[发明专利]用于测量在生物的、化学的或者其他试样处的小的电压和电势的设备和方法

说明书

本发明涉及用于测量在生物的、化学的或者其他试样处的小的电压和电势的设备和方法。所述设备包括至少一个具有源极、漏极和栅极的场效应晶体管，所述栅极与试样接触，并且通过栅极电介质与场效应晶体管的导电沟道绝缘，以及包括用于在源极和漏极之间施加电压的装置和用于对栅极加载偏置电压的装置。按照本发明，栅极电介质在其内部具有至少一个积聚点，所述积聚点能够从沟道捕获载流子，并且相反地发出给沟道。通过这样的积聚点永久地以统计方式将载流子与沟道交换，所述积聚点将流过沟道并且因此流过晶体管的电流与电报调制信号叠加，所述电报调制信号的表示特性的时间常数代替迄今所使用的漏极电流时间平均值可以被用作用于试样的电势或者电压的测量信号。由此所测量的信息的较大的分量鉴于所寻求的结果被分析，这明显地改善测量的灵敏度和精度。

技术领域

本发明涉及一种用于测量在生物的、化学的和其他试样处的小的电压和电势的设备和方法。

背景技术

生物试样的许多特性与电荷的吸收、发出或者空间重组有关，并且因此可以间接地和非侵入地通过电势的改变被测量，所述电荷在靠近测量设备时引起所述电势的改变。这样的这种类型的测量设备经常包含场效应晶体管，所述场效应晶体管的栅极与试样接触。试样在栅极处改变电势并且因此调制在预先给定的漏极源极电压的情况下通过晶体管驱动的电流。不利的是，用于研究在生物的、化学的和其他试样处的小的电压和电势的这种测量的信号太小。

由（S. Sorgenfrei，C. Chiu, M. Johnston，C. Nuckolls，K. L. Shepard，“Debye Screening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors”，Nano Letters 2011（11），3739-3743（2011））已知一种测量设备，所述测量设备使用碳纳米小管（Nanoröhrchen）作为场效应晶体管。纳米小管被功能化用于积聚具有晶格缺陷（Fehlstelle）的生物分子。生物分子与该晶格缺陷的结合以及生物分子与所述晶格缺陷的去耦在通过纳米小管驱动的电流中产生双能级电报噪声，利用所述双能级电报噪声可以研究结合和去耦的动力学。

发明内容

任务和解决方案

本发明的任务是，除与晶格缺陷的结合和去耦的动力学之外，能够定量地以比按照迄今的现有技术更好的精度测定试样的其他特性，所述其他特性能够引起电势变化。

所述任务按照本发明通过按照独立权利要求的设备和通过按照并列权利要求的方法被解决。其他的有利扩展方案由对其回引的从属权利要求得出。

发明主题

在本发明的范围中阐明用于测量试样的小的电压和电势或者其他电参量的设备。所述设备包括至少一个具有源极、漏极和栅极的场效应晶体管以及用于在源极和漏极之间施加电压的装置以及用于对栅极加载偏置电压的装置，其中所述栅极与试样接触并且通过栅极电介质与场效应晶体管的导电的沟道绝缘。

按照本发明，栅极电介质在其内部具有至少一个积聚点（Anlagerstelle），所述积聚点能够从沟道中捕获载流子并且能够相反地将载流子发出给沟道。

通过这样的积聚点永久地以统计方式与沟道交换载流子，所述积聚点将流过沟道并且由此流过晶体管的电流与在两个能级之间的统计的分级波动叠加。所述能级对应于两种可能的状态，即积聚点用载流子占用或者不被占用。这样的波动在半导体电子设备中通常是不期望的，从而采取努力以便将所述波动最小化。因为波动的时间变化过程与在电报线路上的莫尔斯信号的时间变化过程相似，所以为所述波动引进名称“电报噪声”（randomtelegraph noise（随机电报噪声））。