CHƢƠNG III : KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƢỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC
3.2 Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si
Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Si sau khi chế tạo sẽ đƣợc kiểm tra tính chất điện bằng hệ phân tích các thơng số bán dẫn Aligent 4155C- với sự hỗ trợ phần mềm Agilent Desktop EasyEXPERT phiên bản do công ty Agilent Technologies
[ ] cung cấp. Hệ đo đặc trƣng điện Aligent 4155C có bốn đầu cấp nguồn SMU1, SMU2, SMU3, SMU4 (source mesurement unit). Hình ảnh hệ đo tính chất điện chun dụng nói trên đƣợc trình bày trong Hình 3.5.
Hình 3.5: Hệ thiết bị khảo sát tính chất điện Agilent – Probe Station (a); Thiết bị khảo sát tính chất điện (b) và đế giữ chíp (c).
3.2.1 Đặc trƣng I – V
Trong phép đo này SMU1 đƣợc nối với điện cực common là điện cực nguồn của Si NW FET, các SMU còn lại đƣợc nối với các cực máng.
Phép kiểm tra đƣợc tiến hành cho FET sợi Si với kênh dẫn 1 sợi. Khảo sát sự thay đổi dòng điện Ids theo sự biến biên thiên của hiệu điện thế giữa cực máng và cực nguồn Vds thay đổi từ -200 mV đến 200 mV. Điện trở của transitor có kênh dẫn là một sợi Silic trung bình là 850 kΩ.
Đối với FET sợi Si kênh dẫn là 4 sợi Si, khảo sát sự thay đổi dòng điện điện Ids theo sự biến biên thiên của hiệu điện thế giữa cực máng và cực nguồn Vds thay đổi từ - 1V đến 1V. Điện trở của transitor có kênh dẫn là bốn sợi Silic trung bình là 2 MΩ.
Hình 3.6: Đặc trưng I-V cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là một sợi Si khi khơng có điện thế biasing (Vg= 0). Đặc trưng tuyến tính thu được thể hiện tiếp xúc Ohmic giữa sợi Si và đường dẫn kim loại Pt/Ti.
Hình 3.7: Đặc trưng I-V cảm biến Si NW FET với kênh dẫn là bốn sợi Si khi khơng có điện thế biasing (Vg= 0).
Đặc trƣng I-V của cảm biến transitor hiệu ứng trƣờng sợi Si thể hiện đặc tính truyền dẫn của transitor. Sự phụ thuộc của cƣờng độ dòng của sợi Silic ở ngõ ra phụ thuộc vào hiệu điện thế Vds đặt vào hai cực nguồn và cực máng của transitor. Sự phụ thuộc tuyến tính của Ids vào Vds và đối xứng qua gốc tọa độ ứng với giá trị Vds thay đổi trong khoảng -1 V – 1 V, chứng tỏ tiếp xúc giữa kim loại Ti/Pt làm điện cực với sợi Si là tiếp xúc thuần trở, ohmic.
Kết quả đó đồng thời cũng chứng tỏ phƣơng pháp chế tạo sợi Si của chúng ta khơng có nhiều sai hỏng, khơng có các bẫy điện tử tại lớp tiếp xúc, khơng có các electron định xứ, khơng có các tạp chất ở lớp tiếp xúc và các lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn có kết nối tốt ở cấp độ ngun tử.
3.2.2 Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias
Kiểm tra tính chất điện của sợi nano có điện thế bias nhằm đánh giá độ nhạy của cảm biến và tìm ra hiệu điện thế tối ƣu cho cảm biến trong quá trình làm việc. Phép do bias thƣc hiện với các hiệu điện thế cổng Vg lần lƣợt từ -5V đến 5V và Vds thay đổi từ 0 đến 2.2V. Sự chênh lệch cƣờng độ dòng điện tƣơng ứng với các Vg khác
nhau tăng dần theo Vds và sự chênh lệch này đạt cực đại tại Vds = 1.7 V sau đó giảm dần khi Vds lớn hơn 1.7 V.
Nguyên nhân khi Vds tăng lên làm cho sự chênh lệch dòng Ids giảm là do hiện tƣợng khi cực D càng lớn nó sinh ra một trƣờng tĩnh điện hút tất cả các electron tập trung về phía mình nên khơng làm tăng cƣờng vùng dẫn điện trong sợi silic nữa. Chính vì thế khi Vds càng lớn thì chúng ta thấy sự khác biệt của dòng Ids tƣơng ứng với các Vg khác nhau thu hẹp dần và tiến đến trùng nhau. Từ đặc điểm này cho thấy rằng vùng làm việc nhạy nhất của cảm biến khi Vds nằm trong khoảng 1.7 V- 1.8 V.
Hình 3.8: Sơ đồ khối mơ tả cách kết nối các điện áp, thông số để đo ảnh hưởng của điện thế Bias đến tính chất điện của sợi Si.
Hình 3.9: Đặc trưng tính chất điện của 1 sợi Si với các điện thế bias khác nhau. Các điện thế bias được thay đổi từ -4 V đến 4 V với bước nhảy 1 V và VDS thay đổi
từ -2 V đến 2 V.
Hình 3.10: Đặc trưng tính chất điện của sợi Si với các điện thế bias khác nhau Cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là loại chứa 4 sợi Si. Các điện thế bias được thay đổi
Đồ thị cho thấy khi Vg càng âm thì dịng điện qua sợi càng tăng thể hiện đúng sợi của chúng ta là sợi Silic bán dẫn loại P. Khi xét ở thang nano Ampere thì với sự thay đổi từ 0 nA đến 3500 nA, tƣơng đƣơng hai bậc khi Vds nhỏ. Chứng tỏ hiệu ứng trƣờng xảy ra mạnh mẽ.
Sự thay đổi của Ids ứng với Vg khác nhau tƣơng tự nhƣ transitor MOSFET truyền thống. Chỉ có điều với MOSFET hiệu ứng này chỉ xảy ra tại mặt tiếp xúc với cực cổng, trong khi sợi Si của chúng ta do có kích thƣớc gần với kích thƣớc nanomet nên hiệu ứng này xảy ra trong tồn sợi vì tỉ lệ diện tích bề mặt so với thể tích S/V của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vật liệu khối. Chính vì thế cảm biến sợi silic có độ nhạy rất lớn so với vật liệu khối.
Hiệu ứng này đƣợc giải thích nhƣ sau:
Khi áp một hiệu điện thế Vg âm lên đế Silic, trong trƣờng hợp này đế silic đóng vai trị là cực cổng, do trƣờng tĩnh điện gây ra từ điện cực cổng, lớp điện môi SiO2 140 nm tiếp xúc với đế bị phân cực: bề mặt tiếp xúc với đế hình thành một lớp điện tích dƣơng, trong khi bề mặt trên tiếp xúc với sợi Silic mang điện tích âm (-), điện tích âm này hút các lỗ trống trong sợi silic về phía mình kết quả làm tăng cƣờng vùng dẫn của sợi nên độ dẫn điện sẽ tăng lên. Nghĩa là ta có thể kiểm sốt dịng điện chạy qua sợi nano Silic bằng cách chỉ cần làm thay đổi thế điện áp vào cực cổng mà không cần làm thay đổi Vds.
Chính đặc điểm này làm cho sợi silic có thể trở thành bộ phận chuyển đổi tín hiệu trong cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc Si Nanowires FET vì độ dẫn điện của nó thay đổi khi nhạy với điện tích bề mặt âm. Cụ thể là khi có một phân tử sinh học bám lên trên sợi sẽ làm dòng điện thay đổi, giống nhƣ dòng điện thay đổi tại một Vds nhất định nào đó ứng với các Vg khác nhau.
Thế nhƣng khi đo phát hiện các mẫu sinh học chúng ta đo trong một thời gian lâu trong vài phút đến vài chục phút, khi đó do chuyển động nhiệt, hiện tƣợng nóng lên của sợi Silic sau một thời gian làm cho dịng điện qua sợi có xu hƣớng ngày càng tăng lên, đặc biệt khi thiết bị đƣợc chọn ở mode đo Vds tƣơng đối lớn.