Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

Bei p-Silicium sind die Majoritätsträger positive Löcher, während Elektronen als
Ladungsträger nur in untergeordnetem Maß vorkommen. Die Ladungsträgerkonzentration
im Silicium ist von der an der Elektrode anliegenden Spannung abhängig. Ist die an der
Elektrode anliegende Spannung negativ, so werden sich die positiven Löcher auf Grund der
elektrostatischen Anziehung an der Oxidschicht sammeln. Ein Ladungsdurchtritt wird nicht
stattfinden, da SiO2 ein Isolator ist. Interessanter wird es jedoch, wenn eine positive
Spannung an der Elektrode anliegt. Zunächst werden die positiven Löcher von der
Isolatorschicht abgedrängt, bei zunehmender Spannung bildet sich direkt an der
Isolatorschicht ein Inversionskanal aus, in dem entgegen dem Normalzustand Elektronen
die Majoritätsträger sind.
Quelle: http://www.anc.univie.ac.at/deutsch/sensor/chemosensoren/transducer.html
Der Feldeffekttransistor besteht nun aus einem npn-Transistor (in der Abbildung zwischen
Source und Drain), in dessen p-Bereich durch Anlegen einer Spannung an den Gate-
Anschluss ein Inversionskanal erzeugt wird. Über die verschiedenen Arbeitsbereiche des
Feldeffekttransistors soll hier nicht eingegangen werden. Erwähnt sei lediglich, dass es
einen Arbeitsbereich gibt, bei der der Strom zwischen Source und Drain stark von der
Gate-Spannung abhängt und wenig von der Spannung zwischen Source und Drain. Dieser
Bereich kann für sensorische Zwecke verwendet werden.
Ein einfacher Chemosensor auf Basis des Feldeffekttransistors wird zur Detektion von
Wasserstoff verwendet. Hier besteht die Gate-Elektrode aus Palladium. Wasserstoff wird
an der Oberfläche der Elektrode dissoziiert, die einzelnen Atome diffundieren durch das
Edelmetall an die Grenzfläche Metall-SiO2. An der Grenzfläche kommt es durch das
anliegende elektrische Feld zur Ladungverschiebung in der Elektronenhülle der
Wasserstoffatome, wodurch sich Dipole ausbilden. Diese Dipole verändern wiederum das
elektrische Feld, so dass der Source-Drain Strom beeinflusst wird. Die Änderung des
Source-Drain Stroms bei konstanten anliegenden Spannungen ist daher ein Maß für die
Konzentration von Wasserstoff in der umliegenden Luft.
Der Feldeffekttransistor lässt sich auch in Lösung einsetzen. Dabei wird üblicherweise die
Gate-Elektrode durch eine sensitive Schicht ersetzt. Messbar sind alle Effekte, die eine
Änderung des elektrischen Feldes in der Schicht bewirken. Daher eignen sich solche
Sensoren am besten zur Detektion von Ionen. Indem man Schichten aufbringt, die nur
bestimmte Ionen einlagern können, z.B. Kronenether oder Valinomycin für K + erhält man
ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs). Durch Vorschalten von Enzymreaktionen
vor z.B. einen pH-sensitiven Feldeffekttransistor erhält man wieder das Grundmuster für
einen Biosensor.
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