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Messprinzip
pH-selektiver ISFET
1)
Metal Oxide Semiconductor
2
Arbeitsweise und Systemaufbau
Ionenselektive bzw. allgemeiner ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFET) wurden in den 70er Jahren
als Alternative zur Glaselektrode für die pH-Messung entwickelt.
Grundlagen
Ionenselektive Feldeffekttransistoren beruhen auf einer MOS
lische Gate (Pos. 1) als Steuerelektrode fehlt. An seiner Stelle befindet sich beim ISFET (→ å 2) das Medium
(Pos. 4) in direktem Kontakt mit der Gate-Isolatorschicht (Pos. 3).
In P-leitendes Grundmaterial (Pos. 5) des Halbleiters (Si) sind zwei stark N-leitende Gebiete eindiffundiert. Sie
wirken als Strom liefernde ("Source", S) und Strom aufnehmende ("Drain", D) Elektrode. Die metallische
Gate-Elektrode beim MOSFET bzw. das Medium beim ISFET bildet zusammen mit dem darunter befindlichen
Substrat einen Kondensator. Ein Potenzialunterschied (Spannung) zwischen Gate und Substrat (U
eine Erhöhung der Elektronendichte im Bereich zwischen "Source" und "Drain". Es entsteht ein leitfähiger
Kanal (Pos. 2), so dass bei Anlegen einer Spannung U
U
GS
Si (n)
2
S
Si (p)
U
Abb. 1:
Prinzip MOSFET
1
Metallisches Gate
2
Leitfähiger Kanal (N-leitend)
Beim ISFET erzeugen im Medium vorhandene Ionen, die sich in der Grenzschicht Medium / Gate-Isolator
befinden, das elektrische Feld (Gatepotenzial). Der beschriebene Effekt führt im Silizium-Halbleitersubstrat
zwischen "Source" und "Drain" zur Entstehung eines leitfähigen Kanals und bewirkt den Stromfluss zwischen
"Source" und "Drain".
Geeignete Sensorschaltungen nutzen die Abhängigkeit des ionenselektiven Gatepotenzials, um ein der Kon-
zentration der Ionenart proportionales Ausgangssignal zu erzeugen
Der Gate-Isolator dient als ionenselektive Schicht für H
undurchlässig (Isolatorwirkung), lässt aber reversible (umkehrbare) Oberflächenreaktionen mit H
Je nach saurem oder basischem Charakter des Mediums nehmen funktionelle Gruppen in der Isolatoroberflä-
+
che H
-Ionen auf oder geben diese ab (amphoterer Charakter der funktionellen Gruppen). Dies führt zu einer
+
positiven (H
- Aufnahme im sauren Medium) oder negativen (H
der Oberfläche des Isolators. Damit kann in Abhängigkeit vom pH-Wert eine definierte Oberflächenladung zur
Steuerung des Feldeffekts im Kanal zwischen "Source" und "Drain" genutzt werden. Die Vorgänge, die zum
Aufbau eines Ladungspotenzials und damit zu einer Steuerspannung U
werden durch die Nernst-Gleichung beschrieben:
ein Strom I
D
1
6
Si (n)
D
I
D
5
D
a0003855
Abb. 2:
1
2
3
4
5
6
+
- Ionen. Der Gate-Isolator ist zwar auch für diese Ionen
Tophit CPS471/CPS471D
-Transistoranordnung (→ å 1), der das metal-
1)
fließt.
D
1
U
GS
Si (n)
2
S
Si (p)
U
D
Prinzip ISFET
Referenzelektrode
leitfähiger Kanal (N-leitend)
Gate-Isolatorschicht
Medium
P-dotiertes Siliziumsubstrat
Sensorschaft
+
- Abgabe im basischen Medium) Aufladung
zwischen "Gate" und "Source" führen,
gs
) bewirkt
GS
4
3
Si (n)
D
I
D
a0003856
+
- Ionen zu.
Endress+Hauser
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