شبيه سازي ناپايداري ولتاژ آستانه (دريفت) در ترانزيستورهاي اثر ميداني حساس به يون (ISFET) با گيتAl2O3و تصحيح به روش كاشت يون

Simulation Threshold Voltage instability (Drift) in Ion selective Field Effect Transistor(ISFET) with Al2O3 Gate and Correct using Ion Implantation

ناپايداري ولتاژ آستانه يا دريفت در يك ترانزيستور اثر ميداني حساس به يون (ISFET) بصورت يك تغيير زماني يكسويه نسبتا كند در ولتاژ آستانه و در نتيجه در جريان درين پديدار مي شود كه در غياب نوسانات غلظت يون داده در محلول رخ مي دهد. در اين مقاله ساختار قطعه ISFET و ناپايداري ولتاژ آستانه بر اساس داده هاي تجربي و با استفاده از يك مدل فيزيكي براي دريفت با نرم افزار سيلواكو شبيه سازي شده است. علاوه بر اين كاشت يوني به عنوان روشي براي خنثي كردن ناپايداري در ISFET معرفي شده است. اين روش مبتني بر تنظيم ولتاژ آستانه از طريق ميزان كردن چگالي بار در لايه واسط نيمه هادي-عايق با استفاده از كاشت يوني است، چنانكه بار الكتريكي خالص القا شده در نيمرسانا تا حد ممكن خنثي شود. روش پيشنهادي بصورت تحليلي توجيه شده و بر اساس مشخصه يابي و مدلسازي فيزيكي دريفت در يكISFET حساس به pH با عايق گيتي از جنس اكسيدآلومينيوم ( Al2O3) تائيد شده است. خنثي سازي دريفت در ISFET با استفاده از كاشت يوني همچنين به كمك شبيه سازيTCADنشان داده شده است.

In an ion-selective field effect transistors (ISFETs) Threshold-voltage instability or drift is manifested as a relatively slow, monotonic, temporal increase in the threshold voltage, and hence, in the drain current in absence of variations in the concentration of the given ion. In this work the ISFET device structure is modeled using Silvaco TCAD allowing simulation of the threshold voltage instability using the Silvaco’s ATLAS software based on a physical model for ISFET drift accounting for experimental drift data. In addition, ion implantation is introduced as a method for counteracting drift. This method is based on adjusting the threshold voltage by tuning the charge density at the insulator-semiconductor interface using ion implantation such that the net charge induced in the semiconductor at the operating point of the device is neutralized. The proposed method is analytically validated based on characterization and modeling of drift in an Al2O3-gate pH-sensitive ISFET. Counteraction of ISFET drift by ion implantation is also demonstrated using TCAD simulations.