le-capteur-chimique-isfet

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République algérienne démocratique et populaire
Université CONSTANTINE 1
Faculté des Sciences de l’Ingénieur
Département d’Electronique
M2 : Electronique biomédicale
Le capteur ISFET
Préparé par :
MESKALDJI SEIF EDDINE
Année Universitaire :2013/2014

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SOMMAIRE :
1. Les biocapteurs
2.Les transducteurs
3.La structure MOSFET
4.LE CAPTEUR CHIMIQUE ISFET
4.1. Définition de L’ISFET
4.2.Principe de fonctionnement
4.3.Système de mesure du capteur ISFET
4.3.1Mesure simple
4.3.1.1Mesure de ID à VD et VG constantes
4.3.1.2Mesure de VG à ID et VD constants
4.3.1.3Mesure de VS à VD et ID constants
4.3.2. Système de mesure différentielle
4.4 Détermination du potentiel chimique ψ
4.4.1 principe de mesure du potentiel chimique
5. Interface Electrolyte/Isolant/Silicium (EIS)
6. Utilisation des ISFETs dans le cadre de l’hémodialyse.
6.1 Détection des ions sodium et potassium
6.2 Détection de l’urée et de la créatinine
7 conclusion

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1. Les biocapteurs
Un biocapteur est un dispositif analytique conçu pour transformer un
phénomène biochimique en un signal mesurable. Il combine un
composant biologique appelé "biorécepteur" et un "transducteur"
représentant le mode de détection.
2. Les transducteurs :
Le transducteur est l’élément physique qui sert à exploiter la
modification biochimique issue d’une interaction entre un analyte et le
biorécepteur pour la transformer en signal électrique. Le type de
transducteur sera choisi en fonction des modifications biochimiques se
produisant au niveau du biorécepteur. Cette adéquation entre le
transducteur et l’élément biologique permettra d’obtenir un signal
sensible, facilement exploitable et avec un minimum de bruit de fond.
Plus le bruit de fond sera faible, plus il assurera un seuil de détection bas
et améliorera les performances du biocapteur .
3. La structure MOSFET :
Le transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) consiste en un substrat semi-conducteur sur lequel repose
une fine couche d’oxyde isolant (SiO2), d’épaisseur tox . Une couche
conductrice (métal ou polysilicium fortement dopé) appelée électrode de
grille est aussi déposée sur l’oxyde. Enfin, deux régions fortement dopées
de profondeurs Xj, appelées source et drain, sont formées dans le
substrat de part et d’autre de la grille (figure 1).
La tension appliquée sur l’électrode de grille fait varier la conductance
entre les deux régions source-drain ce qui fait varier le courant dans le
canal situé en dessous. La source et le substrat dans le circuit
électronique sont portés au même potentiel, en générale la masse.

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Selon la valeur de la tension de grille VG on peut définir plusieurs zones
de fonctionnement :
1) VG=0 le canal est saturé en porteurs majoritaires, les trous. Aucun
courant ne peut circuler entre la source et le drain
2) 0 < VG<VT(VT = tension de seuil)
– les trous sont repoussés vers le substrat.
C’est le régime de déplétion. Aucun courant ne peut circuler dans le canal
entre la source et le drain.
3) VG>VT -les trous du substrat dans le canal seront repoussés pour
laisser la place aux porteurs minoritaires, les électrons. Si maintenant le
drain est porté à un potentiel VD supérieur à la source, alors les électrons
s’écoulent de la source vers le drain en créant un courant de drain ID.
La tension de seuil, VT, est donnée par formule.
Selon VD, on distingue deux régimes de fonctionnement :
1) VD<VG – VT
– le régime est dit linéaire, le courant de drain est donné par la
formule :
où μ représentent la mobilité des électrons dans le canal, Cox la capacité
de l’isolant, W et L la largeur et la longueur du canal respectivement.
Puis, au fur à mesure que la tension de drain augmente, la densité des
électrons dans la couche d’inversion diminue, l’épaisseur de la couche
d’inversion se réduit à zéro, et la conductivité du canal va jusqu’à

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s’annuler au voisinage du drain. On parle de pincement (Pinch-off) du
canal au niveau du drain .Dans ce cas, la tension de drain VD = VG-VT.
La tension de drain et le courant de drain sont donc appelés tension de
saturation et courant de saturation, respectivement .
2) VD>VG-VT
- lorsque la tension de drain augmente au-delà de la tension de
saturation (VD>VG-VT), le point de pincement se déplace vers la source
et le courant de drain reste quasiment constant. Dans cette région, on est
en régime dit de saturation, et l’expression du courant de drain est
donnée par la formule :
où μn est la mobilité moyenne des électrons dans le canal.
La figure présente d’une façon différente la relation courant de drain-
tension de grille. Lorsque la tension de grille est très petite par rapport à
VD (VD>VG-VT), le courant de drain se situe dans la zone saturée. Puis,
une augmentation de la tension de grille fait que le courant de drain
devient linéaire (VD<VG-VT).
Nous observons une dérive de la linéarité pour une forte tension de grille
VG. Celleci proviendrait d’une part de la modification de la mobilité des
électrons dans le canal sous l’action d’un champ électrique important à la
surface du semiconducteur et d’autre part, une partie de la tension de
drain appliquée ne se retrouve pas totalement aux bornes du canal, mais
serait perdue aux bornes des résistances séries de la source et du drain.