一种离子敏感场效应晶体管的建模策略

马逸晨，杨正茂

（上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 201306）

引言

离子敏感场效应晶体管为一种主要的生物传感器平台，被研究者们广泛应用于监测电解质溶液中的离子活度（pH 值）[1]。这种高精度传感器具有响应速度快、成本低、体积小和CMOS 制造技术兼容性强的特点。也常被应用于医疗保健、食品安全、环境监测以及最近DNA 测序等生物反应检测等多种应用检测平台[2]。正因为此，越来越多的研究者对离子敏感场效应晶体管产生了浓厚的兴趣[3]。但由于离子敏感场效应晶体管的尺寸为纳米量级，一般只能通过仿真软件对其进行研究，而半导体仿真软件（TCAD）也不支持电解质溶液的模拟，这使得研究工作难以进行[4]。如何准确建立一个可以适配仿TCD 的数学模型成了离子敏感场效应晶体管的研究难题。

本文在研究离子敏感场效应晶体管的结构、原理的基础上，基于TCAD 建立了一种可以模拟敏感场效应晶体管的模型。该模型将半导体中的电子/空穴和溶液中的阴离子/阳离子相结合，模拟了溶液pH 值的变化以及溶液和绝缘层之间的界面反应，并通过仿真验证了模型的准确性，解决了TCAD 不支持电解质溶液模拟的难题。

1 pH 离子敏感场效应晶体管概述

pH 值是电解质溶液的一个重要指标，它在实际生活中的应用非常的广泛。pH 值的测量与现代工业、农业、医学、生物工程、环境及科学研究等领域息息相关[5]。传统pH 的测量方法一般是采用电位计或是pH 试纸。但它们都有一些不足之处：电位计相对来说不是特别的方便携带，pH 试纸虽然携带方便，但在pH 值测量的灵敏度上仍有欠缺，只适用于日常家用或学校实验，无法胜任一些精密测量工作。……