O ISFET foi desenvolvido por Bergveld em 1970 (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012), esse dispositivo assemelha-se ao MOSFET, porém, no ISFET não se tem o metal de porta, como visto na Figura 2.8A e B, nesta há a comparação da estrutura do MOSFET (Figura 2.8A) com a do ISFET (Figura 2.8B). A solução a ser analisada (analito) é colocada em contato com um filme íon-sensitivo, que é o dielétrico de porta do transistor de efeito de campo. Assim, a solução, por sua vez, funciona como o eletrodo de porta do transistor, alterando tanto o potencial elétrico na interface solução/filme como a carga espacial no canal de silício entre os terminais de fonte e dreno do transistor (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012). Para aplicar uma tensão à porta do transistor, utiliza-se um eletrodo de referência externo em contato com a solução, que por sua vez está em contato com o dielétrico, como visto na Figura 1.1A. Vale salientar que nessa tese o eletrodo de referência será integrado ao ISFET e não externo, tal como mostra a Figura 2.8B. No ISFET, o eletrodo superior de porta é substituído por uma solução e o eletrodo de referência, geralmente formado pela estrutura prata/cloreto de prata (Ag/AgCl), é externo (BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012).
Figura 2.8: A) Transistor MOSFET; B) Transistor ISFET, ambos com o canal induzido tipo n (nMOS), utilizando-se lâminas de silício tipo p e o dielétrico de porta de TiO2.
Uma vez que, como a região de porta do ISFET é o capacitor EIS, a solução em análise fica em contato com o óxido (dielétrico) de porta e, para seu funcionamento, deve- se levar em consideração o modelo de ligações aos sítios, conforme explicado anteriormente nesse capítulo. Para o caso do ISFET, soluções com diferentes valores de pH alteram a carga na superfície do dielétrico, causando um deslocando no valor da tensão de limiar (VT) de condução do transistor, já que esse parâmetro é proporcional ao valor
da concentração de íons na solução. A partir do deslocamento do VT para cada valor de
pH é possível determinar a sensibilidade do dispositivo (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012). Portanto, para determinar VT deve-se levar em consideração o
potencial do eletrodo de referência (EREF), o potencial de dipolo da superfície da solução
(χsol) e o potencial da interface eletrólito/isolante (φ), sendo que o cálculo para
determinar VT passa a ser o da Equação 2 (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA,
2012):
𝑉𝑇 = 𝐸𝑅𝐸𝐹− φ + χ𝑠𝑜𝑙−W𝑆𝑖
𝑞 − 𝑄𝑖+𝑄𝑆𝑆
𝐶𝑂𝑋 + 2𝜙𝑓 Equação 2
Como VFB da Equação 1 (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012) é:
VFB = E𝑅𝐸𝐹− φ + χsol−Wsi q − Qi + Qss Cox então 𝑉𝑇 = 𝑉𝐹𝐵+ 2𝜙𝑓
Onde, Eref, o potencial do eletrodo de referência; φ, o potencial de interface
eletrólito/isolante; 𝜒sol, o potencial de dipolo da superfície da solução; W
S, a função
trabalho do substrato de silício; q, a carga do elétron; Qi, a carga fixa no óxido; Qss, a
densidade de estados da interface óxido/silício; Cox, a capacitância de porta e Φf o
potencial de Fermi, que trata da diferença entre os níveis de Fermi intrínseco e extrínseco (dopado) do substrato semicondutor, que por sua vez depende da dopagem da lâmina.
A variação φ em função do pH é dada pela Equação 3 (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012):
𝛿𝜑
𝛿𝑝𝐻 = −2.3 𝑘𝑇
𝑞 𝛼 Equação 3
Onde, α é definido pela Equação 4 (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012):
α = 1
( 2.3kTCdifq2β int
A Equação 4 permite determinar o α, fator este importante para o desenvolvimento do ISFET, pois o termo α, que pode variar de 0 a 1, está relacionado à sensibilidade do dispositivo. Esse termo depende da solução em análise, que deve ser renovável do tipo tampão com pH constante (buffer) (βint ). Essa solução deve ter a
capacidade intrínseca de fornecer carga, que por sua vez está relacionada à habilidade da superfície do óxido (membrana sensitiva) em formar ligações de hidrogênio. Já o termo Cdif é a capacitância de dupla camada, que é formada por duas regiões na solução: (i) a
que está em contato com o dielétrico de porta (membrana sensitiva); e (ii) a que está mais distante do dielétrico e não faz contato com o óxido (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012). Pode-se notar pela Equação 2 que o único parâmetro que varia é
φ, que está relacionado com a variação do pH da solução, já que os demais parâmetros
são constantes. Ou seja, variando o valor do pH da solução gera uma alteração no valor de φ, que por sua vez faz o valor de VT variar. A partir desse deslocamento do VT é
possível extrair a sensibilidade do dispositivo em tensão.
Utilizando-se a curva IDS x VGS (Figura 2.9A), sendo IDS a corrente entre
dreno (D - Drain) e fonte (S - Source) e VGS a tensão entre porta (G - Gate) e fonte (S -
Source), extraídas do ISFET, é possível obter os valores de VT para cada solução testada
com diferentes valores de pH (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012). Com os valores de VT extraídos monta-se a curva VT x pH, e a partir desta curva é possível
determinar a sensibilidade do dispositivo em mV/pH, como mostra a Figura 2.9B. A literatura descreve que o valor limite de α é 1, tendo como valor máximo de sensibilidade em tensão de 59 mV/pH, conhecido como limite de Nernst (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012); porém, pode-se notar pela Equação 0.4 que óxidos (membrana sensitiva), que apresentam uma elevada capacidade de formar ligações de hidrogênio, podem aumentar o valor da sensibilidade. Sendo assim, a escolha do óxido que será utilizado no dispositivo é fundamental para obter a máxima sensibilidade (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012).
Figura 2.9: A) Curva IDS x VGS, variando os valores de pH (4, 7 e 10); B) Curva VT x pH para os valores de VT extraídos da curva IDS x VGS variando os valores de pH (4, 7 e 10).
Outro método de determinar a sensibilidade do ISFET é utilizando a curva de IDS x VDS com VGS fixo. Como foi explicado anteriormente, seção 2.3, o transistor MOS
pode operar na região de tríodo e na região de saturação e o mesmo vale para o ISFET; na região de saturação pode-se determinar o valor de IDS utilizando a Equação 5
(MARTINO, 2003). 𝐼𝐷𝑆 =𝜇𝑁 .𝜀𝑂𝑋 𝑡𝑂𝑋 ( 𝑊 𝐿) (𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑇)2 2 Equação 5
Onde µN a mobilidade de portadores (elétrons) no canal de condução entre
fonte e derno; εOX é a permissividade do óxido de porta (TiO2); tOX é a espessura do óxido
de porta (TiO2); W é o comprimento e o L é a largura da região de porta; VGS é a tensão
entre porta e fonte e VT é a tensão limiar de condução do transistor (MANERA, 2002;
MARTINO, 2003).
Como foi discutido anteriormente, cada solução de pH gera um valor específico de VT e pela Equação 0.5 pode-se notar que, consequentemente, cada valor de
VT vai gerar um valor correspondente de IDS,para um valor fixo de VDS, como indicada
na 41Figura 2.10A (linha verde). Essa figura apresenta as curvas IDS x VDS para valores
de pH de diferentes soluções. Note que o valor de VGS é a tensão aplicada no eletrodo de
referência e é o mesmo para todas as medidas com soluções de diferentes pHs. A partir dessas curvas, é possível obter a curva IDS x pH e extrair a sensibilidade em corrente do
dispositivo, com unidade em µA/pH, como mostra a Figura 2.10B (BARROS, 2013; BERGVELD, 2002; SOUZA, 2012).
Figura 2.10: A) Curva IDS x VDS, com VGS fixo e variando os valores de pH (4, 7 e 10); B) Curva IDS x pH, valores de IDS extraídos da curva A.