Simulatie en prestatieanalyse van diëlektrisch gemoduleerde dual source Trench Gate TFET-biosensor

Abstract

In dit artikel wordt een diëlektrisch gemoduleerde dubbele source trench gate tunnel FET (DM-DSTGTFET) op basis van biosensor voorgesteld voor de detectie van biomoleculen. DM-DSTGTFET keurt dubbele bron en greppelpoort goed om de stroom in de staat te verbeteren en bidirectionele stroom te genereren. In de voorgestelde structuur worden twee holtes geëtst over 1 nm gate-oxide voor het vullen van biomoleculen. Een 2D-simulatie in het Technology Computer-Aided Design (TCAD) wordt gebruikt voor de analyse van gevoeligheidsstudies. De resultaten laten zien dat bij een lage voedingsspanning de stroomgevoeligheid van de DM-DSTGTFET zo hoog is als 1,38 × 10⁵ , en de drempelspanningsgevoeligheid kan 1,2 V bereiken. Daarom heeft de DM-DSTGTFET-biosensor goede toepassingsvooruitzichten vanwege het lage stroomverbruik en de hoge gevoeligheid.

Inleiding

In het recente verleden is veel onderzoeksinteresse gericht geweest op op silicium gebaseerde veldeffecttransistor (FET) biosensoren vanwege de veelbelovende eigenschappen van hoge gevoeligheid, minimale vertraging, geschaalde afmetingen en lage kosten [1,2,3,4,5, 6]. Op FET gebaseerde biosensoren hebben de beperking van thermische elektronenemissie en hebben een helling onder de drempel (SS) die meer dan 60 mV/decennium kan zijn. Dankzij het band-naar-band-tunneling (BTBT) geleidingsmechanisme overwint de TFET de beperking en verlaagt het het korte kanaaleffect [7,8,9,10]. Daarom is een op TFET gebaseerde biosensor naar voren gekomen als een geschikte kandidaat voor een betere gevoeligheid en responstijd dan op FET gebaseerde biosensor [11,12,13,14].

De meest gebruikelijke methode in TFET's die wordt toegepast voor molecuuldetectie is gebaseerd op diëlektrische modulatie. Een deel van het diëlektrische materiaal van de poort wordt geëtst om een holte te vormen; wanneer biomoleculen in de holte worden gevuld, verandert de diëlektrische constante van de holte en een verandering wordt weerspiegeld in de afvoerstroom- en overdrachtskarakteristieken [15,16,17]. Tegelijkertijd helpt diëlektrische modulatie bij het detecteren van zowel geladen als neutrale moleculen. Momenteel is het concept van diëlektrische modulatie onlangs gebruikt in TFET, en de op diëlektrisch gemoduleerde TFET (DMTFET) gebaseerde biosensor heeft de zeer gewaardeerde onderzoekers aangetrokken. Een p-n-p-n TFET die werkt als een biosensor voor labelvrije detectie van biomoleculen wordt bestudeerd met apparaatsimulatie. De resultaten laten zien dat een op TFET gebaseerde biosensor een lage stroom buiten de toestand heeft in afwezigheid van biomoleculen en een hoge gevoeligheid voor zowel de diëlektrische constante als de lading [18]. Er is waargenomen in [19] dat de aanwezigheid van biomoleculen in de holte nabij de tunnelovergang kan leiden tot effectieve koppeling, wat leidt tot een hoge gevoeligheid, en maakt de DM-TFET ook bestand tegen gevoeligheidsvermindering op een lagere dimensie. Op TFET gebaseerde biosensoren met verschillende structuren worden bestudeerd. Vergeleken met de traditionele DGTFET kan het opnemen van de short gate (SG)-architectuur in de DMTFET-structuur de gevoeligheid aanzienlijk verbeteren en de kosten verlagen [20]. Op ladingsplasma gebaseerde gate underlap diëlektrisch gemoduleerde junctionless tunnel-veldeffecttransistor (CPB DM-JLTFET) kan de maximale gevoeligheid (neutrale en geladen biomoleculen) verkrijgen door de juiste lengte en dikte van de holte nabij de tunnelovergang onder de juiste bias te selecteren [21]. Om de gevoeligheid van de biosensor te verbeteren, wordt een zwaar gedoteerde front gate n + pocket en gate-to-source overlap geïntroduceerd in een verticale diëlektrisch gemoduleerde tunnel-veldeffecttransistor (V-DMTFET) [22]. Cirkelvormige poort Heterojunctie-tunnelveldeffecttransistor vertoont een hogere gevoeligheid dan HJ TFET met uniforme poort vanwege de niet-uniforme poortarchitectuur [23]. Tweekanaals sleufpoort-TFET vertoont een hoge stroomgevoeligheid en een exorbitante spanningsgevoeligheid [24]. De TFET-biosensor met dubbele poort en dubbele metalen materialen kan de gevoeligheidsverandering duidelijker maken [25].

De meeste biosensoren zijn echter gebaseerd op de TFET met dubbele poort, waarbij de biomoleculen aan beide uiteinden vanaf de zijkanten van de poorten moeten worden toegevoegd. In de voorgestelde structuur worden de biomoleculen verticaal toegevoegd vanaf de bovenkant van het apparaat, wat een eenvoudigere handeling is. Omdat het overlapgebied van de poort-bron groot is, dat wil zeggen het gebied waar de interactie tussen bron en biomoleculen duidelijk is, is de gevoeligheid van de DM-DSTGTFET-biosensor hoger dan die van andere apparaten, zoals weergegeven in tabel 1. Tabel 1 vat de vergelijking van de verschillende gevoeligheden tussen dit werk en de onderzoeksresultaten in andere referenties.

In dit artikel wordt de gevoeligheid van de DM-DSTGTFET-biosensor bestudeerd en de specifieke inhoud is als volgt. Secties 2 en 3 beschrijven de basisstructuur van het apparaat, het fabricageproces, het simulatiemodel en de methode. Sectie 4 karakteriseert het effect van verschillende factoren op de gevoeligheid van de DM-DSTGTFET-biosensor. Met name de invloeden van verschillende diëlektrische constanten, holtedikte en geladen biomoleculen op overdrachtskarakteristieken, de I _aan /Ik _uit gevoeligheid en △V _de gevoeligheid van het voorgestelde apparaat. In paragraaf 5 worden de onderzoeksresultaten van het uitgevoerde onderzoek afgerond.

Apparaatstructuren

Figuur 1 toont een dwarsdoorsnede van een op DM-DSTGTFET gebaseerde biosensor. De poortelektrode van DM-DSTGTFET heeft een werkfunctie van 4.2. Om de aan-toestandstroom van de TFET te vergroten, wordt een dubbele bronstructuur gebruikt. De twee bronregio's met een dopingconcentratie van 1 × 10²⁰ cm⁻³ worden symmetrisch aan weerszijden van de poort geplaatst. Het p-kanaal met hoogte (H_c ) van 37 nm en een dopingconcentratie van 1 × 10¹⁵ cm⁻³ bevindt zich onder de bron en poort. De n-drain met een dopingconcentratie van 1 × 10¹⁷ cm⁻³ en hoogte (H _d ) van 18 nm bevindt zich onder het kanaal. Twee oxiden op de brongebieden zijn HfO₂ met een dikte van 2 nm. De twee pocketgebieden met dikte (T _p ) 5 nm worden symmetrisch aan weerszijden van de poort geplaatst met een donordopingconcentratie van 1 × 10¹⁹ cm⁻³ . Bovendien, voor de voorgestelde biosensor, T _os (1 nm), T _c (5 nm) is de dikte van de HfO₂ poortoxide en breedte van nanogap-holte, respectievelijk. Om een geschikte verandering in de gevoeligheidsparameter te vergemakkelijken, moet de waarde van de gekozen metaalwerkfunctie van de poort zodanig zijn dat tunneling alleen kan optreden wanneer de biomoleculen zich in de holte ophopen. Daarom metaalbewerkingsfunctie Φ_MS = 4.2 eV (over de HfO₂ poortoxide) wordt gekozen. Nu worden vijf verschillende soorten kleine biomoleculen met verschillende diëlektrische constanten (1, 2.5, 5, 11, 23) en vijf verschillende diktes van nanogapholte (5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm) geanalyseerd voor de voorgestelde biosensor.

Schematische dwarsdoorsnede van DM-DSTGTFET biosensor

De fabricagemethode van de DM-DSTGTFET is vergelijkbaar met de gepubliceerde [24]. Figuur 2 toont de fabricagestappen van de voorgestelde DM-DSTGTFET. In de eerste stap, zoals getoond in figuur 2a, wordt door een masker, belichting, etsen, ionenimplantatie en uitgloeien op een licht gedoteerd siliciumsubstraat een afvoergebied aan de onderkant van het apparaat gevormd. De dopingconcentratie van het gevormde draingebied is 10¹⁷ /cm³ , en het doping-ion is arseen. Vervolgens wordt intrinsiek silicium epitaxiaal bovenop het afvoergebied gegroeid om het kanaalgebied van het apparaat te vormen. Zoals weergegeven in figuur 2b, zijn de twee hoeken boven het kanaal weggeëtst. Tegelijkertijd, N⁺ doping wordt afgezet door middel van chemische dampafzetting (CVD) techniek zoals beschreven in Fig. 2c om de pocketgebieden van DM-DSTGTFET te vormen. In het brongebied wordt een op Si gebaseerd dubbel brongebied gekweekt door chemische dampafzetting (CVD), en maskering, belichting, etsen, ionenimplantatie en uitgloeien worden uitgevoerd voor P-type hoge dotering in het brongebied, met een doping concentratie van 10²⁰ /cm³ , zoals getoond in Fig. 2d. In de volgende stap wordt de sleuf gemaakt in kanaallaag en SiO₂ wordt gestort in de sleuf zoals aangegeven in figuur 2e. Vervolgens wordt een geul gevormd zoals weergegeven in figuur 2f. De metallisatie en patroonvorming worden uitgevoerd om de poortcontacten te verkrijgen zoals weergegeven in figuur 2g. Verder zijn de holtes uitgesneden in SiO₂ aan beide zijden van de poort zoals aangegeven in Fig. 2h. In de laatste stap, 1 nm HfO₂ wordt gekweekt op de zijwand van holtes om de voorgestelde structuur te verkrijgen zoals weergegeven in Fig. 2i.

Fabricagestroom voor DM-DSTGTFET als biosensor

Simulatiemethode en -model

Om de prestaties van DM-DSTGTFET-biosensoren duidelijker te kunnen bestuderen, gebruikt dit artikel de TCAD-tool (sentaurus) om de gevoeligheid van TFET-sensoren te bestuderen. De juiste modellen worden gebruikt voor nauwkeurige simulatie.

Het niet-lokale BTBT-model beschouwt het elektrische veld op elk punt in het tunnelingpad als een variabele, wat betekent dat de BTBT-tunnelingwaarschijnlijkheid afhangt van de bandbuiging bij de tunneling-junctie. Het niet-lokale tunnelmodel is meer in lijn met de feitelijke situatie van TFET-simulatie [29]. Daarom is in dit artikel het niet-lokale BTBT-model overgenomen. Het Kane-model wordt gebruikt voor het dynamische niet-lokale BTBT-tunnelmodel in sentaurus. In het Kane-model wordt de snelheid van BTBT-tunneling uitgedrukt als [30]:

$$G_{{{\text{BTBT}}}} =A\left( {\frac{E}{{E_{0} }}} \right)^{P} \exp \left( { - \frac {B}{{E_{0} }}} \right)$$ (1)

waarbij constante E ₀ = 1 V/cm, P = 2 voor directe band gap tunneling, en P = 2,5 voor fonon-ondersteunde indirecte bandgap tunneling. Aangezien de apparaten in dit artikel voornamelijk van silicium zijn, P kies 2.5. De parameter A = 4 × 10¹⁴ /cm³ s, E is het elektrische veld en de exponentiële factor B = 9.9 × 10⁶ V/cm.

Shockley-Read-Hall (SRH) is gekozen om de recombinatie van dragers op te nemen. Het bandgapverkleiningsmodel wordt gebruikt om het hoge concentratie-effect in de bandgap te activeren. Fermi-Dirac-statistieken worden ingeroepen om de verandering in eigenschappen van een sterk gedoteerde regio op te nemen. Het mobiliteitsmodel in Si-materiaal moet rekening houden met het verstrooiingsmodel van geïoniseerde onzuiverheden (µ _dop ), het interface-verstrooiingsmodel (µ _InterSc ) en het model voor hoge veldverzadiging (µ _F ) [31], en het uiteindelijke effectieve mobiliteitsmodel kan worden uitgedrukt door:

$$\frac{{1}}{\mu } =\frac{{1}}{{\mu_{{{\text{dop}}}} }} + \frac{1}{{\mu_{{ {\text{InterSc}}}} }} + \frac{1}{{\mu_{{\text{F}}} }}$$ (2)

Het Poole-Frenkel mobiliteitsmodel wordt geïntroduceerd in het materiaal dat de holte vult, en de mobiliteit als functie van het elektrische veld wordt gegeven door:

$$\mu =\mu_{{0}} \exp \left( { - \frac{{E_{0} }}{KT}} \right)\exp \left( {\sqrt E \left( {\ frac{\beta }{T} - \gamma } \right)} \right)$$ (3)

waar µ ₀ is de laagveldmobiliteit, β en γ zijn pasparameters, E ₀ is de effectieve activeringsenergie en E is de drijvende kracht (elektrisch veld). K is de Boltzmann-constante, en T is de temperatuur. De standaardwaarde van E ₀ en γ is 0, β = 0.1.

Op basis van het hierboven gekalibreerde fysieke model worden de elektrische kenmerken van de DM-DSTGTFET-biosensor geanalyseerd.

Tijdens simulatie, vier verschillende diëlektrische constanten biomoleculen (k = 2.5, 5, 11, 23), vijf holtedikte (T _c = 5, 7, 9, 11, 13 nm) en verschillende dichtheden van geladen biomoleculen worden beschouwd in simulatie en discussie. Over het algemeen wordt een referentie gebruikt bij het bestuderen van de gevoeligheid van de sensor. De referentie wordt voorgesteld die de reactie van de sensor op de doelstof duidelijk kan maken. Vandaar dat de referentie wordt genomen in het geval dat de holtes zijn gevuld met lucht, of eenvoudigweg, de toestand waarin de biomoleculen niet in de holtes zijn gevuld. Daarom wordt een maatstaf voor de drempelspanningsgevoeligheid, de afvoerstroomgevoeligheid en de hellingsgevoeligheid onder de drempelwaarde van de DM-DSTGTFET gedefinieerd als [22] [28] [32]:

$$\Delta V_{{{\text{th}}}} =V_{{\text{th(air)}}} - V_{{\text{th(bio)}}}$$ (4) $ $S_{{{\text{drain}}}} =\frac{{I_{{\text{ds(bio)}}} - I_{{\text{ds(air)}}} }}{{I_ {{\text{ds(air)}}} }}$$ (5) $$S_{{{\text{SS}}}} =\frac{{SS_{{{\text{air}}}} - SS_{{{\text{bio}}}} }}{{SS_{{{\text{air}}}} }}$$ (6)

waar V _th(air) is de drempelspanning van de biosensor wanneer de holtes gevuld zijn met lucht, en V _de(bio) is de drempelspanning wanneer de holtes zijn gevuld met biomoleculen. Evenzo, ik _ds(air) en SS_air zijn respectievelijk de on-state afvoerstroom en subthreshold swing van de biosensor wanneer de holtes gevuld zijn met lucht, en I _ds(bio) en SS_bio zijn respectievelijk de on-state drainstroom en subthreshold swing, wanneer de holtes worden gevuld met biomoleculen.

Door de analyse van de elektrische kenmerken van de DM-DSTGTFET worden de drempelspanning, de afvoerstroom in de toestand en de subdrempelzwaai geëxtraheerd om de gevoeligheid van de biosensor te analyseren.

Resultaten en discussie

Impact van verschillende biomoleculen in DM-DSTGTFET

Figuur 3 toont de overdrachtskarakteristiek, energiebandvariatie, drempelspanningsgevoeligheid en stroomgevoeligheid van DM-DSTGTFET in de aan-toestand wanneer verschillende diëlektrische constante van biomoleculen de holte vullen. Door een metaalbewerkingsfunctie met een lagere poort te kiezen (Φ_MS = 4.2), kan de gevoeligheid van de afvoerstroom worden bestudeerd door de verschillende k aan te passen.

een Overdrachtskenmerken, b variatie in energiebanden ten opzichte van de y-as, c Ik _aan /Ik _uit gevoeligheid en d drempelspanningsgevoeligheid van DM-DSTGTFET-biosensor voor verschillende waarden van k bij V_d = 0,5 V en T _c = 5 nm

Zoals te zien is in figuur 3a, neemt de aan-toestandstroom ook toe naarmate de k van het poortdiëlektricum toeneemt, hoe sterker het poortbesturingsvermogen. Figuur 3b beschrijft het energiebanddiagram bij de verschillende k van biomoleculen. Wanneer k =-1, dit betekent dat er geen biomoleculen in de holte zijn gevuld. In dit geval wordt de draaiing in de energieband geminimaliseerd. Bovendien, wanneer het diëlektricum van de biomoleculen constant in de holte begint toe te nemen, buigt de energieband meer en meer. Het betekent dat er meer energiebanduitlijning plaatsvindt bij hogere k , en dus neemt de barrièrebreedte over de kruising af. Figuur 3c toont het effect van diëlektrische constante van biomoleculen op I _aan en ik _aan /Ik _uit gevoeligheid van DM-DSTGTFET. Met de toename van k , de ik _aan en ik _aan /Ik _uit Ook de gevoeligheid verbetert. Dit komt door een feit dat met toename in k, hoe ernstiger de buiging van de energieband, de barrièrebreedte bij de bron-kanaalovergang kleiner wordt en dus de tunnelmogelijkheid toeneemt. Naarmate de waarschijnlijkheid van tunneling toeneemt, neemt de generatie van elektronen BTBT-tunneling toe, wat duidelijk te zien is in figuur 4. Het voorgestelde apparaat biedt de hoogste I _aan /Ik _uit gevoeligheid van 1,1 × 10¹⁰ bij k = 23, wat duidelijk hoger is dan de gepubliceerde op TFET gebaseerde biosensoren. Figuur 3d geeft de variatie in V _de en △V _de gevoeligheid van DM-DSTGTFET met betrekking tot de k van biomoleculen. Uiteraard, zoals de k toeneemt, hoe sneller de I _aan van het voorgestelde apparaat toeneemt, hoe lager de drempelspanning. Ondertussen is de △V _de toont een stijgende trend met stijging van k . De reden is dat het verschil tussen de V _de wanneer verschillende biomoleculen zijn gevuld en de V _de wanneer er geen biomolecuul is gevuld, wordt groter. Over het algemeen is de V _de wanneer gevuld met lucht groter is dan andere k-waarden. De voorgestelde DM-DSTGTFET voert een maximale △V . uit _de gevoeligheid van 1,2 V bij k = 23. Daarom biedt de DM-DSTGTFET een hoge stroomgevoeligheid en gevoeligheid voor drempelspanning voor biomoleculen.

Elektronen BTBT-generatie in DM-DSTGTFET-biosensor voor verschillende biomoleculen wanneer Vd = 0.5 V, T _c = 5 nm en Vg = 1,5 V

Figuur 5a toont SS- en SS-gevoeligheid van DM-DSTGTFET wanneer de holtes zijn gevuld met verschillende biomoleculen. Hier is te zien dat de toename van de diëlektrische constante resulteert in een afname van SS en verbetering van S_SS . Hoe kleiner de SS, hoe kleiner het stroomverbruik van de TFET en hoe beter de prestaties van de TFET. Daarom, als de waarde van k toeneemt, neemt SS af, S_SS neemt toe en het vermogen van de poortcontrole neemt toe.

een Helling onder de drempel, gevoeligheid van de helling onder de drempel en b drain huidige gevoeligheid met verschillende biomoleculen wanneer V_d = 0,5 V, T _c = 5 nm en V_g = 1,5 V

De afvoerstroomgevoeligheid varieert als een functie van k voor de voorgestelde DM-DSTGTFET in figuur 5b. De gevoeligheid neemt toe met toename in k. Dit komt door het feit dat een toename in k resulteert in een versterking van het elektrische veld bij de tunnelovergang, wat leidt tot een afname van de tunnelbreedte en dus een toename van S _afvoer.

Impact van verschillende caviteitsdiktes in DM-DSTGTFET

Want wanneer k = 23, de S _afvoer , V _de gevoeligheid en S_SS van de DM-DSTGTFET-biosensor zijn de grootste (de conclusie uit de vorige paragraaf). Om de invloed van de holtedikte op de gevoeligheid van de voorgestelde biosensor duidelijker te kunnen bestuderen, wordt deze sectie daarom uitgevoerd onder de conditie van k = 23.

Figuur 6 beschrijft de overdrachtskarakteristieken van de DM-DSTGTFET-biosensor bij verschillende caviteitdiktes (T _c ). Als T _c toeneemt, wordt de aan-toestandstroom kleiner. Het effect van verschillende T _c op ik _aan en ik _aan /Ik _uit gevoeligheid van DM-DSTGTFET is uitgezet in figuur 7a. Wanneer T _c wordt verhoogd, wordt de capaciteit tussen poort en kanaal verminderd, wat leidt tot een grotere tunnelbreedte bij de bron-kanaalovergang, wat resulteert in een lagere afvoerstroom. Voor k = 23, de ik _aan en ik _aan /Ik _uit gevoeligheid neemt af met toename van T _c vanwege verbetering in capacitieve koppeling tussen poort en kanaal voor hogere T _c . Aan de andere kant vertoont het voorgestelde apparaat een toenemende trend in V _de en dus in △V _de gevoeligheid met toename van T _c zoals geïllustreerd in Fig. 7b. Dit komt omdat de toename van T _c vermindert de I _aan en verhoogt dus de V _de . Met andere woorden, de controle van de poort over het kanaal neemt af voor een bredere holte, wat leidt tot een hogere V _de . Daarom werkt de DM-DSTGTFET als een betere spanningsbiosensor voor een smallere holte.

Overdrachtskarakteristieken van DM-DSTGTFET biosensor voor verschillende waarden van caviteitdikte (T _c ) bij V_d = 0,5 V, V_g = 1,5 V en k = 23

een Effect van verschillende waarden van caviteitdikte (T _c ) op ik _aan , ik _aan /Ik _uit gevoeligheid, b V _de en △V _de van DM-DSTGTFET bij V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V en k = 23

Impact van geladen biomoleculen op DM-DSTGTFET

Om de invloed van de verschillende ladingen van biomoleculen op de gevoeligheid van de voorgestelde sensor te onderzoeken, werden eerst het dynamisch bereik en de detectielimiet bestudeerd. In dit artikel kan de DM-DSTGTFET het detectiemateriaal detecteren met een ladingsdichtheid variërend van 10¹⁰ cm⁻² tot 10¹³ cm⁻² , een groter detectiebereik in vergelijking met andere sensoren [32]. Daarom wordt in de volgende simulatie de ladingsdichtheid binnen het dynamische limietbereik gebruikt voor gevoeligheidsonderzoek.

Figuur 8 toont het effect van het vullen van de holte met biomoleculen met verschillende positieve ladingen en negatieve ladingen op de overdrachtskenmerken van de DM-DSTGTFET onder verschillende k . Zoals te zien is, bij k = 2,5, onder positief en negatief geladen biomoleculen heeft de overdrachtscurve een groter veranderingsbereik. Daarom concentreert de volgende discussie zich op het effect van verschillende positieve ladingen en negatieve ladingen op de gevoeligheid van de DM-DSTGTFET-biosensor wanneer k = 2.5.

Overdrachtskenmerken van DM-DSTGTFET-biosensor voor diëlektrische constante van biomoleculen, a verschillende positieve lading en b verschillende negatieve lading van biomoleculen bij V_d = 0,5 V, V_g = 1,5 V en T _c = 5 nm

Figuur 9a beschrijft de variatie van Ion en I _aan /Ik _uit gevoeligheid van DM-DSTGTFET als functie van positieve ladingen. De toenemende positieve lading van biomoleculen leidt tot verbetering van Ion en I _aan /Ik _uit gevoeligheid van het voorgestelde apparaat. De positieve lading in de holte verhoogt het effectieve gate-oxide-diëlektricum, wat resulteert in een verbetering van het vermogen van de gate-controle. Deze toename in poortbesturingsvermogen veroorzaakt een afname van de tunnelbreedte van de bronkanaalovergang, wat leidt tot verbetering in I _aan en ik _aan /Ik _uit gevoeligheid. Figuur 9b toont het effect van positieve lading van biomoleculen op V _de en △V _de gevoeligheid van de DM-DSTGTFET. Opgemerkt wordt dat de V _de vermindert en △V _de gevoeligheid verbetert met een toename van de positieve lading. Dit komt door het feit dat de positieve lading op het molecuul de I . verhoogt _aan en verlaagt V _de . De afname van V _de verbetert het verschil tussen de drempelspanning van biomolecuul met betrekking tot lucht, wat leidt tot verbetering in △V _de .

een Effect van verschillende positieve lading van biomoleculen opI _aan , ik _aan / ik _uit gevoeligheid, b V _de en △V _de van DM-DSTGTFET bij V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V, k = 2.5 en T _c = 5 nm

Afbeelding 10a toont de variatie van I _aan en ik _aan /Ik _uit gevoeligheid van DM-DSTGTFET als functie van positieve ladingen voor k = 2.5. De toenemende negatieve lading van biomoleculen leidt tot afname van Ion en I _aan / ik _uit gevoeligheid van het voorgestelde apparaat. De negatieve lading in de holte vermindert het effectieve gate-oxide-diëlektricum, wat resulteert in een verbetering van het vermogen van de gate-controle. Deze afname van het vermogen van de poortbesturing veroorzaakt een toename van de tunnelbreedte van de bronkanaalovergang, wat leidt tot een afname van Ion en I _aan /Ik _uit gevoeligheid.

een Effect van verschillende negatieve lading van biomoleculen op I _aan , ik _aan / ik _uit gevoeligheid, b V _de en △V _de van DM-DSTGTFET bij V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V, k = 2.5 en T _c = 5 nm

Figuur 10b toont het effect van negatieve lading van biomoleculen op V _de en △V _de gevoeligheid van de DM-DSTGTFET. Uit de figuur blijkt dat voor k = 2.5, de V _de verbetert en △V _de gevoeligheid neemt af met toenemende negatieve lading. Dit komt door het feit dat de negatieve lading op het molecuul de I . verlaagt _aan en verhoog V _de . De toename van V _de verbetert het verschil tussen de drempelspanning van biomolecuul met betrekking tot lucht, wat leidt tot een afname van △V _de .

Conclusies

Concluderend heeft DM-DSTGTFET een hoge gevoeligheid voor detectie van biomoleculen in biosensortoepassingen. Het detectievermogen van de DM-DSTGTFET-structuur wordt echter geëvalueerd door de effecten te onderzoeken die worden geïntroduceerd door relatieve permittiviteit, holtedikte, geladen biomoleculen, I _aan /Ik _uit gevoeligheid, SS en S_SS . De resultaten laten zien dat hoe groter de diëlektrische constante, hoe kleiner de dikte van de holte, hoe positiever geladen en hoe groter de gevoeligheid van het voorgestelde apparaat. Simulatieresultaten tonen aan dat de voorgestelde structuur kan worden toegepast voor ultragevoelige biosensorapparaten met een laag verbruik.

Afkortingen

DM-DSTGTFETS:: Diëlektrisch gemoduleerde dual source trench gate tunnel veldeffecttransistoren
TCAD:: Technologie computerondersteund ontwerp
BTBT:: Band-naar-band-tunneling
DGTFET:: Dual gate tunnel-veldeffecttransistoren
SS:: Helling onder de drempel

Hoogwaardige tribo-elektrische apparaten via diëlektrische polarisatie:een overzicht Analytisch model voor de maximale kanaaltemperatuur in Ga2O3-MOSFET's

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal