而是在栅极电介质的内部被产生。积聚点不与试样直接地触碰。当电报调制信号的特征 改变时，运因此仅通过由试样引起的电势变化而决定并且不受试样的另外的特性影响。因 此在不同试样处的相继的测量可W定量地彼此被比较。 与现有技术相比更强的信号的原因一方面是电报调制信号的两个能级通过较大 的能隙彼此分开。按照现有技术，两种状态仅相差别生物分子到纳米小管中的晶格缺陷的 结合能。为了在栅极电介质中的按照本专利技术所使用的晶格缺陷与沟道之间交换电荷，明显 较高的能量数值(库伦(coulomb)能)是必要的。另一方面，所述两个能级之间的差别也较强 地对通过晶体管的电流采取有力措施(durchgreifen)，其方式是积聚点处于沟道附近。相 反地，按照现有技术生物分子在纳米小管处的积聚仅通过图像电荷效应被传送 (vermitteln)给沟道并且因此明显较弱地对电流采取有力措施。 积聚点的作用可W W不同的方式被定制，W便使设备对于电势的特定的测量范围 是特别灵敏的。为此，例如可W使用在栅极电介质的材料内的屏蔽效应。对于在积聚点和沟 道之间的电荷的交换是必要的能量数值W及用于所述电荷交换的作用横截面可W尤其通 过积聚点在栅极电介质内的位置来预先给定。同时费米能级可W通过在栅极处的偏置电压 在宽的界限中被推移。栅极电介质可W有利地包含多个积聚点，所述积聚点在用于电荷交 换的能量数值方面相区分，使得测量可W在多个测量范围中同时被执行。然而为了仍能够 安全地彼此区分信号数值，多于五个的积聚点不应该同时是有效的。 在本专利技术的一种特别有利的扩展方案中，积聚点是栅极电介质中的局部缺陷。所 述局部缺陷可W有利地尤其通过W下方式被引入到栅极电介质中： ?通过栅极电介质的化合物元素的局部耗尽和/或晶格缺陷、尤其通过氧的局部耗尽 和/或晶格缺陷，和/或 ?通过退火，和/或 ?通过不同介电材料的组合、诸如二氧化娃/Ta2化、Si〇2/Al2〇3或者Si〇2/高K电介质等 等， ?通过机械应力或者在沟道和其他材料之间、诸如在Si和Sii-xGex之间的其他表面状 态， ?通过利用电离福射或者电子福射对栅极电介质的局部损害，和/或 ?通过将异质离子植入到栅极电介质中，和/或 ?通过机械压应力和/或拉应力，和/或 ?通过在场效应晶体管临时过载的情况下将来自沟道的热的载流子注入到栅极电介质 中。 在不同的介电材料堆积的情况下，由于不同的晶格常数W及机械张力 (Verspannungen)在两个介电层之间可能存在互相扩散。杂质（StSrstelle)也可W在两个 不同的介电层之间被交换。将对电介质施加影响的该可能性和其他可能性W总称"介电工 矛呈（dielectric en邑ineerin邑）"?示。 作为表面状态的机械张力例如可W通过两种材料的晶格常数的差别而形成或者 也可W通过弯曲衬底故意地被引入。一些晶格缺陷可W通过机械应力产生。 积聚点有利地与场效应晶体管的导电的沟道相距最多2 nm，W便增强在积聚点处 的电荷交换对通过沟道的电流采取有力措施(Durchgriff)。运与常见的场效应晶体管情况 下的设计目的不一致，在常见的场效应晶体管情况下的设计目的中应当使在缺陷处的电报 噪声对通过晶体管的电流的影响最小化。 在本专利技术的一种特别有利的扩展方案中，设备具有用于由漏极电流的统计的分级 波动（电报调制信号)分析用于通过积聚点捕获载流子的时本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于测量试样的小的电压和电势或者其他电参量的设备，包括至少一个具有源极、漏极和栅极的场效应晶体管，所述栅极与试样接触，并且通过栅极电介质与场效应晶体管的导电的沟道绝缘，以及包括用于在源极和漏极之间施加电压的装置和用于对栅极加载偏置电压的装置，其特征在于，所述栅极电介质在其内部具有至少一个积聚点，所述积聚点能够从沟道捕获载流子，并且相反地将载流子发出给沟道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S维图泽维奇，李璟，S普德，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE