DE112014002575T5

DE112014002575T5 - Feldeffektortransistor und mehrere Feldeffekttransistoren umfassender Gasdetektor

Info

Publication number: DE112014002575T5
Application number: DE112014002575.5T
Authority: DE
Inventors: Bonex Wakufwa Mwakikunga
Original assignee: Council for Scientific and Industrial Research CSIR
Current assignee: Council for Scientific and Industrial Research CSIR
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2016-03-10
Also published as: FI20155966A1; TWI653447B; ZA201508707B; JP2016527476A; US20160116434A1; CN105474006A; JP6473444B2; KR102234452B1; US9683957B2; CN105474006B; FI130841B1; KR20160040473A; TW201504623A; WO2014191892A1

Abstract

Ein Feldeffekttransistor mit einer Source, die mehrere Elektrodenvorsprünge mit Räumen dazwischen umfasst. Ein Drain umfasst mehrere Elektrodenvorsprünge, die sich jeweils in einem der Räume zwischen den Elektrodenvorsprüngen der Source befinden, wodurch eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche mit abwechselnden Drain- und Source-Vorsprüngen gebildet wird. Ein Gate ist von der Drain-Source-Elektrodenfläche beabstandet, wodurch zwischen dem Gate und der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche ein Kanal gebildet wird, wobei das Gate parallel zu dem Kanal verläuft. Mehrere Nanostrukturen befinden sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenvorsprüngen des Drain und der Source in der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche zu bilden. Die Erfindung erstreckt sich auf einen Gasdetektor, der wie vorstehend beschrieben mehrere auf einem Substrat befindliche Feldeffekttransistoren umfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Patentanmeldung betrifft einen Feldeffekttransistor und einen mehrere Feldeffekttransistoren umfassenden Gasdetektor.
Feldeffekttransistoren (FET) sind gut bekannt und umfassen drei Anschlüsse, nämlich Source, Drain und Gate. Es gibt viele verschiedene Arten von FETs mit unterschiedlichem Aufbau und unterschiedlichen Herstellungsverfahren.
Bezüglich Gassensoren nutzen herkömmliche Gassensorvorrichtungen, die auf Halbleitermaterialien basieren, zwei Anschlüsse, um die Impedanz des Materials bei Vorhandensein oder Fehlen von Gasen zu messen.
Zum Verbessern des Ansprechvermögens sowie der Gasspezifität müssen solche Vorrichtungen bei mäßig hohen Temperaturen erwärmt werden.
Das Erwärmen schränkt nicht nur eine Integration bei kleinen Mikrochips in großem Maßstab ein, sondern ist auch ein wesentlicher Kostenfaktor, der den Betrieb behindert und die Batterielebensdauer stark beansprucht.
Die vorliegende Erfindung ist bestrebt, einen verbesserten FET-Aufbau zusammen mit einer Anwendung für den verbesserten FET in einem verbesserten Gasdetektor vorzusehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Feldeffekttransistor vorgesehen, welcher umfasst:
eine Source, die mehrere Elektrodenvorsprünge mit Räumen dazwischen umfasst;
einen Drain, der mehrere Elektrodenvorsprünge umfasst, die sich jeweils in einem der Räume zwischen den Elektrodenvorsprüngen der Source befinden, wodurch eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche mit abwechselnden Drain- und Source-Vorsprüngen gebildet wird;
ein Gate, das von der Drain-Source-Elektrodenfläche beabstandet ist, wodurch zwischen dem Gate und der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche ein Kanal gebildet wird, wobei das Gate parallel zu dem Kanal verläuft; und
mehrere Nanostrukturen, die sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche befinden, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenvorsprüngen des Drain und der Source in der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche zu bilden.
Drain, Source und Gate liegen bevorzugt in der gleichen Ebene.
Die Elektrodenvorsprünge des Drain können von länglicher Form sein und an oder nahe einem ihrer Enden verbunden sein.
Die Elektrodenvorsprünge der Source können von länglicher Form sein und an oder nahe einem ihrer Enden verbunden sein.
Die mehreren Nanostrukturen, die sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche befinden, sind an der Drain-Source-Elektrodenfläche willkürlich positioniert.
Die Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche ist in etwa 90 Mikrometer mal 90 Mikrometer groß.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gasdetektor vorgesehen, der mehrere sich auf einem Substrat befindliche Feldeffekttransistoren umfasst, wobei jeder der Feldeffekttransistoren umfasst:
eine Source, die mehrere Elektrodenvorsprünge mit Räumen dazwischen umfasst;
einen Drain, der mehrere Elektrodenvorsprünge umfasst, die sich jeweils in einem der Räume zwischen den Elektrodenvorsprüngen der Source befinden, wodurch eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche mit abwechselnden Drain- und Source-Vorsprüngen gebildet wird;
ein Gate, das von der Drain-Source-Elektrodenfläche beabstandet ist, wodurch zwischen dem Gate und der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche ein Kanal gebildet wird, wobei das Gate parallel zu dem Kanal verläuft; und
mehrere Nanostrukturen, die sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche befinden, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenvorsprüngen des Drain und der Source in der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche zu bilden.
Der Gasdetektor kann acht Feldeffekttransistoren umfassen, die sich auf einem Substrat befinden.
Der Gasdetektor kann einen Prozessor zum Empfangen von Signalen von jedem der Feldeffekttransistoren und zum Verarbeiten der Signale umfassen, um das Vorhandensein eines oder mehrerer Gase zu ermitteln.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Feldeffekttransistors (FET) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
2 zeigt eine detailliertere schematische Zeichnung des FET von 1, zeigt insbesondere die Source-, Drain- und Gate-Flächen in näherem Detail;
3(a) zeigt vier Hauptszenarien der Mechanismen der Wirkung der Gate-Spannung (Vg) auf den Source-Drain-Strom (Ids) des vorstehend gezeigten FET, wenn die Drain-Source-Spannung VDS konstant ist, (b) sind die schematischen Darstellungen der vier Hauptwege (A, B, C und D) zum Verbinden des Gate-Anschlusses positiv oder negativ relativ zu den Drain-Source-Polaritäten, was die Tatsache belegt, dass bei dieser neuen Art von Transistor zwei Konfigurationen zu gleichmäßigen Ausgangskennlinien führen und die anderen zwei zu willkürlichen und ungeordneten Ausgangskennlinien führen;
4 zeigt eine Darstellung, wie sich Nanobänder aus VO2 in der gesamten verschränkten Drain-Source-Fläche verteilen;
5 zeigt eine schematische Zeichnung eines Gasdetektors unter Verwenden von mehreren der in 1 und 2 gezeigten FETs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6 zeigt eine andere schematische Zeichnung eines der FETs des in 5 gezeigten Gasdetektors;
7 zeigt eine Durchlassstrom-Spannungs-Kennlinie für VO2/V2O5-Kern-Schale-Nanobänder unter normalen Bedingungen und nach Einwirken von feuchter Luft, welche zeigt, dass die Leitfähigkeit bei Einwirken von feuchter Luft abnimmt, und den Einfluss der Gate-Spannung auf den Drain (Ausgangsstrom) zeigt;
8 zeigt den Widerstand über den VO2/V2O5-Kern-Schale-Nanobändern mit Zeit in normaler Luft und bei Einwirken von feuchter Luft, die Ansprechzeiten betragen typischerweise 5 Sekunden, wogegen die Erholungszeiten in der Größenordnung von Minuten liegen;
9 zeigt Kennlinien von Durchlassstrom-Spannung (Id gegen Vds) für die MWCNT-Faser bei normalen Bedingungen und nach Einwirken von feuchter Luft;
10 zeigt Drain-Strom aufgetragen gegen Gate-Spannung, wenn sich der CNT-Chip in normaler Luft und unter dem Einfluss feuchter Luft befindet;
11 zeigt den Widerstand über einem mehrwandigen Kohlstoff-Nanorohr mit Zeit nach Einwirken von feuchter Luft;
12 zeigt eine beispielhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung bei der Detektion von Aceton im Atem eines diabetischen Patienten korreliert mit Blutzuckerwerten;
13 ist ein Blockdiagramm, das zeigt, wie ein Gasdetektor für die Detektion von bis zu acht unterschiedlichen Gasen bei Umgebungstemperatur verdrahtet sein kann;
14 zeigt Kennlinien von Durchlassstrom-Spannung für VO2/V2O5-Kern-Schale-Nanobänder;
15 zeigt Kennlinien von Durchlassstrom-Spannung (ID gegen VDS) für die MWCNT-Faser;
16 zeigt ein Ansprechen auf verschiedene Feuchtewerte eines typischen VO2/V2O5-FET-Sensors auf dem Chip gegen Gate-Spannung; und
17 zeigt eine Baumdarstellung aller Transistoren und hebt hervor, wo in dieser Baumdarstellung die vorliegende Erfindung angesiedelt ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTERN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung werden für die Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu bieten. Für einen Fachmann ist aber offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden kann.
Unter Bezugnahme auf die Begleitfiguren wird ein beispielhafter Feldeffekttransistor (FET) 10 gezeigt.
Der FET 10 umfass einen Drain 12, eine Source 14 und ein Gate 16, die sich alle auf einem Unterteil 18 befinden.
Mehrere Nanostrukturen 20, die nachstehend näher beschrieben werden, verbinden den Drain 20 und die Source 14.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die Source 14 wie gezeigt mehrere Elektrodenvorsprünge 24 mit Räumen dazwischen.
Die Elektrodenvorsprünge der Source 14 können von länglicher Form sein und an oder nahe einem ihrer Enden verbunden sein.
Der Drain 12 umfasst auch mehrere Elektrodenvorsprünge 22, die sich jeweils in einem der Räume zwischen den Elektrodenvorsprüngen der Source befinden, wodurch eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche 26 mit abwechselnden Drain- und Source-Vorsprüngen gebildet wird.
Die Elektrodenvorsprünge des Drain 12 können von länglicher Form sein und an oder nahe einem ihrer Enden verbunden sein.
Dies bildet eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche 26, die verschränkte Elektrodenvorsprünge 24 und 26 umfasst, die wie die Finger von verschränkten Händen ineinandergreifen.
Das Gate 16 ist von der Drain-Source-Elektrodenfläche 26 beabstandet, wodurch zwischen dem Gate und der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche 26 ein Kanal 28 gebildet wird, so dass das Gate 16 parallel zu dem Kanal 28 verläuft.
Es versteht sich, dass das Gate 16 in der gleichen Oberflächenebene wie der Drain 12 und die Source 14 ruht, aber den Drain 12 oder die Source 14 nicht berührt.
Es versteht sich, dass der Drain 12, die Source 14 und das Gate 16 in der gleichen Ebene liegen.
Mehrere Nanostrukturen 20 befinden sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche 26, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenvorsprüngen des Drain und der Source in der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche zu bilden. Diese sind in 1 schematisch dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben.
In einer Prototyp-Ausführungsform wurde der FET 10 wie folgt hergestellt.
Zunächst wird das Unterteil 18 aus quadratischen Aluminiumoxid-Substraten gebildet. Diese werden dann mit einem Metallfilm, bevorzugt Gold, durch DC-Sputtern beschichtet.
Auf den Goldfilm wird mittels eines Diamantmessers, dessen Spitze typischerweise 30–60 Mikrometer groß ist, eine T-förmige Nut eingeritzt. Das Einritzen erfolgt, um sicherzustellen, dass der Goldfilm in den Flächen, die isoliert werden sollen, vollständig ausgehoben wird, so dass nur die Teile des Films, die zu Drain, Source und Gate werden sollen, mit Gold beschichtet belassen werden.
Es versteht sich, dass diese Technik verglichen mit der Komplexität und den Kosten des Verwirklichens der gleichen Aufgabe in einer Standard-Reinraumanlage einfach ist.
Ein Wachstum von drei verschiedenen Arten eines eindimensional nanostrukturierten Materials (TiO₂-Nanofasern, V₂O₅-Nanofasern, SnO₂-Nanodrähte und ZnO-Nanostäbe) auf dem Chip kann durch verschiedene Techniken durchgeführt werden, wie zum Beispiel: (1) Elektrospinning, (2) chemische Dampfphasenabscheidung und (3) hydrothermale Synthese. Dies bildet die Nanostrukturen 20.
Goldkontakte in der Form von verschränkten Elektroden, gedruckt auf eine Fläche von 90 Mikrometer mal 90 Mikrometer, bilden somit den Drain- und den Source-Anschluss. Eine dritte Elektrode wird in der gleichen Ebene wie die Drain-Source-Fläche parallel platziert. Nur wenn die Nanomaterialien auf die Drain-Source-Fläche gegeben werden, wird die Vorrichtung zu einem Transistor. Diese Art von Transistor kann als FET mit verschränkten Drain- und Source-Anschlüssen mit lateralem Gate (LGIDSFET) bezeichnet werden. In 2 findet sich eine Darstellung. Solche acht Transistoren sind in einem Array auf einer 1 mm mal 1 mm großen Si/SiO₂-Wafer angeordnet, und jede Elektrode ist an jedem der 24 Pins eines Chipträgers drahtgebondet, wie nachstehend näher erläutert wird.
Für die Verwendung eines FET in einem Gasdetektor, wie sie nachstehend näher beschrieben wird, wurde der FET 10 mit einem von zwei Nanomaterialien zum Herstellen der Nanostrukturen 20 hergestellt.
Diese zwei Nanomaterialien waren VO₂/V₂O₅-Kern-Schale-Nanobändern und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren.
Um dies zu verwirklichen, wird eine Suspension von VO2/V2O5-Nanobändern oder mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren in Isopropanolflüssigkeit gebildet.
In einem Beispiel wird die Suspension von VO₂/V₂O₅-Kern-Schale-Nanobändern in Isopropanol durch Abwiegen von 5, 3, 1, 0,5, 0,2 mg VO₂/V₂O₅-Kern-Schale-Nanobändern und Umsetzen des Pulvers in ein Röhrchen mit 100 ml Isopropanol hergestellt. Analog können 5, 3, 1, 0,5, 0,4, 0,2 mg Kohlenstoff-Nanoröhren in 100 ml Isopropanolflüssigkeit gegeben werden.
Die Suspension wird 5 Minuten lang in ein Ultraschallbad gegeben, damit die Nanostrukturen geschüttelt und gleichmäßig in der Flüssigkeit dispergiert werden.
Nach mehreren Tests wurde festgestellt, dass bei VO₂/V₂O₅-Kern-Schale-Nanobändern die optimalste Konzentration bei 1 mg/100 ml lag, wogegen sie bei Kohlenstoff-Nanoröhren bei 0,4 mg/100 ml lag.
Nach Herstellen der Suspensionen wurden Mikroliter-Tropfen mit Hilfe eines Tropfers auf den FET in der Fläche 26, die die Drain-Source-Elektroden enthielt, befördert.
Nach dem Tropfgießen der Nanostrukturen wird eine Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt, um sicherzugehen, dass die Nanostrukturen an Ort und Stelle sind. 4 ist ein REM-Aufnahme, die zeigt, wie VO₂/V₂O₅-Kern-Schale-Nanobänder auf der Drain-Source-Fläche 26 verteilt sind.
Wie ersichtlich ist, fallen die auf die verschränkten Kontakte zwischen den Drain-Elektroden und den Source-Elektroden gegebenen Nanopartikel willkürlich in solcher Weise, dass sich der Drain-Source-Kanal in den Nanopartikeln oder Nanodrähten bei willkürlichen Winkeln zur Gate-Richtung ausrichtet. Diese Anordnung bietet viel mehr Freiheitsgrade für die Interaktion zwischen dem elektrischen Feld in dem Gate und dem Elektronenstrom in dem Drain und der Source, was bisher nicht möglich war.
Bei herkömmlichen Transistoren verläuft die Nanostruktur überwiegend senkrecht zu dem Gate-Anschluss. In dieser Situation wird der Drain-Strom für einen MOSFET durch die Shockley-Gleichung gegeben:
Und für den Sperrschicht-FET (JFET) haben wir:
wobei W und L dem Kanaldurchmesser bzw. der Länge entsprechen und C die dielektrische Kapazität des Gate pro Einheitslänge entsprechen, r = L/2 des Radius des Kanals ist, h die Dicke des Dielektrium ist und der Rest der Symbole die üblichen Bedeutungen haben. Durch das Geben von eindimensionalen Nanostrukturen wie etwa Nanodrähten, Nanostäben und Nanoröhren auf die Drain-Source-Fläche in dieser Erfindung ist jeder Winkel zwischen der Gate-Elektrode und der Nanostruktur in solcher Weise möglich, dass eine sich von der Shockley-Gleichung unterscheidende neue Gleichung bestimmt werden muss. Aus den ersten empirischen Ergebnissen zu dieser Erfindung wurde klar, dass es zwei Möglichkeiten gibt, nämlich: (1) an Stelle des quadratischen Gesetzes von Shockley ist das kubische Gesetz bevorzugt, also: I_DS = α₀ + α₁V_G + α₂V 2 / G + α₃V 3 / G (3) wobei der Wert und die Polarität der Koeffizienten α₀, α₁, α₂ und α₃ für ein spezifisches Gas ermittelt werden müssen, das mit einem bestimmten erfassenden Nanomaterial interagiert, nachdem Gleichung 2 an experimentelle Daten von dem erfindungsgemäßen Mikrochip angepasst wurde,
oder (2) für Sperrvorspannung: da ID gegen VGS das Gegenteil der Shockley-Gleichung zeigt, kann man die exponentielle Zerfallgleichung verwenden. Bei der Vorwärtsspannung zeigt ID gegen VGS erneut das entgegengesetzte Profil der Shockley-Gleichung. Hier können wir den negativen Wert von Gleichung 1 verwenden. Die Summe sowohl der Vorwärtsspannungs- als auch der Sperrvorspannungsgleichungen führt zu
Zu beachten ist, dass wenn das Differential ∂I_DS/∂V_GS (oder Transkonduktanz g_m) bei Gleichung 1 bis Gleichung 3 ausgeführt wird, nur Gleichung 3 (die die vorliegende Erfindung betrifft) ein Differential ergibt, das bei Auftragen mit V_GS an der Ordinate einen Buckel bei einem charakteristischen Wert von V_GS aufweist. Das von der Gate-Spannung abhängige Ansprechen R(V_GS) dieses Transistors kann bei Verwenden beim Erfassen wie folgt aus dem Differential von Gleichung 3 und 4 erhalten werden:
Diese Art von Analyse bei dieser Art von Transistorsensor ist eine einzigartige Eigenschaft, die die Fähigkeit unterstützt, durch einfaches ”Tuning” für den erwünschten Stimulus durch die Gate-Spannung des Transistorsensors eine Gasumgebung von der anderen zu unterscheiden, wie in den nächsten Abschnitten gezeigt wird.
Das elektrische Feld in dem Gate hat auch eine interessante Wirkung auf den Drain-Source-Strom in den in die Drain-Source-Fläche gesetzten Nanostrukturen, nämlich dass es möglich ist, wie in der Darstellung von 3(a) dargestellt ist, dass, wenn die Gate-Spannung die Schwellenspannung (V_T) übersteigt, der Strom von der Source zum Drain zu der Source zurückkehrt.
Dies wurde bei keiner Art von Transistor beobachtet. Bei einem herkömmlichen Transistor tendiert der Drain-Source-Strom nur dazu ”abzuschnüren”, strömt aber nicht in der negativen Richtung. Diese neue Eigenschaft kann mit dem Gunn-Effekt in Verbindung stehen, bei dem der Strom eine Absinken erfährt und somit das Differential mit Spannung eine negative Leitfähigkeit wird. Bei der vorliegenden Erfindung fließt der Strom tatsächlich in der Gegenrichtung. Wenn somit V_g < 0, ist I_ds recht groß, da das negative V_g ein Verteilen des Ids-Flusses bewirkt, was nicht bei V_g = 0 der Fall ist. Wenn V_g > 0, sinkt der Strom weiter ab, bis V_g V_Abschnüren erreicht, wenn I_ds gestoppt wird. Die Gate-Spannung, die null Strom bewirkt, wird manchmal als Schwellenspannung oder V_T bezeichnet. Wenn V_g höher als V_T wird, zeigt der Transistor eine Umkehr von I_ds.
Ein anderes neues Merkmal dieses neuen Transistors sind aufgrund seiner Geometrie die vier Hauptwege zum Anschließen des Gate entweder als positiv oder negativ relativ zu der Polarität des Drain-Source-Stroms. Die Polarität von Drain-Source hat eine Wirkung auf die Ausgangskennwerte des LGIDSFET. In 3(b) ist ein Schaubild gezeigt, bei dem die Polaritäten von D und S vertauscht sind, wenn G entweder + oder – ist, und Ausgangskennwerte gleichmäßig oder willkürlich sind. Es ist gleichmäßig, wenn die Polarität der Source die gleiche Polarität wie das Gate hat, und willkürlich, wenn die Polaritäten entgegengesetzt sind.
Der vorstehend beschriebene FET 10 wurde verwendet, um einen Gasdetektor 30, wie in 5 und 6 gezeigt, zu erzeugen.
In der dargestellten Ausführungsform werden mehrere FETs 10 verwendet, um den Gasdetektor zu bilden. Die Prototypen-Ausführungsform umfasste acht FETs 10, es versteht sich aber, dass diese Anzahl abhängig von der erforderlichen Anwendung unterschiedlich sein kann.
Die Plattform mit acht FETs wurde wie folgt hergestellt.
Auf einem 1000 μm mal 1000 μm großen Si/SiO2-Substrat 32 wurden acht FET-Komponenten 10 gesetzt, jeweils mit drei Goldanschlüssen, die als s1; d1; g1, S2; d2; g2 usw. gezeigt sind. Um das Substrat herum wurde ein Raum von 25 μm belassen.
Jede Komponente misst 250 um mal 25 um, mit einem Abstand von 100 um dazwischen.
Jeder der drei Goldanschlüsse misst 70 μm mal 70 μm. Zwischen den Anschlüssen liegt ein Abstand von 20 μm vor. Zwei der drei Goldanschlüsse sind mit den verschränkten ”Finger”-Merkmalen mittel 30 μm langen Goldstreifen verbunden. Diese Streifen sind 1 μm breit.
Der dritte Goldanschluss führt mittels einer 70 μm großen Biegung zu einer Goldplatte, die 100 μm mal 3 μm misst und 1 μm weg von den verschränkten Fingermerkmalen platziert ist.
Die Hauptbahnen der Fingermerkmale sind 90 μm beabstandet. Die ineinandergreifenden Finger sind 1 μm breit, doch lässt ein mit einer Bahn verbundener Finger einen 1 μm großen Raum an der gegenüberliegenden Bahn und zwischen den benachbarten Fingern usw frei. Mit einer Teilung von 1 μm zwischen den Fingergliedern und einer 100 μm langen verschränkten Fläche ergeben sich etwa 100 Verschränkungen (50 Finger von jeder der zwei Bahnen).
Ein anfänglicher Erfassungstest dient zum Prüfen der Strom-Spannungs-(I-V)-Kennwerte der Drain-Source-Fläche nach Platzieren der VO₂/V₂O₅-Nanobänder oder Kohlenstoff-Nanoröhren.
Zu beachten ist, dass es möglich ist, unterschiedliche Nanostrukturen an jeder FET-Plattform zu positionieren, insbesondere solche Nanostrukturen, die sich zum Erfassen eines bestimmten und spezifischen Gases eignen.
Ein häufiges Problem bei Sensoren in Nanogröße ist aber, dass Sensoren in Nanogröße eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, aber eine niedrige Selektivität aufweisen, und daher besteht eine Alternative darin, die gleiche Art von Nanostrukturen an allen Stellen auf dem Mikrochip zu platzieren. Die Selektivität jedes FET bezüglich eines bestimmten Gases kann durch Ändern des Bias der Gate-Spannung an jedem FET verwirklicht werden. Dies wird nachstehend näher beschrieben.
In jedem Fall wird dieser Test ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Chipmerkmalgröße von 1 μm elektrische Verbindungen mit den Nanostrukturen herstellt.
Nach dem Feststellen, dass die Kontakte gesichert sind, wird ein transienter Widerstand/eine transiente Leitfähigkeit an Drain-Source ermittelt und mittels einer Messschreiber-Software aufgezeichnet.
Diagramme des transienten Widerstands/der transienten Leitfähigkeit, d. h. Diagramme von Widerstand/Leitfähigkeit gegen Zeit, werden verwendet, um das Ansprechen S_res, die Erholung S_rec, die Ansprechzeit, τ_res, die Erholungszeit, τ_rec, zu ermitteln, die jeweils in den folgenden Absätzen definiert werden.
Bei der Entscheidung, welche Materialien als Sensoren für ein bestimmtes Gas zu verwenden sind, ist es wichtig, den Materialbereich beruhend auf einer aussagekräftigen Messlatte zu beurteilen. Die folgenden Leistungszahlen wurden weitgehend genutzt, um Sensoren zu beurteilen. Diese sind in der nachstehend in Anhang A aufgeführten Quellenangabe 1–10 umfassend beschrieben:

(a) Ansprechen, S_res (die relative Änderung des Widerstands eines Materials bei Vorhandensein oder Fehlen eines Gases). Zum Untersuchen des Ansprechens gibt es in der Literatur zum Beispiel zwei Hauptdefinitionen: entweder S = |R_in – R_out|/R_in oder einfach S = R_out/R_in, wobei R_in der Widerstand des Sensormaterials bei Vorhandensein des Analytgases ist und R_out der Widerstand bei Fehlen eines solchen Gases ist. Das Ansprechen als Funktion von Temperatur wurde von dem Erfinder bereits abgeleitet, um die Form S(T) = (R_in/R_out)exp((E_a – E_0in)/k_BT)) oder S(T) = 1 – (R_in/R_out)exp((E_a – E_0in)/k_BT)) anzunehmen, wobei E_a und E_0in die Aktivierungsenergien des Sensormaterials bei Fehlen bzw. Vorhandensein des Analytgases sind und k_B die Boltzmann-Konstante ist. Diese Gleichung legt nahe, dass ein Ansprechen zunimmt (abnimmt), wenn die Temperatur erhöht wird, wenn E_a > E_0in (E_a < E_0in), das heißt, wenn die Interaktion von Analyt und Sensor oxidativ (reduzierend) ist.
(b) Erholung, S_rec, die relative Änderung des Widerstands ab dem Zeitpunkt der vollständigen Exposition des Sensors gegenüber dem Analyt und ab dem Zeitpunkt des vollständigen Eliminierens des Stimulus.
(c) Selektivität (die Fähigkeit eines Materials, auf das bestimmte Gas und nicht auf andere vorhandene Gasarten anzusprechen).
(d) Ansprechzeit, τ_res, die der Zeitraum, tres, ist, den der Widerstand benötigt, um (|R_in – R_out|) auf 90% des ursprünglichen Widerstands oder um eine Größenordnung zu ändern.
(e) Erholungszeit, τ_rec, die Zeit, die der Widerstand benötigt, um nach dem Erfassen zu 90% des ursprünglichen Widerstands oder um eine Größenordnung zu dem ursprünglichen Widerstand zurückzukehren.
Andere Parameter, die beim Feststellen der Leistung der Sensoren wichtig sind, sind:
(f) Arbeitstemperatur, T_opt, die die Temperatur ist, auf die das Sensormaterial erwärmt werden muss, um das optimalste Ansprechen zu erhalten.
(g) Relative Feuchte der Umgebung (H).
(h) Atmosphärendruck (p_atm).

Beim Prototyp wurde festgestellt, dass bei einem VO₂/V₂O₅-System die Ansprechzeit typischerweise etwa 5 Sekunden beträgt, aber die Erholungszeit viel länger ist, was für Nanostrukturen typisch ist. Dieser Nachteil kann durch Einleiten eines Pulses in dem Gate angegangen werden, und der Sensor wird wieder aufgefrischt.
Es wurde aber festgestellt, dass das Profil von Widerstand/Zeit der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre ein schnelleres Ansprechen mit der Reaktionszeit von weniger als 3 Sekunden und eine viel schnellere Erholung bei 7 Sekunden aufweist. Ein Auffrischen des Gate oder eine UV-Licht-Aktivierung ist daher nicht notwendig.
Es sollte auch hervorgehoben werden, dass Ansprechzeiten und Erholungszeiten von der Gate-Spannung (V_GS) beeinflusst werden. Dies wird in 14(f) dargestellt, wo man erkennen kann, dass die Erholungszeiten 20 Minuten betragen, wenn V_GS = 0 b, aber viel kürzer (etwa 1 Minute) werden, wenn die Vorspannung –5 V wird.
Um die Selektivität wie in der vorstehenden Definition (c) zu verfolgen, werden Gate-Spannungen geändert und entsprechende Drain-Sources werden vor und nach Exposition gegenüber verschiedenen Gasen erfasst. Bei dem Prototyp der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass der Drain-Strom abnimmt, wenn man die Gate-Spannung von der negativen Spannung hin zu Positiv ändert. Dies unterscheidet sich von normalen Backgate-Transistoren, bei denen der Drain-Strom steigt, wenn man die Gate-Spannung anhebt. Bei der positiven Gate-Spannung fällt der Drain-Strom drastisch auf einen ”abgeschnürten” Zustand ab. Jede Gasumgebung ergibt eine einzigartige Abschnürspannung oder Schwellenspannung V_T. Diese Eigenschaft hilft beim Kalibrieren jedes der acht Sensoren an diesem Chip für ein spezifisches Gas (11).
Eine Darstellung von Drain-Strom gegen Gate-Spannung, wenn sich der Chip in normaler Luft befindet und wenn er unter dem Einfluss von feuchter Luft ist, zeigt einen Abwärtstrend zu einem Drain-Strom von null, wobei der Schwellenspannungswert V_T von der den Sensor umgebenden Umgebung abhängt. Dieser Trend zeigt, dass jede Gasumgebung ihren einzigartigen V_T aufweist.
Materialien mit dem höchsten Ansprechen sind ideal, es wäre aber nutzlos, wenn dieses hohe Ansprechen nur bei extrem niedrigen oder hohen Temperaturen erreicht wird, in welchem Fall ein Betreiben einer solchen Sensorvorrichtung energetisch teuer wäre. Ein guter Sensor sollte bei Raumtemperatur ein hohes Ansprechen aufweisen, auch unter Bedingungen relativ hoher Feuchte. Diese Eigenschaften werden durch die steigende Nachfrage nach einer langen Batterielebensdauer nötig. Wenn der Sensor über Raumtemperatur erwärmt oder unter diese gekühlt werden muss, wird die Nachfrage nach Batterieleistung enorm und der Sensor kann nicht lange genug arbeiten. Der Betrieb bei Raumtemperatur vermeidet dieses zusätzliche Erwärmen oder Kühlen. Ferner muss ein guter Sensor eine sehr kurze Ansprechzeit gegenüber dem Analytgas sowie eine schnelle Erholung, wenn das Analytgas entfernt wird, aufweisen. Die Ansprech- und Erholungszeiten sind wiederum temperaturabhängig. Alle diese guten Qualitäten sind mit einem einzigen Material allein schwer zu erhalten.
Mit der vorliegenden Erfindung kommt man dem Erhalten aller guten Qualitäten eines einzigen Erfassungsmaterials näher.
Der Erfinder und seine Mitarbeiter haben ein Verfahren zum Beurteilen von mehreren Erfassungsmaterialien hinsichtlich der vorstehenden Eigenschaften veröffentlicht. Das Verfahren nutzt einige mathematische Formeln, die Sensoransprechen S_res, Sensorerholung S_rec, Ansprech- und Erholungszeiten (τ_res, τ_rec), Temperatur T, Atmosphärendruck p, Feuchte H vereinten. Die Gleichung, wie effizient ein Erfassungsmaterial sein kann, kann wie folgt dargestellt werden:
In dieser jüngsten Veröffentlichung wurden die Materialien als Pulver kontaktiert. Das Verfahren war sehr grob, da die Kontaktmodi nicht bei allen berücksichtigten Materialien die gleichen waren.

Um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen, werden alle durch das grobe Verfahren erhaltenen Parameter in Tabelle 1 gegeben (wo CoP für Leistungskoeffizient steht, der sich von Erfassungseffizienz unterscheidet) und mit den Eigenschaften für die gleichen zwei getesteten Materialien, bisher VO₂ und Carbon-Nanoröhren, auf dem Mikrochip der Erfindung verglichen. Dies bedeutet, dass man durch Nutzen der neuen Erfindung hervorragende Leistungsverbesserungen erhält.

Testverfahren	Material	T (°C)	t_res	t_rec	S_res	S_rec	CoP	CoP_ideal	η(%)
Testverfahren	Material	T (°C)
Herkömmlich	VO2 NRds	24	1464	239	0,05	0,09	1.87·10^–2	0,05	36,5
Vorliegende Erfindung	VO2 NRds	24	5	120	2,00	1,00	0,24	0,51	47,5

Herkömmlich	SnO2: CNT NPs	50	455,8	31,8	1,28	0,43	2.5·10^–1	0,63	8,5
Vorliegende Erfindung	CNT	24	3	7	0,0067	0,0067	0,07	0,16	42,2

Zum Beispiel arbeiten VO₂-Nanostäbe mit einer 11%-igen Effizienzverbesserung, wenn sie auf dem vorliegenden Mikrochip platziert werden (von η = 36,5 bis η = 47,5), wogegen Kohlenstoff-Nanoröhren sich von η = 8,5 auf η = 42,2 steigern, was eine 34%-ige Effizienzverbesserung ist. Dies bedeutet, dass praktisch jedes Erfassungsmaterial mit dieser Erfindung nun bei Raumtemperatur erfassen kann.
Die Erfindung weist nicht nur eine bessere Leistung auf, sondern zeigt die schnellste Erfassung und schnellste Erholung, die über das hinausgehen, was in der Literatur derzeit zu finden ist.
Die Effizienzverbesserung geht auch mit einem zusätzlichen Merkmal der Selektivitätsverbesserung einher. Diese wird durch Aufweisen des Gates in der Konstruktion integriert, wobei die Spannungspolarität und -größenordnung beide genutzt werden können, um die Vorrichtung so zu tunen, dass sie nur auf bestimmte Gase anspricht und andere Gase ”ausschaltet”.
Die Mühelosigkeit des Bestückens der Vorrichtung mit Nanomaterialien ist ein anderer wichtiger Vorteil dieser Erfindung.
Bei einem Prototyp der vorliegenden Erfindung wurde der Detektor verwendet, um die folgenden Gase, die typischerweise in den Bergwerken emittiert werden, Methan (CH₄), Radon (Rn) und industriebedingte Belastung wie Ammoniak (NH₃), Stickstoffoxide (NOx), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Silan (SiH₄) zu detektieren und zu quantifizieren, wie in 8(e) gezeigt ist, wo sich die VO₂/V₂O₅-FET-Sensoren selektiver gegenüber NH₃ als anderen Gasen zeigen.
Ein innovativer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, die Gate-Spannung als die ”Tuning”-Variable des FET-Sensors zu verwenden. Gemäß Gleichungen 3 und 4 wird der Drain-Source-Strom von der Gate-Spannung wie in herkömmlichen FETs stark beeinflusst, doch hier erfährt der Drain-Strom eine Richtungsumkehr (negative Leitfähigkeit/negativer Widerstand), wenn die Gate-Spannung eine charakteristische Schwellenspannung (VT) übersteigt. Dieses Verhalten ist bei FETs nicht neuartig und wird der Geometrie der verschränkten Drain-Source-Fläche und dem Gate zugeschrieben. Ein weiteres Merkmal ist die Fähigkeit, in der Darstellung von Ansprechen gegen Gate-Spannung einen Buckel zu zeigen. Dieser Buckel erscheint bei einer charakteristischen Gate-Spannung bei jedem Material an dem FET-Sensor sowie bei jedem Stimulus. Dies war früher bereits mit Backgate-FETs [2, 3] versucht worden, wo die Forschung letztendlich nicht zeigen konnte, dass der herkömmliche Backgate-Transistor unabhängig von der Konzentration des stimulierenden Gases die gleiche kritische Gate-Spannung zeigen konnte.
Bei der vorliegenden Erfindung zeigen jedoch unabhängig von der Konzentration von Aceton oder einem Feuchtewert sowohl der VO2/V2O5- als auch der CNT-FET-Sensor wiederholt die gleiche kritische Gate-Spannung bei einem bestimmten Gas. Diese Buckel stimmen mit der vorstehenden Gleichung 6 überein. Dies wird in der internationalen Sensorikbranche, in der die Selektivität von Nanomaterialien das schwächste Glied war, ein Wendepunkt sein.
In 16(a) ist das Ansprechen auf verschiedene Feuchtewerte eines typischen VO2/V2O5-FET-Sensors an dem Chip der Erfindung gegen Gate-Spannung und (b) ein Zoom der Linienformen bei niedrigerer Feuchte gezeigt. Sowohl in (a) als auch (b) findet sich ein charakteristisches optimales Ansprechen auf Feuchte bei einer kritischen Gate-Spannung von 8 V, unabhängig vom Feuchtewert, in (c) ein Ansprechen auf verschiedene Feuchtewerte eines der acht CNT-FET-Sensoren gegen Gate-Spannung. In diesem Fall spricht der CNT bei einer kritischen Spannung von 3 V optimal auf Feuchte an. In (d) ist das Ansprechen eines der acht VO2/V2O5-FET-Sensoren sowohl auf Feuchte als auch auf Acetondampf gezeigt. Aceton zeigt unabhängig von seinem Wert bei VGS = –5 V eine Spitze, wogegen Feuchte unabhängig von ihrer Intensität bei VGS = 8 V eine Spitze zeigt.
Der Detektor könnte auch für die folgenden Nutzungen konfiguriert werden:

• Detektieren von Atemgeruch von Patienten für die frühzeitige Detektion von Diabetes, Nierenversagen (Niere und Leber) und Ulcera.
• Detektion von Teilen pro Milliarde von Gaskonzentrationen, die von TNT und anderen Sprengstoffen bei verborgenen Sprengstoffen wie Landminen und mobilen Bomben an öffentlichen Orten wie Flughäfen abgegeben werden.
• Kontrolle von Drogenhandel durch Detektieren von Gasen, die von verschiedenen Arten von Rauschgiften wie etwa Mandrax, Marihuana etc. abgegeben werden.

Es versteht sich, dass der vorstehend beschriebene FET, der in einem Nanomaßstab vorliegt, eine Gasdetektion bei Raumtemperatur zulässt, was die Überwachung von Belastung ohne Notwendigkeit des Erwärmens der Sensoren, wie es bei herkömmlichen elektronischen Nasen üblich ist, ermöglicht.
12 zeigt eine beispielhafte Anwendung des Sensors bei der Diabetes-Überwachung. Das erfindungsgemäße Sensoransprechen ist gegen Glukosekonzentrationen in dem Blut eines Patienten aufgetragen. Es versteht sich, dass in den ersten Ergebnissen eine lineare Korrelation zwischen Blutzucker und dem Sensoransprechen ein Hinweis ist.
Dies zeigt, dass das schmerzvolle Stechen in den Finger, das der Patient bei herkömmlichen Mitteln zur Überwachung des Blutzuckers zweimal pro Tag über sich ergehen lassen muss, durch die Vorrichtung ersetzt werden kann, bei der der Patient einfach auf den Sensor ausatmen muss und der gleiche Messwert des Blutzuckers erhalten wird.
Die Integration auf einer einzigen Wafer dieser Art, also die herkömmlichen heizerbasierten Sensoren, ist bei herkömmlichen Gassensoren, die einen Heizer pro Sensor nutzen, nicht möglich, da die Wärme von einer Stelle zu anderen Teilen des Chips fließt.
Bei herkömmlichen Gassensoren wird das Erfassungsmaterial mittels gedruckten Pt- oder CoPt-Elektroden an der Rückseite des Substrats, auf die das Erfassungsmaterial gegeben wird, erwärmt. Die Notwendigkeit eines Heizers an der Rückseite der Sensorvorrichtung ergibt sich aus der Feststellung, dass jedes bestimmte Gas bei einer spezifischen optimalen Temperatur einzigartig und optimal mit dem Sensormaterial interagiert. Der Spalt zwischen den Merkmalen auf dem gedruckten Heizer kann 150–180 μm groß sein. Analog weist die Merkmalsgröße zwischen den Elektroden, die die Erfassungsmaterialien nutzbar machen, herkömmlicherweise Merkmalsgrößen gleicher Größenordnung wie der gedruckte Heizer auf.
Wenn mehrere solche Vorrichtungen auf einem Mikrochip zu platzieren sind, muss jede Vorrichtung bei ihrer bestimmten Temperatur für diese bestimmte Vorrichtung eingestellt werden, um für ein spezifisches Gas kalibriert zu werden. Es ist schwer, mehrere solche Erfassungsmodule in einem Mikrochip zu platzieren, da die Wärme von einem Sensor in andere Sensorvorrichtungen fließen würde, wenn sich die Vorrichtungen auf einem einzigen Substrat befinden. Auf diese Weise wäre es äußerst schwierig, die Temperatur auf einer bestimmten Vorrichtung bei einer erwünschten konstanten Temperatur zu halten, da es zwischen den Vorrichtungen viel thermisches Übersprechen geben würde, und aus diesem Grad war Gasspezifität in der Gassensorbranche von heute weltweit das größte Problem.
Die neue Erfindung eliminiert das Heizen, steuert jedoch stattdessen die Interaktion des einen Gases mit dem Erfassungsmaterial mittels der Gate-Spannung des Feldeffekttransistors. Die Merkmalsgrößen können nun 1 μm klein sein, und daher ist es nun möglich, acht FET-Erfassungsmodule in einer sehr kleinen Fläche zu platzieren, ohne unter Übersprechen zu leiden.
13 zeigt jedenfalls ein Schaubild, wie der erfindungsgemäße Mikrochip, der die mehreren FETs umfasst, mit einer Elektronik mit Schnittstellen zu Mikroprozessor, Datenspeicher und Anzeige von bis zu acht unterschiedlichen Gasen verbunden werden kann.
Die von dem Sensor empfangenen Signale werden verstärkt und dann von einem Digital/Analog-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Die verschiedenen Signale von jedem der Chips werden Multiplexing unterzogen und dann mittels eines USB-Anschlusses in einen Computer eingespeist, der arbeitende Software umfasst, die die erhaltenen Signale verarbeitet und deren Anzeige, Speicherung und Verarbeitung erlaubt.
Somit empfängt der Prozessor Signale von jedem der Feldeffekttransistoren und verarbeitet die Signale, um das Vorhandensein eines oder mehrerer Gase zu ermitteln.
Es versteht sich, dass die Größe des Mikrochips das Integrieren mit modernen Vorrichtungen wie Mobiltelefonempfängern und anderen Speichervorrichtungen möglich macht.
Es versteht sich auch, dass es bei der vorliegenden Erfindung keinen Kontakt zwischen dem Gate und Drain-Source gibt. Dies ergibt neue FET-Eigenschaften.
Eine willkürliche Platzierung von Nanopartikeln zwischer der Drain-Source ermöglicht ein Tuning der Länge von Kanal zu Gate (CGL), was für FETs ein neuer Parameter ist.
Solche LGNFETs werden auf eine einzige 1 mm mal 1 mm große Si/SiO2-Wafer integriert, was diesen Mikrochip zu einer der bisher kleinsten Flächen macht, die bis zu acht (8) Erfassungselemente enthalten.
Jeder FET kann kalibriert werden, um eine bestimmte Gasart zu erfassen, was diese Chip zu einen 1 mm² großen Detektor für acht Gase macht.
14(a) zeigt Durchlassstrom-Spannungs-Kennwerte für VO2/V2O5-Kern-Schale-Nanobänder unter normalen Bedingungen für unterschiedliche Gate-Spannungspegel. In (b) ist eine Darstellung von ID gegen VGS gezeigt. Zu beachten ist die Umkehr des Drain-Stroms, wenn VGS größer als VT wird. In (c-d) ist Drain-Strom gegen Zeit gezeigt, wenn einer der acht VO2/V2O5-FET-Sensoren feuchter Luft von verschiedenen relativen Feuchtewerten ausgesetzt wird und wenn die Gate-Spannung (VGS) von 0 bis 15 V geändert wird. In (e) sind typische Ansprechverhalten von VO2 auf verschiedene Gase (CO, CH4, NO2, NH3 und H2S) und die bevorzugte Selektivität gegenüber NH3 gezeigt. In (f) ist der Widerstand des Drain-Source-Kanals gegen Zeit bei Ändern der Gate-Spannungen von –5 V zu 5 V gezeigt. Zu beachten ist die schnelle Erholung, wenn der Sensor ein Bias einer Gate-Spannung von –5 V erfährt. In 16 werden weitere Analysen dieser Daten gezeigt.
15 zeigt (a) Kennwerte von Durchlassstrom-Spannung (ID gegen VDS) für die MWCNT-Faser (FET1) unter normalen Bedingungen, (b) ID gegen VGS bei einem VDS = 5 V des FET1 unter normalen Atmosphärenbedingungen und nach Exposition gegenüber feuchter Luft und Acetondampf; (c-d) Drain-Strom gegen Zeit für FET1 und FET6 auf dem Mikronanochip bei Vorhandensein von feuchter Luft (c) bei unterschiedlicher Gate-Spannung, wobei die Zunahme und Abnahme des Ansprechens auf Feuchte bei Anheben der Gate-Spannung von 0 auf 12 V gezeigt wird. Das maximale Ansprechen zeigt sich bei einem VGS von 3–5 V, darüber hinaus nimmt das Feuchteansprechen ab.
In 16(a) Ansprechen auf verschiedene Feuchtewerte eines typischen VO2/V2O5-FET-Sensors auf dem Chip gegen Gate-Spannung und (b) ein Zoom der Linienformen bei niedrigerer Feuchte. Sowohl in (a) als auch (b) findet sich ein charakteristisches optimales Ansprechen auf Feuchte bei einer kritischen Gate-Spannung von 8 V, unabhängig vom Feuchtewert, (c) ein Ansprechen auf verschiedene Feuchtewerte eines der acht CNT-FET-Sensoren gegen Gate-Spannung. In diesem Fall spricht der CNT bei einer kritischen Spannung von 3 V optimal auf Feuchte an. In (d) ist das Ansprechen eines der acht VO2/V2O5-FET-Sensoren sowohl auf Feuchte als auch Acetondampf gezeigt. Aceton zeigt unabhängig von seinem Wert bei VGS = –5 V eine Spitze, wogegen Feuchte unabhängig von ihrer Intensität bei VGS = 8 eine Spitze zeigt.
17(I) zeigt eine Baumdarstellung aller Transistoren und hebt hervor, wo in dieser Baumdarstellung die vorliegende Erfindung angesiedelt ist, (II) einige charakteristische Strom-Spannungs-Kennwerte der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Transistoren. (III) Schematische Explosionsdarstellungen, die (a) eine herkömmliche Heizplatte unter einer verschränkten Plattform, auf die die Erfassungsmaterialien gesetzt sind, (b) einen herkömmlichen Gas-FET, der eine hinzugefügte Gate-Elektrode und unseren vorliegenden heizerlose Gas-FET zeigt, zeigen. Zu beachten sind die Schwierigkeit und die vielen Prozesse beim Konstruieren und Implementieren der schematischen Darstellung (b). Unsere vorliegende Konstruktion in (c) ergibt aber nicht nur neue FET-Eigenschaften, sondern ist auch eine einfacher zu implementierende Konstruktion und es ist auch einfacher als bei dem herkömmlichen Gas-FET in (b), das aktive Erfassungsmaterial einzubringen.
Anhang A

[1] Bonex Mwakikunga, Sarah Motshekga, Lucky Sikhwivhilu, Mathew Moodley, Gerald Malgas, Manfred Scriba, Suprakas Sinha-Ray, A classification and ranking system on H2 gas sensing capabilities of nano-materials based on proposed coefficients of sensor performance and sensor efficiency equations, Sensors & Actuators B 184 (2013) 170–178
[2] Chao Li, Daihua Zhang, Xiaolei Liu, Song Han, Tao Tang, Jie Han, and Chongwu Zhou, In2O3 nanowires as chemical sensors, Applied Physic Letters 82 (2003) 1613–1615
[3] Daihua Zhang, Zuqin Liu, Chao Li, Tao Tang, Xiaolei Liu, Song Han, Bo Lei, and Chongwu Zhou, ”Detection of NO2 down to ppb Levels Using Individual and Multiple In2O3 Nanowire Devices, NANO LETTERS 2004, Band 4, Nr. 10 1919–1924
[4] Arash Dehzangi, A Makarimi Abdullah, Farhad Larki, Sabar D Hutagalung, Elias B Saion, Mohd N Hamidon, Jumiah Hassan and Yadollah Gharayebi, Electrical property comparison and charge transmission in p-type double gate and single gate junctionless accumulation transistor fabricated by AFM nanolithography, Nanoscale Research Letters 2012, 7: 381
[5] Farhad Larki, Arash Dehzangi, E. B. Saion, Sabar D. Hutagalung, A. Makarimi Abdullah, M. N. Hamidon, Study of carrier velocity of lateral gate p-type silicon nanowire transistor (PSNWT), Solid State Science and Technology Letter, Band 17 Nr. 1 (2012)
[6] Farhad Larki, Sabar D. Hutagalung, Arash Dehzangi, E. B. Saion, Alam Abedini, A. Makarimi Abdullah, M. N. Hamidon, Jumiah Hassan, Electronic Transport Properties of Junctionless Lateral Gate Silicon Nanowire Transistor Fabricated by Atomic Force Microscope Nanolithography, Microelectronics and Solid State Electronics 2012, 1(1): 15–20
[7] J. Martinez, R. V. Martinez, and R. Garcia, Silicon Nanowire Transistors with a Channel Width of 4 nm Fabricated by Atomic Force Microscope Nanolithography, NANO LETTERS 2008 Band 8, Nr. 11 3636–3639
[8] Bonex Mwakikunga, Suprakas Sihna Ray, Malose Mokwena, John Dewar, Irina Giebelhaus, Trilok Singh, Thomas Fischer, Sanjay Mathur, Tin dioxide nano-wire device for sensing kinetics of acetone and ethanol towards diabetes monitoring, IEEE Sensors Xplore 2013
[9] Bonex Mwakikunga, Suprakas Sihna Ray, Malose Mokwena, John Dewar, Irina Giebelhaus, Trilok Singh, Thomas Fischer, Sanjay Mathur, IEEE Sensors Journal (2014)
[10] Heng Yuan, Bo Wang, Se-Hyuk Yeom, Dae-Hyuk Kwon, Shin-Won Kang, Room temperature benzene gas detection using gated lateral BJT with assembled solvatochromic dye, IMCS 2012 – The 14th International Meeting on Chemical Sensors.

Claims

Feldeffekttransistor, umfassend: eine Source, die mehrere Elektrodenvorsprünge mit Räumen dazwischen umfasst; einen Drain, der mehrere Elektrodenvorsprünge umfasst, die sich jeweils in einem der Räume zwischen den Elektrodenvorsprüngen der Source befinden, wodurch eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche mit abwechselnden Drain- und Source-Vorsprüngen gebildet wird; ein Gate, das von der Drain-Source-Elektrodenfläche beabstandet ist, wodurch zwischen dem Gate und der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche ein Kanal gebildet wird, wobei das Gate parallel zu dem Kanal verläuft; und mehrere Nanostrukturen, die sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche befinden, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenvorsprüngen des Drain und der Source in der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche zu bilden.
Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, wobei sich Drain, Source und Gate in der gleichen Ebene befinden.
Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrodenvorsprünge des Drain von länglicher Form und an oder nahe einem ihrer Enden verbunden sind.
Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenvorsprünge der Source von länglicher Form und an oder nahe einem ihrer Enden verbunden sind.
Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Nanostrukturen, die sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche befinden, willkürlich auf der Drain-Source-Elektrodenfläche positioniert sind.
Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche in etwa 90 Mikrometer mal 90 Mikrometer groß ist.
Gasdetektor, der mehrere auf einem Substrat befindliche Feldeffekttransistoren umfasst, wobei jeder der Feldeffekttransistoren umfasst: eine Source, die mehrere Elektrodenvorsprünge mit Räumen dazwischen umfasst; einen Drain, der mehrere Elektrodenvorsprünge umfasst, die sich jeweils in einem der Räume zwischen den Elektrodenvorsprüngen der Source befinden, wodurch eine Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche mit abwechselnden Drain- und Source-Vorsprüngen gebildet wird; ein Gate, das von der Drain-Source-Elektrodenfläche beabstandet ist, wodurch zwischen dem Gate und der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche ein Kanal gebildet wird, wobei das Gate parallel zu dem Kanal verläuft; und mehrere Nanostrukturen, die sich in der Drain-Source-Elektrodenfläche befinden, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenvorsprüngen des Drain und der Source in der Drain-Source-Elektrodenverbindungsfläche zu bilden.
Gasdetektor nach Anspruch 7, welcher acht auf einem Substrat befindliche Feldeffekttransistoren umfasst.
Gasdetektor nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Gasdetektor einen Prozessor zum Empfangen von Signalen von jedem der Feldeffekttransistoren und zum Verarbeiten der Signale umfasst, um das Vorhandensein eines oder mehrerer Gase zu ermitteln.