Principe des transistors

Les transistors envisagés dans ce travail sont de type MOSFET (Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor). Schématiquement, un transistor à effet de champ (Field Effect Transistor)178 est un dispositif composé d’un semi-conducteur de type P

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ou N déposé sur un isolant, et de trois électrodes : la source et le drain qui sont directement en contact avec le semi-conducteur, et la grille qui est en contact avec l’isolant (Figure 3-18). La terminologie « type P » ou « type N » vient de la physique du solide, en l’occurrence celle du silicium, et fait référence respectivement au silicium dopé p (un atome de bore introduit dans le réseau cristallin du silicium entrainant une lacune électronique) et au silicium dopé n (un atome de phosphore introduit dans le réseau cristallin du silicium entrainant un excès d’électron). Lorsque le semi-conducteur est de type p, l’application d’une tension négative entre la source et la grille conduit à une polarisation négative de la grille qui va entrainer une accumulation de porteur de charges positives à l’interface semi-conducteur/isolant. Cette accumulation de charge conduit à un canal (de charge) dit « ouvert » qui permet ainsi la mesure d’un courant entre la source et le drain lorsqu’une différence de potentiel est appliquée entre ces deux électrodes. Avec un semi-conducteur de type n, la tension source-grille sera alors positive afin d’avoir une grille positive qui entrainera une accumulation de porteurs de charge négative à l’interface semi-conducteur/isolant. En d’autres termes, et de façon simplifiée, un transistor est un système ON/OFF dont le rôle d’interrupteur est lié à l’état chargé ou pas du canal.

Figure 3-18. Schéma simplifié d’un transistor à effet de champ179.

Toutes modifications du canal, c'est-à-dire de ses capacités à accumuler des charges à l’interface semi-conducteur/isolant lors de son ouverture conduit à une modification de l’intensité mesurée entre la source et le drain lors de l’application d’une différence de potentiel source-drain. C’est ce raisonnement, liée à la richesse de la synthèse organique pour fonctionnaliser finement les semi-conducteurs organiques, qui a conduit au développement des OFETs (Organic Field Effect Transistors) avec pour objectif d’aller vers des transistors dit « tout plastique » pouvant concurrencer les MOSFET basés sur le silicium ou le germanium.180–182 Parallèlement, le domaine des capteurs s’est intéressé aux OFETs notamment en modifiant le semi-conducteur de

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façon à ce qu’il soit sensible à un stimulus. Dans ce cas, il est possible d’enregistrer une courbe courant-tension de drain sans et avec stimulus, la comparaison des deux permettant alors la détection du stimulus. Dans cet objectif, le semi-conducteur a été remplacé ou modifié par une enzyme (ENFET : Enzymatic Field Effect Transistors)183–186, par une membrane sensible aux ions (ISFET : Ion Sensitive Field Effect Transistors)187 ou encore par un système chimique (ChemFET : Chemical Field Effect Transistors)188,189.

Dans le cadre de ce travail de thèse, c’est un transistor de type OECT (organic electrochemical transistor) rapporté pour la première fois par H.S.White et al. qui a été envisagé190. Ce transistor est constitué comme précédemment d'une source, d'un drain et d'une grille. La différence par rapport aux dispositifs ci-dessus réside dans le canal qui relie la source et le drain, qui est constitué de polyéthylène dioxythiophène/polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS), donc constamment ouvert puisque le PEDOT est à l’état dopé dans le système PEDOT:PSS. Dans ce système, le PEDOT, qui est un polymère conducteur d’électricité, est constamment à l’état dopé, c’est-à-dire porteur de charge positive, son contre-ion étant le PSS. L’intérêt d’un tel système réside dans la possibilité de le mettre en contact avec un électrolyte aqueux, un gel ou un solide (Figure 3-19).

Figure 3-19. Transistor de type OECT (a) et structure du poly

(3,4-éthylènedioxythiophène) ou PEDOT et du poly (styrène sulfonate) de sodium ou PSS (illustration aimablement fournie par le département BEL).

Le principe de fonctionnement de l’OECT est basé sur la migration d’ions de l’électrolyte dans le PEDOT:PSS ou vice-versa entrainant de ce fait la modification de la conductivité du canal, modulant ainsi le courant de drain. Le volume entier du

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canal est concerné par ces entrées ou sorties d’ions, ce qui conduit à une très grande sensibilité des OECTs, qui se traduit par des modulations des courbes courant-tension de drain vis-à-vis de l’environnement. A titre d’exemple, Z.Iskierko et al. ont décrit un transistor à effet de champ, de type OECT, dont le canal est basé sur des films de polymères conducteurs à empreintes moléculaires pour la détection sélective de l’inosine, qui est un biomarqueur du disfonctionnement rénal191. Les mesures de détection ont été effectuées en suivant le courant du drain en fonction de la tension de drain (à différentes tension), avant/après ajout de la cible (Figure 3-20). Dans cet exemple, le courant du drain augmente en fonction de la tension source-drain appliquée (Figure 14a). En faisant des mesures à une tension fixe (Figure 14b), ces auteurs ont observé une diminution du courant du drain après l’ajout de l’inosine, avec des limites de détection de 0,62±0,01 µM.

Figure 3-20. Courant de drain en fonction de la tension de drain du capteur MIP-inosine -FET pour (a) les différentes tensions de grille appliquées et (b) avant et après addition de 50 mM d’inosine pour une tension de grille appliquée de 1,5 V191. Dans le cadre de ce travail, l’objectif était la préparation d’OECT avec des MIPs incorporés ou fixés sur la grille pour ensuite étudier la variation du courant source-drain pour une différence de potentiel donnée selon la présence ou pas du BPA. L’intégration d’e-MIP-Fc implique donc de fixer les e-MIPs dans le dispositif, et de maintenir l’interaction e-MIP-Fc/BPA et la conductivité du canal.

Le design de l’OECT utilisé dans ce travail est présenté à la Figure 3-21. Le canal en PEDOT:PSS représenté en vert sur le schéma est plus grand que la taille des

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électrodes afin d’avoir une grande sensibilité. L’objectif est de déposer les e-MIP-Fc sur la grille. Après application d’une tension de grille, le comportement des ions présents en solution sur le canal en PEDOT:PSS pourra être différent selon la présence de BPA ou pas. L’idée est que la présence de BPA limite le nombre de groupements ferrocényles oxydés, limitant de ce fait l’impact sur le système PEDOT:PSS. La première problématique a donc été de fixer les e-MIP-Fc sur la grille, et surtout d’identifier le bon protocole pour réaliser cette étape.

Figure 3-21. Design de l’OECT utilisé dans ce travail de thèse.