CN105612421A - 用于运行化学敏感的场效应晶体管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行化学敏感的场效应晶体管（1）的方法，其特征在于，所述场效应晶体管（1）利用电脉冲来运行，所述电脉冲彼此间的时间间隔（TA）被选择成大于每个单个电脉冲的持续时间（TP）。

Description

用于运行化学敏感的场效应晶体管的方法
背景技术
已知的是：使用例如由氮化镓或碳化硅构成的半导体元件来探测包含在液体中的化学物质。相应的半导体元件能够被构造为化学敏感的场效应晶体管。
关于这种化学敏感的半导体元件的迄今的发展尤其聚焦于其用于探测专门的化学物质的最佳设计方案上。就这种探测而言，典型地观测到偏置漂移（所谓的“基线漂移”）。这种偏置漂移由于具有不同时间常数的不同原因而造成。尤其是接口状态的产生、充电和放电，来自附着处的自由带电粒子的再分配，来自附着处的自由带电粒子的间距，空穴的产生，在电介质中的能移动电荷的存在性以及在半导体中对弱电载荷来说相对地小的改变都属于所述的不同原因。总的来说偏置漂移导致，仅仅通过对探测信号的改变进行观察就能够检测到自发出现的、由气体决定的探测信号，但不可以定量测量。在化学敏感的场效应晶体管的原理的基础上，不存在纯粹测量的气体传感器。
发明内容
本发明的主题是一种用于运行化学敏感的场效应晶体管的方法，其特征在于，所述场效应晶体管利用电脉冲来运行，所述电脉冲彼此间的时间间隔被选择成大于每个单个电脉冲的持续时间。
在化学敏感的场效应晶体管中存在的能动的离子的运动—所述运动例如可能由离子漂移和/或由扩散而引起—尤其以偏置漂移的形式对探测信号Ids产生作用。因此在场效应晶体管运行期间能动的离子不应当改变其在该场效应晶体管内的位置。此外，场效应晶体管的退化（Degradation）会引起偏置漂移，同样要考虑防止这一点。
利用根据本发明的方法能够尽量避免了化学敏感的场效应晶体管之内的能动的离子的运动，因为用于测量的、时间上较短的电脉冲仅仅形成十分小的干扰，并且因此仅仅以下述方式微不足道地影响在化学敏感的场效应晶体管内存在的电荷分布：在位于电脉冲之间的停止时间—在该停止时间内不进行测量—期间，能运动的离子的相应的分布能够热放松。特别地，在通常给出的、在约100℃至700℃范围内的运行温度情况下，在根据本发明的时间上较短的干扰之后，迅速再次调整存在于化学敏感的场效应晶体管内的能运动的离子的平衡分布。此外，可以借助于根据本发明的时间上较短的电脉冲或与之相关联的短时间的干扰来实现：较难运动的离子首先根本不运动，即其相应的位置在测量中基本不变化。
电脉冲的时间长度和强度及其彼此间的时间间隔可以如此选择，使得在按照根据本发明的方法来运行的化学敏感的场效应晶体管上不出现退化。所以，利用根据本发明的方法尽量避免了偏置漂移，从而利用根据本发明而运行的化学敏感的场效应晶体管使得在化学敏感的场效应晶体管的总寿命中对包含在液体中的至少一种化学物质的定量测量或探测成为可能。此外，按照根据本发明的方法而运行的化学敏感的场效应晶体管由于其十分小的干扰通过测量可以在不同的工作点中运行。
电脉冲的时间长度和强度及其彼此间的时间间隔优选以下述方式来选择：相应的信噪比是足够的并且由气体引起的测量信号是最大的。根据电脉冲的持续时间可以将时间窗口用于信号评估。
能够使用化学敏感的场效应晶体管来探测液体中的至少一种化学物质，该液体具有在100℃至700℃范围内的温度，优选300℃至500℃范围内的温度。也通过化学敏感的场效应晶体管的、与之相关联的热施加使得场效应晶体管加热。这种对化学敏感的场效应晶体管的加热促进了包含在该场效应晶体管内的能动的离子的可运动性，这与上面提到的不利结果、尤其偏置漂移相关联。因此电脉冲的时间长度和强度及其彼此间的时间间隔优选以下述方式来选择：在相应地使用化学敏感的场效应晶体管期间所具有的温度情况下不出现能动的离子的运动并且不出现退化。
为了使得测量结果可信，按照根据本发明的方法而运行的化学敏感的场效应晶体管能够与按照另一种方法而运行的化学敏感的场效应晶体管一起被布置在同一芯片上。
根据一种有利的设计方案，所述电脉冲之间的时间间隔被选择成比每个单个电脉冲的持续时间大至少一百倍，优选大至少一千倍。鉴于能实现的测量结果的质量以及相应地运行的、化学敏感的场效应晶体管的最优的可适用性，该设计方案已被证实为特别有效。
根据另一种有利的设计方案，电脉冲具有相同的电平。替代地，电脉冲的电平可以根据使用情况而变化。
有利地，在时间上直接连续的电脉冲彼此具有相同的时间间隔。替代地，电脉冲之间的时间间隔可以根据使用情况而变化。
进一步被视为有利的是：从约100mV至约10V的范围内选择每个电脉冲的电平。该范围已被证实为特别适合于执行所述方法。
根据另一种有利的设计方案，将电脉冲同时施加在所述场效应晶体管的栅极接头和漏极接头上。这一点对于所述方法的执行是特别有意义的。施加在栅极接头上的电脉冲可以具有与施加在漏极接头上的电脉冲不同的电平。
此外，本发明的主题是一种用于探测至少一种包含在气体中的物质的系统，所述系统具有至少一个化学敏感的场效应晶体管和在通信技术方面与所述场效应晶体管连接的电子评估装置，其特征在于，所述电子评估装置被设置用于执行按照前述权利要求中任一项所述的方法。
上面参照方法所提到的优点与该系统相应地联系。
附图说明
以下参照附上的附图根据优选的实施例示范性地解释本发明，其中下面描述的特征不仅能够以单独考虑的方式来展示本发明的方面而且能够以不同的相互组合的方式来展示本发明的方面。其中：
图1示出了按照根据本发明的方法来运行的化学敏感的场效应晶体管在其平衡状态中的实施例的示意图；且
图2示出了对化学敏感的场效应晶体管进行根据本发明的操控的示意图。
具体实施方式
图1示出了按照根据本发明的方法来运行的化学敏感的场效应晶体管1在其平衡状态中的实施例的示意图。常规结构形式的场效应晶体管1具有栅极接头2、源极接头3和漏极接头4。在源极接头3和漏极接头4之间以及在源极接头3和栅极接头2之间不施加电压。在化学敏感的场效应晶体管1的栅极堆叠结构5中存在的能运动的离子6均匀地分布在栅极堆叠结构5中。通过能运动的离子6的这种平衡分布的、根据本发明的最小的干扰，能运动的离子6几乎在化学敏感的场效应晶体管1的整个寿命期间都保持在该平衡分布中。
电子评估装置7在通信技术方面与化学敏感的场效应晶体管1连接。所述化学敏感的场效应晶体管1和所述电子评估装置7形成用于探测至少一种化学物质的系统8。
所述电子评估装置7被设置用于利用电脉冲来运行化学敏感的场效应晶体管1，所述电脉冲彼此间的时间间隔TA被选择成大于每个单个电脉冲的持续时间TP，如其示例性且示范性地在图2中示出的那样。在此，所述电脉冲之间的时间间隔TA被选择成比每个单个电脉冲的持续时间TP大至少一百倍，优选大至少一千倍。所述电子评估装置8被设置用于将电脉冲同时施加在所述场效应晶体管1的栅极接头2和漏极接头4上，其中从约100mV至约10V的范围内选择每个电脉冲的电平。
图2示出了借助用于根据本发明的方法的实施例对场效应晶体管1进行操控的示意图。同时在栅极接头2和漏极接头4上施加电脉冲，其中在栅极接头2上施加的电脉冲与在漏极接头4上施加的电脉冲具有彼此相同的电平，并且其中，持续时间TP和电脉冲之间的时间间隔TA选择为相同的。

Claims (7)

1.用于运行化学敏感的场效应晶体管（1）的方法，其特征在于，所述场效应晶体管（1）利用电脉冲来运行，所述电脉冲彼此间的时间间隔（TA）被选择成大于每个单个电脉冲的持续时间（TP）。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电脉冲之间的时间间隔（TA）被选择成比每个单个电脉冲的持续时间（TP）大至少一百倍，优选大至少一千倍。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电脉冲具有相同的电平。
4.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在时间上直接连续的电脉冲彼此具有相同的时间间隔（TA）。
5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从大于或等于100mV至小于或等于10V的范围内选择每个电脉冲的电平。
6.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将电脉冲同时施加在所述场效应晶体管（1）的栅极接头（2）和漏极接头（4）上。
7.用于探测至少一种包含在气体中的物质的系统（8），所述系统具有至少一个化学敏感的场效应晶体管（1）和在通信技术方面与所述场效应晶体管（1）连接的电子评估装置（7），其特征在于，所述电子评估装置（7）被设置用于执行按照前述权利要求中任一项所述的方法。
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