PSPICE model for silicon nanowire field‐effect transistor biosensors in impedimetric measurement mode
PSPICE model for silicon nanowire field‐effect transistor biosensors in impedimetric measurement mode
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阻抗测量模式下硅纳米线场效应晶体管生物传感器的 PSPICE 模型
DOI：
10.1002/pssa.201200919
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发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
S. Ingebrandt
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
T. C. Nguyen;X. T. Vu;M. Freyler;S. Ingebrandt
在这项工作中，我们演示了硅纳米线 (SiNW) 场效应晶体管 (FET) 生物传感器的行为 PSPICE 模型，该模型适合模拟频域电气测量。该模型分为两个独立的组件：用于栅极输入处液/固界面的电化学部分和模拟 SiNW 特性的 FET 部分。在我们的研究中，FET 模型的参数是从我们研究小组制造的真实器件的表征测量中获得的。使用自行开发的读数系统进行测量。该模型可用于研究溶液电导率以及 SiNW 传感器的漏极和源极电容的影响。我们观察到阻抗谱由低频的低通滤波器域和高频的谐振域组成。在溶液电导率保持恒定的情况下，前者主要受源极电容和器件的氧化物/液体界面的影响，而后者主要受漏极电容的影响。此外，根据溶液电导率与实验数据的关系，我们建议了一个称为溶液代表电阻的值。在这项研究中，该模型与真实光谱进行了比较，我们在模拟和实验之间取得了良好的一致性。我们的模型为 SiNW 传感器的频域测量提供了更清晰的视图，提供了优化 SiNW 设计的可能性，并为未来生物医学分析中包含和解释传感事件奠定了基础。
In this work, we demonstrate a behavioral PSPICE model for silicon nanowire (SiNW) field‐effect transistor (FET) biosensors, which is suitable to simulate frequency domain electrical measurements. The model is divided into two separated components: an electrochemical part for the liquid/solid interface at the gate input and an FET part simulating the SiNW characteristics. In our study, the parameters of the FET model are obtained from characterization measurements of real devices, which are fabricated in our research group. Measurements were performed with a self‐developed readout system. The model can be used to investigate the effects of solution conductivity and the drain and source capacitances of the SiNW sensor. We observed that the impedance spectra consist of a low‐pass filter domain at low frequencies and a resonance domain at higher frequencies. The former is mainly influenced by the source capacitance and the oxide/liquid interface of the devices, whereas the latter is mainly dominated by the drain capacitance, in case that the solution conductivity is kept constant. In addition, based on the relationship of the solution conductivity and the experimental data, we suggest a value called representative resistance of the solution. In this study, the model was compared to real spectra and we achieved good agreement between simulation and experiments. Our model provides a clearer view for frequency domain measurements with SiNW sensors, offers the possibility to optimize our SiNW design and forms the basis to include and explain sensing events in future biomedical assays.
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