Н.В. Масальский1

1 ФГАУ «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва, Россия)
1 volkov@niisi.ras.ru

Постановка проблемы. Прогресс методов высокочувствительного рН-зондирования с чувствительностью выше предела Нернста в широком диапазоне рН базируется, в том числе, и на применении новых конструкций чувствительных элементов, в данном случае – кремниевого совмещенного ионно-чувствительного полевого транзистора с цилиндрической геометрией и с эллиптическим сечением канала транзистора. Фактически в известной конструкции рН-сенсора на комплементарных ионно-чувствительных транзисторах эту пару заменили одним совмещенным ионно-чувствительным транзистором. При этом основная функция – формирование преобразователя «pH-напряжение», которая обеспечивает эффективную обработку сигналов с хорошей помехоустойчивостью и наилучшую компактность для широкого внедрения, – сохраняется в полном объеме. Выбор конструкции обусловлен агрессивным скейлингом сенсорных элементов и низкой потребляемой мощностью.

Цель. Разработать модель совмещенного ионно-чувствительного полевого транзистора с учетом фликкер-шума, производимого полевым транзистором в среде системы приборно-технологического моделирования TCAD Sentaurus, с использованием Sentaurus Devicee.2010.12.

Результаты. Для исследований взят прототип с размерами чувствительной области: длина – 2248 нм, большая ось эллипса – 72,4 нм, а меньшая – 18,5 нм, толщина чувствительной мембраны – 8 нм, который имеет одинаковую наибольшую чувствительность 86,4/рН в диапазоне 9 отсчетов от 3 до 12 рН, при напряжении питания 1,0 В и варьировании напряжения на референсном электроде от 0 до 1,0 В. Уменьшить разрешающую способность устройства может фликкер-шум. В результате моделирования показано, что учет данного механизма повышает нижний порог обнаружения примерно в два раза относительно идеального случая. Исследовано влияние геометрии чувствительной области на уровень шума. Подтверждено, что изменение длины чувствительной области на 1% приводит к пропорциональному изменению уровня шума на 0,25 %, а изменение толщины чувствительной мембраны на 1% – к пропорциональному изменению уровня шума примерно на 1%.

Практическая значимость Компактность, низкое напряжение питания и совместимость с КМОП-технологиями предложенного сенсора расширяет возможности дальнейшей микроминиатюризации и интеллектуализации интегральных химико-аналитических микросистем.

Масальский Н.В. Метод высокочувствительного рН-зондирования на основе кремниевого совмещенного ионно-чувст­вительного нанотранзистора // Биомедицинская радиоэлектроника. 2026. T. 29. № 4. С. 99−110. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j156 04136-202604-09

1. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Interconnect, 2020 Edition. [Online] Available: https://irds.ieee.org/editions/2020, access data 15.09.2023.
2. Radamson H.H., Zhu H., Wu Z., He X., Lin H., Liu J., Xiang J., Kong Z., Xiong W., Li J., Cui H., Gao J., Yang H., Du Y., Xu B., Li B., Zhao X., Yu J., Dong Y., Wa G. State of the art and future perspectives in advanced CMOS technology // Nanomaterials. 2020. V. 10(8). Р.1555–1641.
3. Masalsky N. Simulation of the nanoscale joint surrounding gate SOI MOSFET characteristics // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. 2020. V. 9. № 12. Р. 150–153.
4. TCAD Sentaurus Device [Online]. Available: https://www.synopsys.com/silicon/tcad/device-simulation/sentaurus-device.hlmt, access data 25.03.2024.
5. Масальский Н.В. Эффективный метод рН-метрии на основе комплементарной схемы ионно-чувствительных нанотранзисторов // Биомедицинская радиоэлектроника. 2025. № 3. C. 60−69. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202503-07.
6. Chan W. P., Premanode B., Toumazou C. An integrated ISFETs instrumentation system in standard CMOS technology // IEEE Solid-State Circuits. 2010. V. 45. P. 1923–1934.
7. Do A., Je M., Yeo K. An improved inverter based readout scheme for low power ISFET sensing array // Electronics Letters. 2013. V. 49. P. 1517–1518.
8. Bergveld Р. Development of an ion-sensitive solid-state device for neurophysiological measurements // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1970. V. 17. № 1. P. 70–71.
9. Siu W. M., Cobbold R. S. C. Basic properties of the electrolyte–SiO2–Si system: Physical and theoretical aspects // IEEE Trans. Electron Devices. 1979. V. 26. № 11. P. 1805–1815.
10. Grattarola M., Massobrio G., Martinoia S. Modeling H+-sensitive FETs with SPICE. IEEE Trans // Electron Devices. 1992. V. 39. № 4. P. 813–819.
11. Dak P., Nair P., Go J., Alam M. A. Extended-gate biosensors achieve fluid stability with no loss in charge sensitivity // Proc. 71st Device Res. Conf. 2013. P. 105–106.
12. Parizi K. B., Yeh A. J., Poon A. S. Y., Wong H. S. P. Exceeding Nernst limit (59 mV/pH): CMOS-based pH sensor for autonomous applications // Int. Electron Device Meeting Tech. Dig. Dec. 2012. P. 24.7.1–24.7.4.
13. Chin Y.-L., Chou J.-C., Sun T.-P., Chung W.-Y., Hsiung S.-K. A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using CMOS standard process // Sens. Actuators B. Chem. 2001. V. 76. № 1–3. P. 582–593.
14. Jakobson C. G., Dinnar U., Feinsod M., Nemirovsky Y. Ion-sensitive field-effect transistors in standard CMOS fabricated by post processing // IEEE Sensors J. 2002. V. 2. № 4. P. 279–287.
15. Pittino F., Palestri P., Scarbolo P., Esseni D., Selmi L. Models for the use of commercial TCAD in the analysis of silicon-based integrated biosensors // Solid-State Electron. 2014. V. 98. P. 63–69.
16. Pittino F., Selmi L. Use and comparative assessment of the CVFEM method for Poisson–Boltzmann and Poisson-Nerns-Planck three dimensional simulations of impedimetric nano-biosensors operated in the DC and AC small signal regimes // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2014. V. 278. P. 902–923.
17. Fung C.D., Cheung P.W., Ko W.H. A generalized theory of an electrolyte-insulator-semiconductor field-effect transistor // IEEE Trans. Electron Devices. 1986. V. 33. № 1. P. 8–18.
18. Bergveld Р. ISFET, theory and practice // Proc. IEEE Sensor Conf., Oct. 2003. P. 1–26.
19. Yang Х., Frensley W. R., Zhou D., Hu W. Performance analysis of Si nanowire biosensor by numerical modeling for charge sensing. IEEE Trans // Nanotechnol. 2012. V. 11. № 3. P. 501–512.
20. van Hal R. E. G., Eijkel J. C. T., Bergveld Р. A general model to describe the electrostatic potential at electrolyte oxide interfaces // Adv. Colloid Interf. Sci. 1996. V. 69. № 1–3. P. 31–62.
21. Tarasov А., Wipf M., Stoop R. L., Bedner K., Fu W., Guzenko V., Knopfmacher O., Calame M, Schönenberger C. Understanding the electrolyte background for bio-chemical sensing with ion-sensitive field-effect transistors // ACS Nano. 2012. V. 6. № 10. P. 9291–9298.
22. Chung I.-Y., Jang H., Lee J., Moon H., Seo S.M., Kim D.H. Simulation study on discrete charge effects of SiNW biosensors according to bound target position using a 3D TCAD simulator // Nanotechnology. 2012. V.23. № 6. P. 065202.
23. Zhuge J., Wang R., Huang R., Tian Y., Zhang L., Kim D.-W., Park D., Wang Y. Investigation of low-frequency noise in silicon nanowire MOSFETs // IEEE Electron Device Lett. 2009. V. 30. P. 57–60.
24. Das M.P., Bhuyan M. Modeling of pH dependent electrochemical noise in ion sensitive field effect transistors ISFET // Sensors & Transducers. 2013. V. 149. P. 102–108.
25. Simoen E., Claeys C. On the flicker noise in submicron silicon MOSFETs // Solid State Electron. 1999. V. 43. P. 865–882.
26. Ioannidis E.G., Dimitriadis C.A., Haendler S., Bianchi R.A., Jomaah J., Ghibaudo G. Improved analysis and modeling of low-frequency noise in nanoscale MOSFETs. Solid-State Electronics. 2012. V. 76. P. 54–59.
27. Chermiti J., Azzouzi S., Ali M., Trabelsi M., Errachid A. Modeling and analysis of low frequency noise in ion-field-effect transistors sensors // Modeling and Numerical Simulation of Material Science. 2014. V. 4. P. 119–127.
28. Rajan N.K., Routenberg D.A., Reed M.A. Optimal signal-to-noise ratio for silicon nanowire biochemical sensors // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. P. 264107-1–264107-3.
29. Colinge J.P. FinFETs and Other Multi-Gate Transistors. Springer: New York. NY. USA. 2008.