《Mental Health & Prevention》：Highly Sensitive Performance Assessment of Extended Source Height Vertical Tunnel Field Effect Transistor pH Sensor
编辑推荐：
基于扩展源高度的垂直隧穿场效应晶体管（ESH V-TFET）设计了一种高灵敏度生物电解质pH传感器，通过SILVACO TCAD模拟优化源高度至30nm时灵敏度达600mV/pH，显著超越传统阈值59mV/pH。
Srinivas Burra | Ankur Beohar
印度博帕尔Vit Bhopal大学SEEE学院
摘要
提出了一种扩展源高度的垂直隧道场效应晶体管（ESH V-TFET），用于检测生物分子的pH值。基于TFET的pH传感器对其基本参数进行了分析，例如TFET腔内的传输机制。该器件采用垂直结构，并具有阶梯栅极配置。源极也延伸到通道中，从两侧与通道重叠。研究了不同源高度（10、20、30纳米）下的ESH V-TFET性能。在源高度为30纳米时，TFET表现出最佳性能。在此最佳高度下，隧穿区域、漏电流、表面电势以及pH传感器的灵敏度均得到提升。所有器件仿真均在SILVACO TCAD软件中进行，考虑了半导体价带和导带的态密度。腔体靠近隧穿结，并位于栅氧层中，以增强生物分子对pH值测量的影响。扩展的源高度不仅增强了隧穿电流，还使得基于TFET的pH传感器电压灵敏度提高到约600 mV/pH，远超传统灵敏度极限（59 mV/pH）。
章节摘录
引言
离子敏感场效应晶体管（ISFET）因其在生物电解质和溶剂离子浓度检测中的应用而受到研究人员的广泛关注[1]-[2]。ISFET已在农业、生物化学、生态学研究和食品加工行业得到广泛应用[3]、[4]、[5]。在pH传感领域也进行了大量研究，这些研究有助于检测化学领域中各种分析物的pH值。
器件结构与仿真参数
所有用于扩展源TFET的模型均已校准，以复现TFET的结果[28]，如图1b所示。
为了研究这种扩展源高度的垂直隧道场效应晶体管（ESH V-TFET）pH传感器，在本工作中使用TCAD软件对其在湿环境中的性能进行了仿真。未掺杂半导体中的离子电解质溶液比例为1:1，该溶液几乎无带隙，介电常数为80（水的介电常数）。仿真中使用的栅氧层厚度为2纳米，材料为HfO2
电解质与pH建模
本征半导体中的态密度Nc和Nv与电解质溶液中的离子和阳离子相关，相关关系见方程9。采用—方法来确定电解质溶液在平衡状态下的摩尔浓度[29][27]。这种分解过程也被称为水的质量作用定律，表述如下：
如果n = p，
此外，为了计算电解质溶液的浓度，可以在不同条件下计算态密度
结果与讨论
进行了全面的二维分析，以评估所提出的V-TFET在电解质pH变化时的性能、电场特性和灵敏度变化，结果如图1所示。
A.随pH值（态密度）变化的漏电流
图2展示了ESH V-TFET pH传感器在不同pH值（1-14）下的传输特性。从pH1到pH14，随着电解质pH值的升高，漏电流也随之增加。当源区域
结论
本研究提出并研究了基于扩展源高度的垂直TFET的pH传感器。
通过观察传感表面的电势变化及其对应的漏电流，可以测量生物电解质的pH值。在TCAD仿真中，使用本征硅作为电解质时，将导带和价带的态密度建模为电解质的离子。从而建立了它们之间的关系
作者贡献声明
Srinivas Burra：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据整理、概念构思。
Ankur Beohar：实验研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢SERB项目TAR/2022/000406提供的财政支持。同时感谢IIT Indore的VLSI电路与纳米器件研究小组以及Bhopal大学的Vellore理工学院在技术上的支持。
