[Geben Sie hier die Überschrift ein] - MPC

MPC-WORKSHOP JULI 2012
Entwicklung einer CMOS Pixelzelle
zur Charakterisierung von
Peptid-basierten Fotodioden
Zusammenfassung—Im Rahmen des von der Europäischen
Union geförderten Projekts „Peptidebased
diodes for solar cells“ sollen eine große Anzahl
verschiedener Peptid-Strukturen mit Hilfe
eines Chips hinsichtlich ihrer Eigenschaften als
Diode charakterisiert werden [1]. Um möglichst
viele unterschiedliche Peptide untersuchen zu können,
muss die Möglichkeit bestehen, die Messungen
zu parallelisieren. Hierzu wird eine Matrix-
Anordnung der Sensoren verwendet. Für den geeignetsten
Lösungsansatz wird eine vollständige
Schaltung sowie ein entsprechendes Layout vorgestellt.
Schlüsselwörter—CMOS, Peptid, Diode, Strommessung,
Operationsverstärker.
I. GRUNDLAGEN
Um eine Solarzelle zu erzeugen, bei der die Energieumwandlung
genauso effizient vonstattengeht wie bei
der pflanzlichen Photosynthese, sollten sich die Elektronen
über sehr kurze Distanzen durch hochgeordnete
Strukturen ohne Haftstellen bewegen. Angeregt durch
dieses Prinzip sollen am Karlsruher Institut für Technologie
(KIT) viele verschiedene hochgeordnete Peptidstrukturen
(organische Verbindung aus mehreren
Aminosäuren [2]) erzeugt und auf ihre Funktionstüchtigkeit
als Diode untersucht werden. Verbunden mit
lichtempfindlichen organischen Bausteinen soll ei-ne
neuartige Solarzelle entstehen, die auf biologisch
inspirierten Prinzipien basiert, sehr effizient arbeitet
und kostengünstig herzustellen ist. [1]
Um diese Dioden herzustellen, werden verschiedene
Peptid-Bausteine kombiniert. Anschließend wird die
Richtungsabhängigkeit der Elektronenleitfähigkeit
untersucht, um zu ermitteln, welche Peptidstrukturen
eine Diodenfunktion aufweisen. Kernstück ist dabei
ein Elektronen-tunnelnder Baustein (in Abbildung 1
grün dargestellt). Wird dieser durch lichterntende oder
–aussendende Bausteine ergänzt, können auch peptidbasierte
Fotodioden bzw. LEDs gebaut werden [3] -
[5].
Daniel Seiz; daniel.seiz@gmx.de;
Universität Stuttgart; Postfach 80 11 40; 70550 Stuttgart.
Dr. Harald Richter; richter@ims-chips.de;
IMS Chips; Allmandring 30a; 70569 Stuttgart.
Daniel Seiz, Harald Richter
Abbildung 1: Messeinrichtung.
II. ENTWICKLUNG DER SCHALTUNG
Um die Peptidstrukturen auf ihre Eigenschaften zu
untersuchen, werden 10.000 Peptide, die nach einem
am KIT entwickelten Verfahren synthetisiert werden,
in Array-Form auf eine 1 cm² große Chipfläche mit
Gold-Pads in einer Matrix-Struktur von 100 x 100
Elektroden aufgebracht. Die auf dem Chip befindlichen
Gold-Pads stellen die eine Elektrode dar; die
andere wird durch ein Elektrolyt angebunden. Mithilfe
des Chips sollen nun die verschiedenen Peptid-
Strukturen auf ihre Eigenschaften als Dioden untersucht
werden. Hierzu soll es möglich sein, den Dioden
eine positive oder negative Vorspannung aufzuprägen
und dann den Diodenstrom zu messen. Weiter soll es
auch möglich sein, die Veränderungen der jeweiligen
Kennlinien unter Lichteinfluss zu erfassen. Abbildung
1 zeigt den vereinfachten Aufbau der Messeinrichtung
mit dem Messchip, der Gegenelektrode sowie der
Spannungsquelle zur Erzeugung der Vorspannung. [6]
Um die einzelnen Peptide charakterisieren zu können,
muss auf dem Chip eine individuelle Messung für jedes
einzelne Array-Element möglich sein. Hierzu wird
eine Struktur verwendet, bei dem für jedes Pixel ein
individueller Wert gemessen werden kann. Die Pixelschaltung
muss entsprechend so ausgelegt werden,
dass die o.g. Anforderungen erfüllt werden können.
Realisiert wird die Schaltung in einem am IMS Stuttgart
verfügbaren 0,5 µm CMOS Prozess.
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